浙江大學(xué)化工原理實(shí)驗(yàn)---流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、專業(yè)： 姓名： 學(xué)號： 日期：2015 地點(diǎn)：教十 1208 實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱：過程工程原理實(shí)驗(yàn)（乙） 指導(dǎo)老師：金偉光 成績：_實(shí)驗(yàn)名稱：流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)（一、二） 實(shí)驗(yàn)類型：工程實(shí)驗(yàn) 同組學(xué)生姓名： 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵螅ū靥睿┒?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理（必填）三、主要儀器設(shè)備（必填）四、操作方法和實(shí)驗(yàn)步驟五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析（必填）七、討論、心得1、流體流動(dòng)阻力的測定實(shí)驗(yàn) 1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?1.1.1 掌握測定流體流經(jīng)直管、閥門時(shí)阻力損失的一般實(shí)驗(yàn)方法 1.1.2 測定直管摩擦系數(shù)與雷諾數(shù) 的關(guān)系，驗(yàn)證在一般湍流區(qū)內(nèi)與 的關(guān)系曲線1.1.3測定流體流經(jīng)閥門時(shí)的局部阻力系數(shù) 1

2、.1.4識辨組成管路的各種管件、閥門，并了解其作用。 1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與流程： 1.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置介紹：實(shí)驗(yàn)對象部分由貯水箱、離心泵、不同管徑和材質(zhì)的水管、閥門、管件、渦輪流量計(jì)、U形流量計(jì)等所組成。實(shí)驗(yàn)管路部分有兩段并聯(lián)長直管，自上而下分別為用于粗糙管直管阻力系數(shù)和光滑管直管阻力系數(shù)。同時(shí)在粗糙直管和光滑直管上分別裝有閘閥和截止閥，用于測定不同種類閥門的局部阻力。水的流量使用渦流流量計(jì)測量，管路直管阻力和局部阻力采用壓差傳感器測量。 1.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，箭頭所示為實(shí)驗(yàn)流程：其中：1水箱 2離心泵 3、10、11、12、13、14壓差傳感器 4溫度計(jì) 5渦輪流量計(jì)6孔板（或文丘里）流

3、量計(jì) 7、8、9轉(zhuǎn)子流量計(jì) 15層流管實(shí)驗(yàn)段 16粗糙管實(shí)驗(yàn)段17光滑關(guān)實(shí)驗(yàn)段 18閘閥 19截止閥 20引水漏斗 21、22調(diào)節(jié)閥 23泵出口閥24旁路閥（流量校核） a b c d e f g h 取壓點(diǎn) 1.3 基本原理：流體通過由直管、管件和閥門等組成的管路系統(tǒng)時(shí)，由于粘性剪應(yīng)力和渦流應(yīng)力的存在，要損失一定的機(jī)械能。流體流經(jīng)直管時(shí)所造成的機(jī)械能損失成為直管阻力損失。流體通過管件、閥門時(shí)由于流體運(yùn)動(dòng)方向和速度大小的改變所引起的機(jī)械能損失成為局部阻力損失。1.3.1直管阻力摩擦系數(shù)的測定：由流體力學(xué)知識可知，流體在水平等徑直管中穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，阻力損失為： （1）公式中： ：流體流經(jīng)l米直管的

4、壓力將， ； ：直管阻力摩擦系數(shù)，無因次； d：直管內(nèi)徑，m； ：單位質(zhì)量流體流經(jīng)l米直管的機(jī)械能損失,J/K； ：流體密度，kg/； l：直管長度，m； u：流體在管內(nèi)流動(dòng)的平均速度，m/s；由上面的式子可知： （2） 式子中：雷諾數(shù)，無因次：流體粘度，kg/(m*s)。湍流時(shí)是和相對粗糙度（/ d）的函數(shù)，須由實(shí)驗(yàn)測定。由（2）可是，要測定，需要確定l、d，測定、u、等參數(shù)。其中l(wèi)和d由裝置參數(shù)表（見下文）給出，、通過測定流體溫度，查相關(guān)手冊而得，u通過測定流體流量，再由管徑計(jì)算得到。本裝置采用渦流流量計(jì)或者轉(zhuǎn)子流量計(jì)，那么： v為流量計(jì)測得的流量，/h。 （3） 可直接從儀表中讀出。根據(jù)

5、實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)l、d，液體溫度，以及實(shí)驗(yàn)測定的相關(guān)參數(shù)，求取 和，然后將兩者在雙對數(shù)坐標(biāo)圖上繪制成曲線。1.3.2 局部阻力系數(shù)的測定：流體通過某一管件或者閥門時(shí)的機(jī)械能損失表示為流體在小管徑內(nèi)流動(dòng)時(shí)平均動(dòng)能的某一倍數(shù)，局部阻力的這種算法，叫做阻力系數(shù)法。即： 故： （4） （5）式中： :單位流體流經(jīng)某一管件或者閥門時(shí)的機(jī)械能損失，J/kg； ：局部阻力系數(shù)，無因次； ：局部阻力壓力降，；（= ，即表示流體經(jīng)過閥門或管件時(shí)的靜壓損失。） ：流體密度，kg/； g：重力加速度，9.81m/； u：流體在在小截面管內(nèi)流動(dòng)的平均速度，m/s； 根據(jù)連接管件或閥門兩端管徑中小管的直徑d，流體溫度t

6、，以及實(shí)驗(yàn)測定的相關(guān)參數(shù)，通過公式（5）求取管件或閥門的局部阻力系數(shù)。 1.4 實(shí)驗(yàn)步驟： 1.4.1 開啟儀表柜上的總電源、儀表電源開關(guān)。 1.4.2 實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)將水泵中灌滿水，否則應(yīng)先將水泵中灌滿水，然后進(jìn)行排氣，保證管道內(nèi)流體流動(dòng)是連續(xù)的，以便準(zhǔn)確測量壓差。本裝置使用壓差變送器測量壓差。 1.4.3 實(shí)驗(yàn)從做大流量開始做起，最小流量應(yīng)控制在1.3 /h。由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)使用的是雙對數(shù)坐標(biāo)，所以實(shí)驗(yàn)時(shí)每次流量變化取一遞減的等比數(shù)列，這樣得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)就會均勻分布，時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具準(zhǔn)確性。流量改變后，要等到流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定后再讀數(shù)，實(shí)驗(yàn)時(shí)同時(shí)讀取不同流量下的壓差、流量和溫度等有關(guān)參數(shù)（溫度取實(shí)驗(yàn)開

7、始時(shí)于實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)溫度的平均值）。 1.4.4 裝置確定時(shí)，根據(jù)和u的實(shí)驗(yàn)值，可以計(jì)算和，在等溫條件下，雷諾數(shù)=，繪制曲線（雙對數(shù)坐標(biāo)）。 1.4.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，抄錄好數(shù)據(jù)后準(zhǔn)備做離心泵特性曲線特定的實(shí)驗(yàn)。 1.5 數(shù)據(jù)記錄和處理： 1.5.1 裝置參數(shù)：名稱管內(nèi)徑（mm）直管測量段長度（mm）局部阻力測量段長度（mm）光滑管21ef=1000de=660粗糙管22bc=1000ab=680 1.5.2 數(shù)據(jù)記錄以及數(shù)據(jù)處理、繪圖 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄：粗糙管實(shí)驗(yàn)開始水溫：17.1結(jié)束水溫：18.7流量（）直管壓差（kPa）管件兩端壓差（kPa）5.0424.9324.944.2324.9424.643

8、.6922.6719.043.0515.6613.162.4710.649.062.097.536.521.745.354.731.453.683.39光滑管實(shí)驗(yàn)開始水溫：15.9結(jié)束水溫：17.1流量（）直管壓差（kPa）管件兩端壓差（kPa）5.148.0992.74.386.4567.03.644.9046.33.053.5032.32.572.6523.32.192.0616.51.861.5511.11.481.127.1數(shù)據(jù)處理：計(jì)算示例：取粗糙管第5組數(shù)據(jù)為例：=2.47、=10.64 kPa、=9.06 kPa查表有平均溫度17.9下水的密度 =2.47/（900*0.022*

9、0.022）=1.805m/s=0.022*1.805*998.2/（1.068*）=37114.72 =2*0.022*10.64*1000/（998.2*1*1.805*1.805）=0.1440 =2*（9.06-0.68*10.64）*1000/（998.2*1.805*1.805*9.81）=0.1144可以得到一系列和的值，列于下表中 粗糙管0.081075730.480.12030.115163557.670.16420.137455443.840.10180.138945833.080.10320.144037114.720.11440.142331402.550.12260.

10、145926144.800.13800.144521787.680.1615 光滑管0.0200177886.741.04950.02198666370.411.03800.0241755157.141.03160.0245946216.841.02320.0262238943.371.03560.0280833185.211.00190.0293028184.690.92450.0334322426.530.9217 1.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析 1.6.1根據(jù)光滑管、粗糙管實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在雙對數(shù)坐標(biāo)上分別標(biāo)繪出Re曲線，對照Moody圖，估算得到：光滑管：相對粗糙度/d=0.0010，絕對粗糙度

11、=0.0010*0.021m=0.021mm粗糙管：由于曲線不符合實(shí)際情況，未能得出結(jié)果。在下面分析。 1.6.2 光滑管閥門=1.003；粗糙管閥門=0.10441.6.3 按照化工原理相關(guān)理論，對于光滑管來說，當(dāng)流體流過光滑管時(shí)，因?yàn)楣艿拇植诜搴苄。植诜宥继幵谕牧鞯膶恿鞯讓又?，?/d對流動(dòng)阻力不產(chǎn)生任何影響，因此只是Re的函數(shù)。 然而根據(jù)圖可以得知，實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果表明，也受到相對粗糙度/d的影響，但是相比于粗糙管的曲線可以看出，/d對光滑管阻力的影響要比對粗糙管阻力的影響小。究其原因，可能是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)所選用的光滑管本身光滑度就不是很好，在實(shí)驗(yàn)過程中由于操作不精細(xì)也會引入誤差，數(shù)據(jù)處理時(shí)

12、精確度的選擇等也會對結(jié)果造成影響。查看圖表可知，光滑管的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論基本上吻合，偏離不是很大，但是粗糙管曲線的趨勢出現(xiàn)明顯的誤差。誤差分析：理論上講，流體在粗糙館內(nèi)湍流流動(dòng)時(shí)，Re、/d 對流動(dòng)阻力均有影響，且隨著Re的增大，/d對的影響越來越重要，相反，Re的影響卻越來越弱。這是因?yàn)椋?d一定時(shí)，Re越大，則暴露在湍流主體區(qū)的粗糙峰就越多，/d對的影響就越大；當(dāng) Re 增大到一定程度后，幾乎所有的粗糙峰都暴露在湍流主體區(qū)內(nèi)，此時(shí)流動(dòng)進(jìn)入了阻力平方區(qū)，該區(qū)域的曲線趨近于水平線。這時(shí)粗糙管的 摩擦損失。而作出的粗糙管曲線，Re很大時(shí)，/d對流動(dòng)阻力影響非常大，并不是理論的水平線，原因可能是剛開

13、始實(shí)驗(yàn)的點(diǎn)是Re最大的倆點(diǎn)，此時(shí)管路由于實(shí)驗(yàn)間隔時(shí)間較長，管路生銹，內(nèi)表面粗糙度很高，并不能達(dá)到阻力平方區(qū)，不能表現(xiàn)為水平線，此時(shí)阻力損失大，當(dāng)繼續(xù)實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于水的沖刷，有些粗糙點(diǎn)被沖刷掉，進(jìn)而后面的幾點(diǎn)作出的曲線符合理論的曲線狀態(tài)。 1.7 討論、心得、思考題 1.7.1 過程工程原理實(shí)驗(yàn)是工程實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果受實(shí)際復(fù)雜情況影響較大。我認(rèn)為，誤差來源主要有下面幾個(gè)方面：（1）流體不純凈。由于實(shí)驗(yàn)反復(fù)地有人在做，而水泵里面的水卻沒有及時(shí)更換，導(dǎo)致水中雜質(zhì)很多，影響水的密度和粘度，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。（2）裝置中的光滑管和粗糙管實(shí)際上不可能做到真正水平，有一定的傾斜角，也會導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏離。（3

14、）在讀取儀表顯示器數(shù)據(jù)時(shí)，由于數(shù)值不斷波動(dòng)且長時(shí)間不能穩(wěn)定，準(zhǔn)確難度增加，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生誤差。（4）實(shí)驗(yàn)所用管道內(nèi)壁經(jīng)過流體的不斷流通可能會被腐蝕或生銹，使管徑數(shù)值不準(zhǔn)確，造成實(shí)驗(yàn)誤差。（5）由于實(shí)驗(yàn)中流體的流動(dòng)與管內(nèi)壁發(fā)生摩擦?xí)a(chǎn)生熱量，使流體溫度升高，改變了流體的密度和粘度，而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)是假設(shè)實(shí)驗(yàn)過程中流體溫度恒定，這樣也就引入了誤差。1.7.2 思考題：（1）在對裝置做排氣工作時(shí)，是否一定要關(guān)閉流程尾部的出口閥？為什么？ 答：需要關(guān)閉。防止排氣不充分，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。（2）如何檢測管路中的空氣已經(jīng)被排除干凈？ 答：調(diào)節(jié)閥門，使流體流速為0，如果=0，則說明空氣已經(jīng)排盡。然而事實(shí)上，由

15、于實(shí)驗(yàn)裝置本身誤差，即使空氣已經(jīng)排除干凈，壓差也不一定為0。而且由于實(shí)驗(yàn)室不斷有人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所以本實(shí)驗(yàn)過程中并不要求做排氣這一過程。（3）以水作介質(zhì)所測得的 -Re 關(guān)系能否用于其它流體？ 答：可以，因?yàn)?Re 關(guān)系于管內(nèi)介質(zhì)種類無關(guān)，只與管子的相對粗糙度有關(guān)。所以只要相對粗糙度相同，-Re 關(guān)系就相同。 2、離心泵特性曲線的測定 2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?2.2.1了解離心泵結(jié)構(gòu)與特性，熟悉離心泵的用； 2.2.2測定離心泵在恒定轉(zhuǎn)速下的操作特性，做出特性曲線； 2.2.3了解差壓變送器、渦輪流量計(jì)等儀器儀表的工作原理和使用方法。 2.2 實(shí)驗(yàn)裝置與流程： 2.2.1 實(shí)驗(yàn)主要裝置：實(shí)驗(yàn)對象部分由

16、貯水箱，離心泵，文丘里流量計(jì)和壓差傳感器等組成。如圖： 離心泵實(shí)驗(yàn)圖2.3 基本原理：離心泵特性曲線是選擇和使用離心泵的重要依據(jù)，其特性曲線是在恒定轉(zhuǎn)速下泵的揚(yáng)程 H、軸功率 N及效率 與泵的流量 Q 之間的關(guān)系曲線，它是流體在泵內(nèi)流動(dòng)規(guī)律的宏觀表現(xiàn)形式。由于泵內(nèi)部流動(dòng)情況復(fù)雜，不能用理論方法推倒出泵的特性關(guān)系曲線，只能依靠實(shí)驗(yàn)測定。2.3.1 揚(yáng)程 H 的測定與計(jì)算在離心泵進(jìn)口真空表和出口壓力表處列機(jī)械能恒算方程： (1)若泵進(jìn)出口速度相差不大，則速度平方差可忽略，有：= （2）式中：，表示泵出口和進(jìn)口的位差，m ：流體密度，kg/； g：重力加速度，9.81m/； p表示壓力，H表示真空度

17、和表壓對應(yīng)的壓頭，u表示速度，z示壓力表安裝高度。由（2）可知，只要直接讀出泵進(jìn)出口測量點(diǎn)的高度差和壓差，就可以算出泵的揚(yáng)程。本實(shí)驗(yàn)直接由壓差變送器讀出壓差，計(jì)算時(shí)不必考慮泵進(jìn)出口位差。 2.3.2 軸功率 N 的測量和計(jì)算N = N電 k（W） (3) 其中，N 電為電功率表顯示數(shù)值，k 代表電機(jī)傳動(dòng)效率，k=0.82.3.3效率 的計(jì)算 （4）Q：泵的流量，/h。2.3.4 轉(zhuǎn)速改變時(shí)的計(jì)算泵的特性曲線是在恒定轉(zhuǎn)速下的實(shí)驗(yàn)測定所得，實(shí)際上電機(jī)在運(yùn)作時(shí)轉(zhuǎn)速會發(fā)生變化，流量Q也就跟著變化，轉(zhuǎn)速n也會變化，因此在繪制特性曲線之前，本次實(shí)驗(yàn)將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)離心泵的額定功率進(jìn)行換算，換算關(guān)系如下：揚(yáng)程

18、： 流量： 軸功率： 效率不受影響。 2.4 實(shí)驗(yàn)步驟： 前兩步實(shí)驗(yàn)已經(jīng)由實(shí)驗(yàn)1完成，本實(shí)驗(yàn)測取10組左右數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉泵出口閥，關(guān)閉水泵電機(jī)，關(guān)閉儀表電源和總電源開關(guān)，將實(shí)驗(yàn)裝置回復(fù)原狀。 2.5數(shù)據(jù)記錄和處理：2.5.1離心泵型號：Ms 100/L1 額定轉(zhuǎn)速：2850rpm 額定流量：6 /h 額定揚(yáng)程：23.4m 額定功率：1.1kw 水溫：19.7查表得：=998.2 kg/ =1.0050Pas 2.5.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 序號流量 V/(/h)進(jìn)出口壓差/kPa電機(jī)功率N電/w泵轉(zhuǎn)速u/rpm揚(yáng)程 H/m軸功率 N/W效率 19.66105.71216

19、286510.794 972.8 0.2915 28.56146.21190285014.930 952.0 0.3651 37.49176.81147286518.055 917.6 0.4009 46.4204.71090286520.904 872.0 0.4173 55.36229.21024286523.406 819.20.416664.28250.7926288025.602740.8 0.4023 73.24269.5825289527.522 660 0.3675 82.14284.8706291029.084 564.8 0.2997 91.07298.0600291030

20、.432 480 0.1845 100316.7530292532.342 424 0.0000 計(jì)算示例：取第5組數(shù)據(jù) =229.2/(998.2*9.81)*1000=23.406mN=Nd*0.8=1024*0.8=819.2W= =5.36*998.2*9.81*23.406/819.2/3600=0.4166 2.6試驗(yàn)結(jié)果與分析： 2.6.1繪制一定轉(zhuǎn)速下的 HQ、NQ、Q 曲線 2.6.2圖表分析 （1）從以上三條曲線可以看出，該離心泵的壓頭隨流量的增加而下降，軸功率隨流量的增加而增加，符合大部分離心泵的特點(diǎn)。（2）從Q 曲線看出流量在6.45.3m/h之間某點(diǎn)效率最大，是最適宜的工作點(diǎn)，曲線符合實(shí)際離心泵的特點(diǎn)。 （3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該離心泵在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中的軸功都沒有達(dá)到額定功率1.1kW。2.7 討論