流體力學組合實驗裝置使用說明書

一、流體輸送操作單元簡介
液體和氣體統(tǒng)稱為流體。流體的特征是具有流動性，即其抗剪和抗張的能力很小，無固定形狀，隨容器的形狀而變化；在外力作用下其內(nèi)部發(fā)生相對運動。
化工生產(chǎn)中所處理的原料及產(chǎn)品，大多為流體。按照生產(chǎn)工藝的要求，制造產(chǎn)品時往往需要把他們依次輸送到各設(shè)備內(nèi)，進行反應(yīng)；產(chǎn)品又常需輸送到貯罐內(nèi)貯存。如果欲達到上述所規(guī)定的條件，把流體從一個設(shè)備輸送到另一個設(shè)備，首先，設(shè)備之間需用管道聯(lián)接，其次，需要輸送設(shè)備給流體以一定的速度?；どa(chǎn)中，由于各種因素的制約，如場地、設(shè)備費用、工藝要求等等；各設(shè)備之間流體流動需要消耗能量，流體以一定速度在管內(nèi)流動亦需要能量。這樣，就必須有一能給流體提供能量的輸送設(shè)備。我們把為液體提供能量的輸送設(shè)備稱為泵，為氣體提供能量的輸送設(shè)備稱為風機及壓縮機。泵種類很多，按照工作原理的不同，分為離心泵、往復泵、旋轉(zhuǎn)泵、旋渦泵等幾種；風機及壓縮機有通風機、鼓風機、壓縮機、真空泵等。其作用均是：對流體做功，提高流體的壓強。本實驗介紹離心泵。
離心泵一般用電機帶動，在啟動前需向殼內(nèi)罐滿被輸送的液體，啟動電機后，泵軸帶動葉輪一起旋轉(zhuǎn)，充滿葉片之間的液體也隨著轉(zhuǎn)動，在離心力的作用下，液體從葉輪中心被拋向外緣的過程中便獲得了能量，使葉輪外緣的液體靜壓強提高，同時增加了液體的動能。液體離開葉輪進入泵殼后，由于泵殼中流道逐漸加寬，液體的流速逐漸降低，一部分動能轉(zhuǎn)化為靜壓能，使泵出口處液體的壓強進一步提高，于是液體以較高的壓強，從泵的排出口進入管路，輸送至所需的場所。
流體在流動過程中為克服流動阻力必定要消耗能量。流體流動阻力產(chǎn)生根本的原因是流體具有粘性，流動時存在著內(nèi)磨擦，管壁或其它形狀固體壁面，促使流動流體的內(nèi)部發(fā)生相對運動，為流體流動阻力的產(chǎn)生提供了條件，因此液體阻力的大小與流體的物性、流動狀況及壁面等因素有關(guān)。
通常將流體在管路中流動時的阻力分成直管阻力和局部阻力兩部分，直管阻力是流體流經(jīng)一定管徑的直管時，由于流體的內(nèi)磨擦力（即粘性力）產(chǎn)生的阻力。局部阻力（形體阻力）主要是由于流體經(jīng)管路中管件、閥門及管截面形狀和尺寸突然擴大縮小等局部地方引起流體邊界層分離造成的阻力。
化工生產(chǎn)中，流體流動的基本原理及其流動規(guī)律被廣泛應(yīng)用，主要有以下幾個方面的應(yīng)用：
1）流體的輸送
2）壓強、流速和流量的測量
3）為強化流體的傳熱、傳質(zhì)提供適宜的流動條件
一個完整的流體輸送系統(tǒng)所必須包括的主要設(shè)備及儀表有：
1）泵（或風機、壓縮機）：對流體作功，提高流體壓強：
2）進、出口閥門；控制流體流量；
3）壓力表；測量流體的壓強；
4）管道；流體流動的通道。
二、設(shè)備性能與主要技術(shù)參數(shù)
1、本實驗裝置主要是由離心泵、PVC水箱、壓力表、流量計、孔板、U型壓力計等組成。
2、離心泵采用20－110型小流量離心管道泵，流量為2.5/hr,揚程為15m，輸入功率為370W，必需汽蝕余量（NPSH）r為2.3m。
3、流量的測量以流量計的讀數(shù)為準，孔板的安裝是為了加深學生對孔板流量計的印象，同時也可以用它的結(jié)果與轉(zhuǎn)子流量計做比較。喉頸處的通徑為15mm，孔流系數(shù)CV為0.5。
4、壓差計均采用L為1000mm和800mm型。指示液為四氯化碳或水銀，須避免濺出有害人體健康。
5、水箱由PVC板焊制而成，實驗液體（水）為全循環(huán)使用。節(jié)約實驗開支。
6、臺架本裝置離心泵出口流量的調(diào)節(jié)，離心泵出口流量的顯示，離心泵進、出口壓力的顯示、電機功率的顯示，均集中在臺架上。
三、實驗?zāi)康?/strong>
1、了解離心泵的結(jié)構(gòu)和特性，熟悉離心泵的操作；
2、掌握離心泵主要參數(shù)的測定方法，測量一定轉(zhuǎn)速下的離心泵特性曲線；
3、了解并熟悉離心泵的工作原理。
4、掌握流體阻力及一定管徑和管壁粗糙度下摩擦系數(shù)λ的測定方法。
5、掌握測定局部阻力系數(shù)ζ的方法。
6、掌握摩擦系數(shù)λ與雷諾數(shù)Re之間的關(guān)系及工程意義
四、實驗原理及要求
1、離心泵的特性曲線
離心泵是化工生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的一種流體輸送設(shè)備。它的主要特性參數(shù)包括：流量Q，揚程He，功率N，和效率η。這些特性參數(shù)之間是相互聯(lián)系的，在一定轉(zhuǎn)速下，He、N、η都隨著輸液量Q變化而變化；離心泵的壓頭He、軸功率N、效率η與流量Q之間的對應(yīng)關(guān)系，若以曲線H~Q、N~Q、η~Q表示，則稱為離心泵的特性曲線，可由實驗測定。特性曲線是確定泵的適宜操作條件和選用離心泵的重要依據(jù)。
離心泵在出廠前均由制造廠提供該泵的特性曲線，供用戶選用。泵的生產(chǎn)部門所提供的離心泵的特性曲線一般都是在一定轉(zhuǎn)速和常壓下，以常溫的清水為介質(zhì)測定。在實際生產(chǎn)中，所輸送的液體多種多樣，其無論性質(zhì)（如密度、粘度等）各異，泵的性能亦將發(fā)生變化，廠家提供的特性曲線將不再適用，如泵的軸功率隨液體密度變化而改變，隨粘度變化，泵的壓頭、效率軸功率等均發(fā)生變化。此外，改變泵的轉(zhuǎn)速或葉輪直徑，泵的性能也會發(fā)生變化。因此，用戶在使用時要根據(jù)介質(zhì)的不同，重新校正其特性曲線后選用。
2、曲線的測定
（1）流量Q的測定
轉(zhuǎn)速一定，用泵出口閥調(diào)節(jié)流量，管路中流過的液體量通過渦輪流量計或用壓差式流量計讀出的壓差值來確定流量；
（2）揚程（壓頭）He的測定
根據(jù)泵進出口管上安裝的真空表和壓力表讀數(shù)可計算出揚程：
He =h₀ +
其中：、—— 分別為泵出口壓力表和入口真空表測得的讀數(shù)（）
ρ ——輸送液體密度                      （Kg/）
h₀──兩測壓口間的垂直距離，（m ）
（3）功率N的測定
由三相功率表直接測定電機功率N（Kw）；
（4）功率η的測定
Ne =HeQρg / 102
η_泵=Ne / N_軸×100%
或：η_總=Ne / N_電×100%
η_總=η_電η_傳η_泵
其中：  He ── 揚程，m ；
u₁、u₂ ──  泵進、出口管內(nèi)流體流速，m/s 。
Ne ── 離心泵有效功率，Kw。
Q ── 泵的流量，m³/s ；
ρ ── 流體密度，Kg/m³ 。
N_軸、N_軸 ── 泵的軸功率，電機的輸入功率；
η_電、η_傳、η_泵── 電機效率、傳動效率、泵的效率。
3、     流體阻力
流體阻力產(chǎn)生的根源是流體具有粘性，流動時存在內(nèi)摩擦。而壁的形狀則促使流動的流體內(nèi)部發(fā)生相對運動，為流動阻力的產(chǎn)生提供了條件，流動阻力的大小與流體本身的物理性質(zhì)、流動狀況及壁面的形狀等因素有關(guān)。流動阻力可分為直管阻力和局部阻力。
流體在流動過程中要消耗能量以克服流動阻力。因此，流動阻力的測定頗為重要。測定流體阻力的基本原理如圖2-1所示，水從貯槽由離心泵輸入管道，經(jīng)流量計計量后回到水槽，循環(huán)利用。改變流量并測定直管與管件的相應(yīng)壓差，即可測得流體流動阻力。
A   直管阻力磨擦系數(shù)λ的測定
直管阻力是流體流經(jīng)直管時，由于流體的內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻力損失h_f 。
對于等直徑水平直管段根據(jù)兩測壓點間的柏努利方程有：

                                     （1-1）
式中：l — 直管長度（m）
     d — 管內(nèi)徑  （m）
（P₁ - P₂）— 流體流經(jīng)直管的壓強降（Pa）
u — 流體截面平均流速（m/s）
ρ— 流體密度（kg/m³）
μ— 流體粘度（PaS）
由式（1 - 1）可知，欲測定λ，需知道I、d、（P₁ - P₂）、u、ρ、μ等。
1）     若測得流體溫度，則可查得流體的ρ、μ值。
2）     若測得流量，則由管徑可計算流速u。
3）     兩測壓點間的壓降（P₁ - P₂），可用U型壓差計測定。此時：
                                （1-2）
式中：   R — U型壓差計中水銀柱的高度差（m）
則：
                （1-3）
B    局部阻力系數(shù)ζ的測定
局部阻力主要是由于流體流經(jīng)管路中管件、閥門及管截面的突然擴大或縮小等局部位置時所引起的阻力損失，在局部阻力件左右兩側(cè)的測壓點間列柏努利方程有：
                                      （1-4）
  即：
式中：       ζ — 局部阻力系數(shù)
P₁′- P₂′— 局部阻力壓強降（Pa）
式（1 — 4）中ρ、u、P₁′- P₂′等的測定同直管阻力測定方法
4、離心泵的工作點與調(diào)節(jié)
（1）管路特性曲線與泵的工作點：
當離心泵安裝在特定的管路系統(tǒng)中時，實際的工作壓頭和流量不僅與離心泵本身的性能有關(guān)，還與管路特性有關(guān)，即在輸送液體的過程中，泵和管路是相互制約的，對一特定的管路系統(tǒng)，可得出：He=K+BQ²
其中：操作條件一定時，K為常數(shù)。由上式看出，在固定管路中輸送流體時，管路所輸送的流體的壓頭He隨被輸送流體的流量Q的平方而變（湍流狀態(tài)），該關(guān)系標在相應(yīng)坐標紙上，即為管路特性曲線，該線的形狀取決于系數(shù)K、B，即取決于操作條件和管路的幾何條件，與泵的性能無關(guān)。
將離心泵的特性曲線H~Q與其所在管路的特性曲線繪于同一坐標圖上，兩線交點M稱為泵在該管路上的工作點，該點所對應(yīng)的流量和壓頭既能滿足管路系統(tǒng)的要求，又為離心泵所能提供。
（2）離心泵的流量調(diào)節(jié)：
離心泵在指定的管路上工作時，當生產(chǎn)任務(wù)發(fā)生變化，或已選好的泵在特定管路中運轉(zhuǎn)所提供的流量不符合要求的，都需要對離心泵進行流量調(diào)節(jié)，實質(zhì)上是改變泵的工作點，因此，改變兩種特性曲線之一均可達到調(diào)節(jié)流量的目的。調(diào)節(jié)流量最直接的方法是：改變離心泵出口管路上調(diào)節(jié)閥門的開度，閥門開大，管路局部阻力減小，管路特性曲線變得平坦，工作點流量加大，揚程減小，反之亦然；調(diào)節(jié)流量的另一方法時：改變泵的轉(zhuǎn)速以改變泵的特性曲線，以達到調(diào)節(jié)流量的目的。
五、實驗流程圖

六、實驗操作步驟與注意事項
1、檢查水槽內(nèi)的水是否保持在一定的液位，水不能太少，必要時應(yīng)向水槽加水；
2、泵啟動前，泵殼內(nèi)應(yīng)注滿被輸送的液體（本實驗為水）；并且泵的出口閥需關(guān)閉，避免泵剛啟動時的空載運轉(zhuǎn)。若出現(xiàn)泵無法輸送液體，則說明泵未灌滿或者其內(nèi)有空氣，氣體排盡后必然可以輸送液體。
3、泵啟動后，待泵的出口有一定的壓力后再開啟泵出口閥但幅度不要太大同時稍開泵入口壓差計的連通閥；記錄下泵在一定轉(zhuǎn)速下的進出口壓力、流量等于原始記錄表格中。（注意若開始就將流量開得很大則可能會使文丘里管壓差計變成流體的另一通道而不能測壓。）
4、關(guān)泵時，應(yīng)注意泵的出口閥門必須關(guān)閉，再停泵；
5、須定期清洗水箱，以免污圬過多。
七、實驗結(jié)果處理與要求：
1、根據(jù)實驗所測各項，設(shè)計原始數(shù)據(jù)記錄表格。
2、驗證層流時λ～Re的關(guān)系。
3、湍流時流量由小（大）到大（?。y8~10組數(shù)據(jù)，計算λ、ζ、Re值。
4、在雙對數(shù)坐標紙上繪出λ～Re曲線，并與書上λ～Re比較是否相符？
5、局部阻力原始記錄表格與下表一致。
6、繪制離心泵的特性曲線H~Q
原始記錄表格
溫度：     液體粘度：         液體密度：          管子內(nèi)徑：           

體積流量V()	流速u(m/s)	(m)	(m)