实验四 化工流体过程综合实验 一、 实验目的 1• 掌握光滑直管、粗糙直管阻力系数的测量方法，并绘制光滑管及粗糙管的 "- R e 曲线，将 其与摩擦系数图进行比较； 2• 掌握阀门的局部阻力系数的测量方法； 3• 了解各种流量计（节流式、转子、涡轮）的结构、性能及特点，掌握其使用方法；掌握节 流式流量计标定方法，会测定并绘制文丘里、孔板、喷嘴流量计流量标定曲线（流量 - 压差 关系）及流量系数和雷诺数之间的关系（ C 。
- R e 关系）； 4• 了解离心泵的结构、操作方法，掌握离心泵特性曲线测定方法，并能绘制相应曲线。
二、 实验内容 1• 测定光滑直管和粗糙直管摩擦阻力系数，绘制光滑管及粗糙管的 • - Re 曲线； 2• 测定阀门的局部阻力系数； 3• 测定并绘制文丘里、孔板、喷嘴流量计（三选一）流量标定曲线（流量 - 压差关系）及流 量系数和雷诺数之间的关系（ C 。
- R e 关系）； 4• 测量离心泵的特性曲线，并绘制相应曲线，确定其最佳工作范围。
三、 实验原理、方法和手段 1. 流体阻力实验 a. 直管摩擦系数，与雷诺数 Re 的测定：
直管的摩擦阻力系数是雷诺数和相对粗糙度的函数，即 •二 f（Re, ； /d）
，对一定的相 对粗糙度而言，， = f （Re）
。
流体在一定长度等直径的水平圆管内流动时，其管路阻力引起的能量损失为:
又因为摩擦阻力系数与阻力损失之间有如下关系（范宁公式）
h f Pi - P 2 P i_u 2 d 2 整理⑴⑵两式得
h f P f 2d ■:Pf u 2
d - 管径， m ; ：
Pf -直管阻力引起的压强降， Pa ; I -管长， m ; u -流速， m / s ; 3 『-流体的密度， kg / m ; 亠-流体的粘度， N ・ s / m 2 。
在实验装置中，直管段管长 I 和管径 d 都已固定。若水温一定，则水的密度 p 和粘度卩也是 定值。所以本实验实质上是测定直管段流体阻力引起的压强降 , ； p f 与流速 u （流量 V ）之间 的关系。
根据实验数据和式⑶可计算出不同流速下的直管摩擦系数 入用式⑷计算对应的 Re ,从 而整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系，绘出 入与 Re 的关系曲线。
b. 局部阻力系数"的测定：
式中：
■ -局部阻力系数，无因次；
p "f -局部阻力引起的压强降， Pa ; h " f
-局部阻力引起的能量损失， J / kg 。
式中: hf = APf
图 -1 局部阻力测量取压口布置图 局部阻力引起的压强降 p f 可用下面的方法测量：在一条各处直径相等的直管段上, 安装待测局部阻力的阀门，在其上、下游开两对测压口 a-a" 和 b-b /,见图 -1 ，使 ab = be ; az
b z
= b z
c z
贝 V △ P f ， a b =△ P f ， be ； △ P f ， a z
b = △ P f ， b z
c 在 a~az 之间列柏努利方程式：
P a — P a ， =2 A P f , a b +2 △ P f ， a ， b ， + △ P ‘ f ⑸ 在 b~b ，之间列柏努利方程式：
P b — P b = △ P f ， be + 厶 P f ， b e ， + △ P f = △ P f ， a b + △ P f ， a ， b ， + △ P ， f ⑹ 联立式⑸和⑹，则：
:P f
= 2（P b— P b ， ）
— （ P a — P a ）
为了实验方便，称 （P b — P b ， ）
为近点压差，称 （P a — P a ， ）
为远点压差。其数值用差压传感器 来测量。
2. 流量计性能测定：
流体通过节流式流量计时在上、下游两取压口之间产生压强差，它与流量的关系为：
式中：
V s - 被测流体 冰 ）
的体积流量， m 3 /s ;
C o — 流量系数，无因次； A o — 流量计节流孔截面积， m 2 ； p 上- p 下 一 流量计上、下游两取压口之间的压强差， Pa ; ‘一 被测流体 （ 水 ）
的密度， kg / m 3 。
用涡轮流量计作为标准流量计来测量流量 V s 。，每一个流量在压差计上都有一对应的读
二 CA 2（ P上一卩下）
b 数，将压差计读数厶 P 和流量 V s 绘制成一条曲线，即流量标定曲线。同时利用上式整理数 据可进一步得到 C o — Re 关系曲线。
3. 离心泵性能测定实验 离心泵的特征方程是从理论上对离心泵中液体质点的运动情况进行分析研究后，得出 的离心泵压头与流量的关系。离心泵的性能受到泵的内部结构、 叶轮形式和转数的影响。故 在实际工作中，其内部流动的规律比较复杂， 实际压头要小于理论压头。因此，离心泵的扬 程尚不能从理论上作出精确的计算，需要实验测定。
a. 扬程 H 的测定: 在泵的吸入口和排出口之间列柏努利方程
上式中 h f 入曲是泵的吸入口和排出口之间管路内的流体流动阻力， 与柏努利方程中其它项比 较， h f 入血值很小，故可忽略。于是上式变为: 2g 将测得的 Z 出- z 入 和 P 出- P 入 的值以及计算所得的 U 入 ,U 出 代入上式即可求得 H 的值。
b. 轴功率 N 的测定：
功率表测得的功率为电动机的输入功率。
由于泵由电动机直接带动，传动效率可视为 1 , 所以电动机的输出功率等于泵的轴功率。即：
泵的轴功率 N = 电动机的输出功率， kw 电动机的输出功率 = 电动机的输入功率 X 电动机的效率。
泵的轴功率 = 功率表读数 ＞电动机效率， kw 。
c. 效率的测定：
Ne 2 丄 P 入丄 u 入丄口 z 入 H = z 出 ; g 2g H = !z 出- z 入 P出 P入 2 -^出 - u
h f 入_出 ; g 2g u 2 出- u 2 入 ― h f 入少 g 2g P 出- P 入 u 2 出- U 2 入 H 出- z 入 式中: Ne HQ -g _ HQ " 1000 102 —泵的效率; 真空表测压位置管内径 d ! =0.036m
孔板流量计 孔径 0.020m 喷嘴流量计 孔径 0.020m 实验管路管径：
0.042m c. 离心泵性能部分：
离心泵：型号 WB70/055 电机效率 60% ； 真空表：用于泵吸入口压强的测量 测量范围 0.1-0MPa
N —泵的轴功率， kw ; Ne —泵的有效功率 kw ; H —泵的扬程， m ; Q —泵的流量， m 3 /s 3 「一水的密度， kg/m 四、 实验组织运行要求 集中授课形式 五、 实验条件 1. 实验设备主要技术参数：
a. 流体阻力部分: 被测直管段：光滑管管径 d-0.008 (m) 管长 L-1.700 (m) 材料不锈钢 材料不锈钢 玻璃转子流量计 LZB — 25 100~1000 ( L/h )
VA10-15F 10~100 (L/h ) 压差传感器：
型号 LXWY 测量范围 200 KPa 数字显示仪表：
测量参数名称 仪表名称 数量
温度 AI-501B 1
压差 AI-501BV24 1
流量 AI-501BV24 1
功率 AI-501B 1
b. 流量计性能部分：
流量测量：文丘里流量计 文丘里喉径 0.020m 精度 1.5 级 , 粗糙管管径 d-0.010 (m) 管长 L-1.700 (m) 离心泵：型号 WB70/055
压力表：用于泵出口压力的测量 测量范围 0-0.25MPa 精度 1.5 级 压强表测压位置管内径 d 2 =0.042m 流量计：涡轮流量计 精度 0.5 级； 两测压口之间距离：真空表与压强表测压口之间的垂直距离 h o =o.25m d. 管路特性部分：
变频器：型号 E301-201-H 规格：（ 0-50 ）
Hz 2.实验装置流程图及流程简介 ：
图 -2 流体流动过程综合实验流程示意图 1- 水箱； 2- 水泵； 3- 入口真空表； 4- 出口压力表； 5 、 16- 缓冲罐； 6 、 14- 测局部阻力近端 31- 倒 U 型管平衡阀 ⑴流体阻力测量流程：
水泵 2 将储水槽 1 中的水抽出，送入实验系统，经玻璃转子流阀； 7 、 15- 测局部阻力远端阀； & 17- 粗糙管测压阀； 9 、 21- 光 滑管测压阀； 10- 局部阻力阀； 11- 文丘里流量计 （孔板流量计）
； 12- 压力传感器； 13- 涡流流量计； 18 、 32- 阀门； 20- 粗糙管阀； 22- 小转子流量计; 23- 大转子流量计 •； 24 阀门； 25- 水箱放水阀； 26- 倒 U 型管放空阀； 27- 倒 U 型管； 28 、 30- 倒 U 型管排水阀； 29 、
压差（KPa）
O O 量计 22 、 23 测量流量，然后送入被测直管段测量流体流动阻力，经回流管流回储水槽 1 。
被测直管段流体流动阻力 AP 可根据其数值大小分别采用变送器 12 或空气一水倒置 U 型管 来测量。
⑵流量计、离心泵性能测定流程：
水泵 2 将水槽 1 内的水输送到实验系统， 流体经涡轮流量计 13 计量，用流量调节阀 32 调节流量，回到储水槽。同时测量文丘里流量计两端的压差， 离心泵进出口压强、离心泵电 机输入功率并记录。
⑶管路特性测量流程：
用流量调节阀 32 调节流量到某一位置，改变电机频率，测定涡轮流量计的频率、泵入 口压强、泵出口压强并记录。
六、实验步骤 1. 流体阻力测量：
⑴向储水槽内注水至水箱三分之二。
（ 最好使用蒸馏水，以保持流体清洁 ）
⑵光滑管阻力测定：
关闭粗糙管路阀门，将光滑管路阀门全开，在流量为零条件下，打开通向倒置 U 型管 的进水阀，检查导压管内是否有气泡存在。若倒置 U 型管内液柱高度差不为零，则表明导 压管内存在气泡。需要进行赶气泡操作。导压系统如图 -3 所示：
3 、 4- 排水阀； 11- U 型管进水阀； 12- 压力传感器； 26- U 型管放空阀； 27- U 型管 图 -3 导压系统示意图 导压系统排气操作方法如下: a 打开 11 , 3 , 4 , 10~30 秒（层流实验时 30~60 秒）； b. 关闭 11 ； c. 打开 26 ,将倒 U 型压差计中的水排净； d. 关闭 3 , 4 , 26 ； e. 打开 11 ,使水进入倒 U 型压差计； f. 闭流量调节阀 24 ，此时若倒 U 型压差计中的差值为 0 ，则说明管线中的气已排净。女口 不为零则表明管路中仍有气泡存在,需要重复进行赶气泡操作。
该装置两个转子流量计并联连接, 根据流量大小选择不同量程的流量计测量流量。
差压 变送器与倒置 U 型管亦是并联连接，用于测量压差，小流量时用 U 型管压差计测量，大流 量时用差压变送器测量。应在最大流量和最小流量之间进行实验操作，一般测取 15 〜 20 组 数据。
注：在测大流量的压差时应关闭 U 型管的进出水阀 11 ,防止水利用 U 型管形成回路影响实 验数据。
⑶粗糙管阻力测定：
关闭光滑管阀,将粗糙管阀全开,从小流量到最大流量,测取 15~20 组数据。
⑷测取水箱水温。待数据测量完毕，关闭流量调节阀，停泵。
⑸粗糙管、局部阻力测量方法同前。
2. 流量计、离心泵性能测定（以文丘里流量计为例）
：
⑴向储水槽内注入蒸馏水。检查流量调节阀 32 ，压力表 4 的开关及真空表 3 的开关是否关 闭 （ 应关闭 ）
。
⑵启动离心泵，缓慢打开调节阀 32 至全开。待系统内流体稳定，即系统内已没有气体，打 开压力表和真空表的开关,方可测取数据。
⑶用阀门 32 调节流量,从流量为零至最大或流量从最大到零,测取 10 〜 15 组数据,同时 记录涡轮流量计频率、文丘里流量计的压差、泵入口压强、泵出口压强、功率表读数,并记 录水温。
⑷实验结束后，关闭流量调节阀，停泵，关闭电源。
七、 实验注意事项 ：
1. 直流数字表操作方法请仔细阅读说明书,待熟悉其性能和使用方法后再进行使用操作。
2. 启动离心泵之前以及从光滑管阻力测量过渡到其它测量之前,都必须检查所有流量调节阀 是否关闭。
3• 利用压力传感器测量大流量下△ P 时 ， 应切断空气一水倒置 U 型玻璃管的阀门否则将影响测 量数值的准确。
4. 在实验过程中每调节一个流量之后应待流量和直管压降的数据稳定以后方可记录数据。
5. 若之前较长时间未做实验,启动离心泵时应先盘轴转动,否则易烧坏电机。
6. 该装置电路采用五线三相制配电，实验设备应良好接地。
7. 使用变频调速器时一定注意 FWD 指示灯亮，切忌按 FWREV 键， REV 指示灯亮时电机反转。
8. 启动离心泵前，必须关闭流量调节阀，关闭压力表和真空表的开关，以免损坏测量仪表。
9• 实验水质要清洁，以免影响涡轮流量计运行。
八、 思考题 1• 本实验中的 U 型压差计的指示剂是何物？为什么选择它？ 2• 本实验中，倒置 U 型压差计一开始就排了气的， 为什么在实验过程中还可以两边示数自由 增大和减小？ 3• 在做各实验时，如何判断流量这一数据是否合理？ 一般气体流速和流体流速各在什么范 围？ 九、 实验报告 实验报告应体现预习、实验记录和实验报告 1• 实验预习 在实验前每位同学都需要对本次实验进行认真的预习， 并写好预习报告，在预习报告中 要写出实验目的、要求， 需要用到的仪器设备、物品资料以及简要的实验步骤，形成一个操 作提纲。对实验中的安全注意事项及可能出现的现象等做到心中有数， 但这些不要求写在预 习报告中。
2. 实验记录 学生开始实验时，应该将记录本放在近旁， 将实验中所做的每一步操作、 观察到的现象 和所测得的数据及相关条件如实地记录下来。
实验记录中应有指导教师的签名。
附：数据记录表 a. 直管阻力损失的测定 表一流体阻力光滑管实验数据表 光滑管：内径 mm 、管长 m （液体温度 °C 液体密度 P =
kg/m 液体粘度 u= mPa • s ）
序 号 流量 (l/h) 直管压差 AP △ P 流速 u Re 入 ( kPa ) ( mmH 2 O ) ( Pa ) (m/s) 1
2
22
表二流体阻力粗糙管实验数据表
粗糙管：内径 mm 、管长 m （液体温度 C 液体密度 p= kg/m 液体粘度卩= mPa • S ）
序 号 流量 (l/h) 直管压差 AP △ P 流速 u Re 入 ( kPa ) ( mmH 2 O ) ( Pa ) (m/s) 1
2
22
b. 局部阻力损失的测定 表三局部阻力实验数据表 序号 Q ( l/h ) 近端压差 远端压差 u ( m/s ) 局部阻力压差 阻力系数 Z 1
2
3
c. 流量计性能测定 表四流量计性能测定实验数据表 序 号 孔板流量计 孔板流量计 流量 Q 流速 u Re Co (kPa) (Pa) 3 (m /h) (m/s)
1
2
11
d. 离心泵特性曲线测定 表五离心泵性能测定实验数据表 （液体温度 c 液体密度 P= kg/m 、泵进出口咼度 = m ）
序 号 入口压力 P i 出口压力 P 2 电机功率 流量 Q u 入 u 出 压头 H 泵轴功率 N n (MPa) (MPa) (kw) 3 (m /h) (m/s) (m/s) (m) ( w ) (%) 1
2
10
3 •数据处理要求 实验数据处理需详细写出典型计算步骤， 数据处理结果填入数据记录表；选用相应坐标 纸绘制实验内容中要求绘制的曲线。
4• 实验总结 对实验数据、实验中的特殊现象、实验操作的成败、实验的关键点等内容进行整理、解 释、分析总结，回答思考题，提出实验结论或提出自己的看法等。