综合流体力学实验装置说明书

化工流动过程综合实验

装置（单泵）说明书

天津大学化工根底实验中心

2011.10

一、实验装置功能特点介绍：

本实验装置将流体阻力实验、离心泵性能实验、流量计性能实验有机结合在一起，是

套多功能实验装置。可用丁化工教学实验。通过实验，可以练习光滑直管、粗糙直管的

阻力系数与雷诺准数的测量方法，并能绘制关系曲线；学习儿种压差测量方法，加深对流

体流动阻力概念的理解；同时可以让学生了解离心泵的结构、操作方法，掌握离心泵特性

曲线测定方法，掌握离心泵管路特性曲线测定方法，并能绘制相应曲线，加深对离心泵性

能的理解；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流量计流量标定曲线(流量-压差关

系)与流量系数和雷诺数之间的关系(C。-Rc关系)。

二、实验设备主要技术参数：

1.流体阻力局部：

(1)被测直管段：

光滑管：管径匕0.008(m)管长LT.708(m)材料不锈钢

粗糙管：管径d-0.01(口)管长L-l.713(m)材料不锈钢

(2)玻璃转子流量计：

型号测量范围精度

LZB—25100^1000(L/h)1.5

LZB—1010^100(L/h)2.5

(3)压差传感器：型号LXWY测量范围200KPa

(4)数字显示仪表：宇电数字显示仪表

测量参数名称仪表名称数量

温度AI-501B1

压差AI-501BV241

流量AI-501BV241

功率AI-501B1

(5)离心泵：型号WB70/055

2.流量计性能局部：

流量测量：文丘里流量计文丘里喉径0.020m

实验管路管径：0.043m,

3.离心泵性能局部；

(1)离心泵：型号WB70/055电机效率60%；

(2)真空表：用于泵吸入口真空度的测量测量范围0.1-OMPa精度1.5级，真空表测

压位置管内径5=0.028m

(3)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d2=0.042m

(4)流量计：涡轮流量计精度0.5级；

(5)两测压□之间距离：真空表与压强表测压口之间的垂宜距离％二0.43m

4.管路特性局部：

变频器：型号N2-40LH规格：(0-50)Hz

三、实验装置流程图及根本情况简介

1.实验装置流程示意图见图一

图一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

端阀；7、15-测局部阻力远端阀；8、17-粗糙管测压阀；9、21-光滑管测压阀；10-

局部阻力阀；1卜文丘里流量计(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、3C-倒U型管排水阀；29、31-倒U型

管平衡阀

2.实验装置仪外表板图见图二

(1)流体阻力测量：

水泵2将储水槽1中的水抽出，送入实验系统，经玻璃转

温度(t)

子流量计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

压差(KPa)

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。

流量(nf/h)

(2)流量计、离心泵性能测定：

水泵2将水槽1内的水输送到实验系统,流体经涡轮流量

功率(KW)

干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、离心泵电变频器机

□

输入功率并记录。

(3)管路特性测量：OO

总电源

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、泵入口真空度、泵出口压强并记录。二流体流动综合实验

装置面板示意图

四、实验方法及步骤：

1.流体阻力测量

(1)向储水槽内注水至水满为止。(最好使用蒸储水，以保持流体清洁)

(2)光滑管阻力测定：

a.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，翻开通向倒置U型

管的进水阀，检查导压管内是否有气泡存在。假设倒置U型管内液柱高度差不为零，

那么说明导压管内存在气泡。需要进行赶气泡操作。导压系统如图三所示。

操作方法如下：

加大流量，翻开U型管进出水阀门11,使倒置U型管内液体充分流动，以赶出管路内

的气泡；假设观察气泡已赶净，将流量调节阀24关闭，U型管进出水阀11关闭，慢慢旋

开倒置U型管上部的放空阀26后，分别缓慢翻开阀门3、4,使液柱降至中点上下时马上

关闭，管内形成气一水柱，此时管内液柱高度差不一定为零。然后关闭放空阀26,翻开U

型管进出水阀11,此时U型管两液柱的高度差应为零(1—2mm的高度差可以忽略)，如不

为零那么说明管路中仍有气泡存在，需要重复进行赶气泡操作。

图三导压系统示意图

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

b.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。

c.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。

(3)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。

(4)测取水箱水温。待数据测量完毕，关闭流量调节阀，停泵。

(5)粗糙管、局部阻力测量方法同前。

2.流量计、离心泵性能测定

(1)向储水槽内注入蒸镯水。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)。

(2)启动离心泵，缓慢翻开调节阀32至全开。待系统内流体稳定，即系统内已没有气体,

翻开压力表和真空表的开关，方可测取数据。

(3)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、泵入口真空度、泵出口压强、功率表读

数，并记录水温。

(4)实验结束后，关闭流量调节阀，停泵，切断电源。

3.管路特性的测量

(1)测量管路特性曲线测定时•，先置流量调节阀32为某开度，调节离心泵电机频率(调

节范围50—20Hz),测取8〜10组数据，同时记录电机频率、泵入口真空度、泵出口压强、

流量计读数，并记录水温。

(2)实验结束后，关闭流量调节阀，停泵，切断电源。

五、实验考前须知

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4P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前方可记录数据。

5.假设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.使用变频调速落时一定注意FWD指示灯亮，切忌按画画键，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。

六、附数据处理过程举例：

㈠计算过程

1.流体阻力测量

(1)直管摩擦系数4与雷诺数布的测定

直管的摩擦阻力系数是雷诺数和相对粗糙度的函数，即4=/(Rc,£/d),对一定的相对

粗糙度而言，A=/(Re)o

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:

hf=⑴

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)

⑵

d2

整理(1)(2)两式得

⑶

p'lu~

d-up

Rne=----—(4)

式中：d-管径，m；

△P,-直管阻力引起的压强降，Pa；

/-管长，m；

〃一流速，m/s；

夕-流体的密度，kg/mJ；

〃一流体的粘度，N-s/m2o

在实验装置中，直管段管长/和管径d都已固定。假设水温一定，那么水的密度P和

粘度d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「与流速u(流

量V)之间的关系。

根据实验数据和式(3)可计算出不同流速下的直管摩擦系数入，用式(4)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。

计算举例:

①光滑管、小流量数据：Q=60(L/h)h=51(mmII2O)

(以表一第17组数据为例)

实验水温L27.8C粘度〃=0.85X103(pa.s)密度。=995.78(kg/m3)

Q6()/3600/100()…

管内流速"二巨石=5/4)x0.0082=033(m/s)

4

阻力降bp,=p-^-A=995.78x9.81x51/1000=498(Pa)

「d-u-p0.008x0.33x995.78

雷诺数Re=-^一=一病而一=3.109X10^

石卫x”二2x0.008,粤

阻力系数

p・Lu2995.78x1.6980.332

②粗糙管、大流量数据：Q=300(L/h)AP=18.2(kPa)

(以表二第13组数据为例)

实验水温「29.2℃粘度〃=0.82X103(Pa.s),密度夕=995.40(kg/m3)

Q300/3600/1000।

管内流速u=---=----------------=1.06Im/sJ

产3(4/4)x0.012

(了w

阻力降=18.2X1000=18200(Pa)

dup0.01x1.06x995.40

雷诺数Re=--------0.82x10”=1.29X10'

A

2d*2x0.0118200

阻力系数x7-=x-=o190

pLu2995.4Oxl.7O51.062

(2)测定局部阻力系数

a.局部阻力系数4的测定

2

\Pfu

2、AP

5

式中：4-局部阻力系数，无因次;

△巴-局部阻力引起的压强降，Pa；

/"-局部阻力引起的能量损失，J/kg。

/△耳,ab△Pf,bec'b,△耳,b，a，_,

111111111111

abcc'b'a'

图-4局部阻力测量取压口布置图

局部阻力引起的压强降AP；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-bl见图1-1,使

ab=bc；a‘b'=b'c

那么△Pf,“b—APf.be

△Pf,b,=APf,hrc,

在小丁之间列柏努利方程式：

pa—=2APf,nb+23..，b，+Z\p'「(5)

在b〜b'之间列柏努利方程式：

，

Pb—Pb，=APr,be+APf.b>+APf

=△Pf.ab+Z^Pf.a，b，+Z^Pf(6)

联立式⑸和(6),那么：

APf—2(Pb—Pb，)_(Pa—Pa，)

为了实验方便，称(Pb-R,，)为近点压差，称0一％)为远点压差。其数值用差压传感

器来测量。

计算举例：

局部阻力实验数据：Q=800(L/h)

近端压差=186(kPa)远端压差=186.6(kPa)

实验水温r=29.2C粘度〃=0.82X10*(Pa.s)密度p=995.40(kg/n?)

实验水温・20.8℃密度夕=997.49(kg/m3)(以表三第1组数据为例)

800/3600/1000

管内流速:=126(m/s)

»)(〃/4)x0.0()152

局部阻力:△P/=2(PLPb，)一(P“T，)

=(2X186-186.6)X1000=185400(Pa)

，=仅14/31整=235.3

局部阻力系数:

\p)u21997.49J1.262

3,流量计性能测定

(1)实验原理及计算过程

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:

20-尸卜)

匕二5)

P

式中：匕一被测流体(水)的体积流量，m3/s；

C—流量系数，无因次；

%一流量计节流孔截面积，4；

片-PF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/m3o

用涡轮流量计作为标准流量计来测量流量Vso,每一个流量在压差计上都有一对应的读

数，将压差计读数4P和流量K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-Re关系曲线。

⑵计算举例(以表四第5组数据为例)

涡轮流量计：Q=6.09(m3/h)流量计压差：15.5kpa实验水温f=31.1℃

粘度〃=0.78X10T(Pa.s)密度夕=994.85(kg/m3)

6.09

u==1.165(m/s)

2

3600X54X0.043

「dup0.043x1.165x994.854

Re=--=-----------------------------=4.99X10

〃0.78x1O-3

=6.oyl________

/“八八K、“c“r/2xl5.5x1000

/3600x(—)x0.02x0.02xJ--994胎——

二0.965

4.离心泵性能的测定

(1)实验原理及计算过程

A.H的测定：

在泵的吸入口和排出口之间列柏努利方程

〃~入

Z入吟+舒+"=z出+郎+

+3入-出

……号+吗j出

上式中“八_山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

它项比拟，Hf入一出值很小，故可忽略。于是上式变为:

22

U出-U入

+---------------

2g

将测得的（Z出-Z入）和&-P入的值以及计算所得的〃入，〃出代入上式即可求得H的值。

B.N的测定：

功率表测得的功率为电动机的输入功率。由于泵日电动机直接带动，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

电动机的输出功率二电动机的输入功率X电动机的效率。

泵的轴功率二功率表读数X电动机效率，kWo

C.〃的测定

Ne

Ne=HQPl=HQp

1000102

式中：7］一泵的效率；

N一泵的轴功率，kw；

Ne泵的有效功率kw；

H—泵的扬程，m；

Q一泵的流量，一/s

0—水的密度，kg/m!

（2）计算举例（以表五第1组数据为例）

涡轮流量计读数：Q=10.17（"3//z）功率表读数：o.76kw

压力表：0.055Mpa；泵入口真空表：0.024Mpa

实验水温/=31.1℃粘度〃=0.78*IO'(pa.s)密度P=994.85(kg/m1)

［厂以।〃2出入

斤=（Z出一Z入）+

Pg2g

〃=0.437+(°.°24+0・055)xl0000(%.5(m)

994.85x9.81

N=功率表读数x电机效率=0.76x60%=0.456(攵的=456(W)

Ne

〃=­

N

8.5x10.17/3600x1000x994.85

=235.34”)

M愣102

23534

[7==5230%

456

5.管路特性的测定：

当离心泵安装在特定的管路系统中工作时，实际的工作压头和流量不仅与离心泵本身

的性能有关，还与管路特性有关，也就是说，在液体输送过程中，泵和管路二者是相互制

约的。

管路特性曲线是指流体流经管路系统的流量与所需压头之间的关系。假设将泵的特性

由线与管路特性曲线绘制在同一坐标图上，两曲线交点即为泵在该管路的工作点。因此，

如同通过改变阀门开度来改变管路特性曲线，求出泵的特性曲线一样，可通过改变泵转速

来改变泵的特性曲线，从而得出管路特性曲线。泵的压头H计算方法同上。

附：实验数据表

表一流体阻力实验数据记录光滑管内径8mm管长1.698m

液体温度二27.8℃液体密度0二995.78kg/m液体粘度口=0.85mPa.S)

流量直管压差AP△P流速u

序号ReX

d/h)(Pa)(m/s)

(kPa)

1100076.4764005.53518180.024

290062.5625004.98466360.024

380050.4504004.42414550.024

470040.8408003.87362730.026

560031.0310003.32310910.027

650022.4224002.76259090.028

740015.5155002.21207270.030

83009.494001.66155450.032

102004.949001.11103640.038

131002.4128125()0.5551820.039

149010510260.5046640.039

1580908790.4441450.043

1670706840.3936270.043

1760514980.3331090.043

1850363520.2825910.044

1940232250.2220730.043

2030151470.1715550.050

2120988().1110360.068

22104390.065180.121

入=70.51/Re

表二流体阻力实验数据记录粗糙管内径10mm管长1.705m)

液体温度=29.2℃液体密度P=995.40kg/m液体粘度u=0.82mPa.S

流量直管压差APAP流速u

序号ReX

(1/h)(Pa)(m/s)

(kPa)

31000168.91689003.54429550.159

4900139.21392003.18386590.162

5800110.31103002.83343640.162

670090.0900002.48300680.173

760067.6676002.12257730.177

850047.8478001.77214770.180

1040031.5315001.42171820.185

1330018.2182001.06128860.190

142008.48400().718591().198

151002.729428710.3542950.270

169024924310.3238660.283

178020620120.2834360.296

187016416010.2530070.308

196012712400.2125770.324

205091889().182148().335

2140666440.1417180.379

2230504880.1112890.511

2320242340.078590.551

2410878().044300.735

表三局部阻力实验数据表

序号流量Q近端压差远端压差流速u局部阻力阻力系数C

(1/h)(kPa)(kPa)(m/s)(kPa)

1800186186.61.26185400235.3

2600104.31050.94103600233.8

340044.545.50.6343500220.9

表四流量计性能测定实验数据记录

文丘里流量计文丘生流量计流量Q流速U

序号ReCo

(kPa)(Pa)(nFh)(m/s)

146.34630010.171.946832600.933

2353500()9.131.747747460.963

328.3283008.141.558666410.955

422.8228007.121.363582900.930

515.5155006.091.165498580.965

610.8108005.050.966413440.959

77.979004.120.788337300.915

85.656003.130.599256250.825

9330002.100.402171920.756

101.414001.080.20788420.569

11000.000.000

表五离心泵性能测定实验数据记录

(液体温度31.1℃液体密度P=994.85kg/m、泵进出口高度=0.437米)

入口压力出口压力压头泵轴功率

电机功率流量Qn

序号P1P2hN

(kw)(m3/h)

(MPa)(MPa)(m)(W)(%)

10.0240.0550.7610.178.545651.584

20.0190.0820.769.1310.845658.545

30.0150.1050.748.1412.744463.283

40.0120.1250.717.1214.542665.585

50.0080.1450.686.0916.140865.206

60.0060.1610.645.0517.538462.564

70.0040.1710.594.1218.435457.954

80.0020.1820.543.1319.332450.520

900.1940.472.1020.328241.012

1000.2050.421.0821.425224.912

1100.2150.380.0022.5228