阻力、离心泵-1

1.流体流动阻力的测定1.1实验目的(1)熟悉测定流体流经直管和管件时的阻力损失的实验组织方法及测定摩擦系数的工程意义；(2)学会用因次分析方法解决工程实际问题；(3)学会压差计、流量计和变频器的使用方法，以及识别管路中各个管件、阀门的作用。1.2基本原理由于流体粘性的存在，流体在流动的过程中会发生流体间的摩擦，从而导致阻力损失。层流时阻力损失的计算式是由理论推导得到的；湍流时由于情况复杂得多，未能得出理论式，但可以通过实验研究，获得经验的计算式。其研究的基本步骤如下：1.寻找影响过程的主要因素对所研究的过程作初步的实验和经验的归纳，尽可能地列出影响过程的主要因素。对湍流时直管阻力损失hf与诸多影响因素的关系式应为：hf=f(d,u,ρ,μ,l,ε)(1)2.因次分析法规划实验当一个过程受多个变量影响时，通常用网络法通过实验以寻找自变量与因变量的关系，以（1）式为例，若每个自变量的数值变化10次，测取hf的值而其他自变量保持不变，6个自变量，实验次数将达106。为了减少实验工作量，需要在实验前进行规划，以尽可能减少实验次数。因次分析法是通过将变量组合成无因次数群，从而减少实验自变量的个数，大幅度地减少实验次数，其可以由π定理加以证明：在物理方程因次一致性的条件下，任何一个方程都可化为无因次方程，无因次方程的变量总数=原方程变量总数—基本因次数,（1）式共有7个变量总数，在流体力学范畴，基本因次共有3个，它们是[L]、[M]、[T],π定理告诉我们：无因次数群的个数π=7-3=4则：π1=dL][π2=dlLl][π3=11311Re]][][[][LTLMLTMLπ4=222][uhTLhff因次分析法可以将对（1）式的研究转变成对以下（2）式的4个无因次数之间的关系的研究。即：),,('2ddldufuhf（2）其中，若实验设备已定，那么以上（2）式可写为：2),(2udlddufhf（3）若实验设备是水平直管，以上（3）式可写为：2),(2udlddufP（4）所以：22udlP（5）即：),(dduf（6）由（5）式可知，为了要测定（6）式的曲线关系，若装置已经确立，物系也已确定，那么λ只随Re而变，实验操作变量仅是流量，改变流量的手段是阀门的开度，由阀门开度的变化达到改变流速u的目的。实验组织方法：u―――在管路中需要安装一个流量计；ρ―――在实验装置中需要安装测流体的温度计；P―――引出二个测压点，并接上一个压差计；所以，除了以上仪表外，再配上水槽、泵、变频器、引压系统、管件等组建成以下循环管路，见如下实验装置流程图。1.3实验流程图图1流体流动阻力实验流程图1.4实验步骤1.关闭控制阀，打开2个光滑管引压阀，关闭其它引压阀，启动泵。2.系统排气（1）总管排气：先将控制阀开足然后再关闭，重复三次，目的为了使总管中的大部分气体被排走，然后打开总管排气阀，开足后再关闭，重复三遍。（2）引压管排气：每次测直管阻力或测局部阻力时，打开相应的引压管放气阀，开、关重复三次。（3）压差计排气：依次分别打开放气阀，开、关重复三次。3.检验排气是否彻底：将控制阀开至最大，再关至为零，看压差变送器计读数，若前后读数相等，则判断系统排气彻底；若前后读数不等，则重复上述2步骤。4.由于系统的流量计量采用涡轮流量计，其小流量受到结构的限制，因此，从大流量做起，实验数据比较准确。5.实验布点：由于Re在充分湍流区时，λ～Re的关系曲线处在双对数座标纸的密集区，所以在大流量时少布点，而Re在比较小时，λ～Re的关系是曲线，所以小流量时多布点。先将控制阀开至最大，读取流量显示仪读数F大，然后关至压差显示值约0.3Kpa，再读取流量显示仪读数F小，在F小和F大二个读数之间布15个点，变频为16各点。6.关闭总管控制阀，切换引压阀，测定相应局部阻力。7.实验结束后，关闭泵，打开压差计平衡阀，上机数据处理。1.5原始数据1.6过程运算表1.040963和040817光滑管和粗糙管λ～Re的关系运算表局部阻力系数测定运算表(040963和040817局部阻力处理结果)：1.7计算示例1.流体流动阻力测定计算以040963第3组数据为例t=20.0℃；ρ=998.2kg/m3；μ=1.004×10－3Pa·s；26.2光vql/s；03.70205.0411032.241232dquv光光m/s66.349982.060.34Δphf光J/kg431033.1410004.12.99803.70205.0duRe光0144.003.7220205.09982.060.342Δ22uldp光51.2.2q1v＝局L/s12.3032.0411051.24123211局局局dquvm/s4.26Δ1局PKpa45.269982.04.26Δ11局局PhfJ/kg43.512.3245.262h2211f1局局局u1.8作图法数据处理040963和0408171.9实验结果讨论与分析1.实验数据处在104＜Re＜2×105范围，摩擦系数λ随雷诺数Re的增大而减小。由于管路的相对粗糙度ε/d较小，随着Re的增大，越来越多的粗糙凸出物相继对λ发挥作用，表现为缓缓下降；当Re＞1.5×105时，装置号030826粗糙管λ是一常数，这是因为层流内层薄得足以使表面突出物完全暴露，对流体形成的阻力达到最大极限，管流进入了阻力平方区，此时ε/d=0.0011，λ粗＝0.021。2.由于管路新的原因，曲线比较靠近光滑管曲线。3.局部阻力系数ζ的大小受Re的大小影响较小，几乎是一常数，异径直角弯头为8.23，全开闸阀为0.94，半开球阀为5.38，直角弯头为0.71，与理论值相比数据吻合。4.四种局部阻力大小依次为异径弯头半开球阀全开闸阀直角弯头。5.变频调节流量和阀门调节流量实验结果较接近，但变频时的小流量压差计读数有误差。2.离心泵特性曲线的测定2.1实验目的1.熟悉离心泵的操作，掌握实验组织方法，了解实验操作原理；2.学会离心泵特性曲线的测定方法，正确掌握用作图法处理实验数据。2.2基本原理对一定类型的泵来说，泵的特性曲线主要是指在一定转速下，泵的扬程、功率和效率与流量之间的关系。由于离心泵的结构和流体本身的非理想性以及流体在流动过程中的种种阻力损失，至今为止，还没有人能推导出计算扬程的纯理论数学方程式。因此，本实验采用最基本的直接测定法，对泵的特性曲线用实验测得。见图1，对泵的进出口取1-1截面与2-2截面，建立机械能衡算式：图1机械能衡算式示意图gP1+h1+gu221+He=gP2+h2+g2u22(1)∴He=guguhhgPgP2221221212(2)从方程式(2)可见，实验组织方法是：P1－――实验装置中在泵的进口管上装有真空表；P2―――实验装置中在泵的出口管上装有压力表；ρ―――和温度有关，由温度计测量流体温度；η―――由功率表计量电机输入功率Na；u―――管路中需安装流量计，确定流体的流速u，欲改变u需阀门控制；除以上仪表外，配上泵、变频器、管件、水槽等部件组合成循环管路，见图3实验流程图。实验操作原理是：按照管路特性曲线和泵特性曲线的交点作为泵的工作点这原理，改变管路阻力可以通过调节阀门开度加以实现，使管路特性曲线上的工作点发生移动，再将一系列移动的工作点的轨迹连接起来，就是泵的扬程曲线，见图2。图2泵的工作点原理图2.3实验流程及说明2.4实验步骤1.打开压差传感器平衡阀，关闭离心泵调节阀，打开引水阀，反复开、关放气阀，气体被排尽后，关闭放气阀。1.启动泵，关闭引水阀。2.实验顺序从大到小，即将阀门开至最大时，作为第一组实验数据共采集16组数据。3.实验布点服从大流量多布点，小流量少布点规则，原因是离心泵效率极值点出现在大流量时。4.前七组数据按流量显示仪读数每下降约0.2L/s布一个实验点，以后实验数据布点约降0.3L/s。5.若发现流量显示仪读数达不到零，可采用将调节阀开至最大，再快速关闭调节阀，流量显示仪读数将为零，可能此读数不久还会上升，上升的数据不采集，以零计。此时其余的仪表读数不随显示仪读数而变。6.实验结束后，关闭电源。7.上机进行数据处理。2.5原始数据记录1.原始数据表一类型涡轮流量计显示仪功率表压力表真空表精度0.50.50.51.51.5量程1.6~10m3／h/0~2000W0~0.40Mpa-0.1~0Mpa最小刻度1110.0050.002２.原始数据表二2.5计算示例a.取040963第三组数据为例：qv=2.90L/sHe=H压+H真+h0+guu22122H压=621081.97.9951830.0gP=18.73mH2OH真=611081.97.995030.0gP＝3.07mH2Ou2=232032.0785.01090.241出dqv=3.61m/su1=23204.0785.01090.241进dqv=2.31m/s81.9231.261.32222122guu＝0.39mH2OHe=18.73＋3.07＋0＋0.39=22.19mH2OPe=gqvHe=995.7×9.81×2.90×10-3×22.19=629wPa≈P电＝W=1×950=950w%21.66950629aePPb.流量的误差与坐标比例尺△qv读=0.01L/s△qv仪=精度×量程=[(1+0.5％)(1+0.5％)－1]×(10－1.6)×103÷3600=0.0234L/s△qvmax(△qv读，△qv仪)流量坐标比例尺：420234.0122vqqMvmm圆整：vqM=40mm代表1L/sc.扬程的误差与坐标比例尺He≈gPgP12=H压+H真(1)压力表读数误差△H压读=41×最小刻度=41×0.005=0.00125Mpa(2)压力表仪表误差△H压仪=精度×量程=1.5％×(0.40－0)=0.006Mpa△H压max(△H读，△H仪)(3)真空表读数误差△H真读=41最小刻度=41×0.002=0.0005Mpa(4)真空表仪表误差△H真仪=精度×量程=1.5％×(0.1－0)=0.0015MpaH真max(读，H仪H)真仪压仪HHHe=0.006+0.0015=0.0075Mpa=0.765mH2OMeH=3.122eHmm圆整：2mm代表1mH2Od.有效功率的误差Pe=veqgHveeveqgHHgqP=995.7×9.81×2.90×10－3×0.765+995.7×9.81×22.19×0.0234×10－3=26.7we.电机功率的误差与坐标比例尺Pa=WWPa最小刻度读W=2w仪W精度×量程=0.5%×（2000－0）=10wmmPMkwwPΔ)ΔΔmax(Δ仪读，取：100mm代表1kwf.效率的误差与坐标比例尺aePP51.30351.0109506299507.26ΔΔ1Δ22aaeeaPPPPP%mmM28%51.31Δ22圆整：1mm代表1%2.6过程运算及绘制曲线1.装置号040963过程运算表和装置号040817过程运算表2.离心泵曲线图0409630408172.7实验结果讨论与分析1.离心泵的效率随流量的增加先上升，然后越过高点后再略微下降。一方面主要由于流体的质点被叶轮甩出时的运动轨迹与蜗壳形成的撞击所产生的阻力损失最小；另一方面该德国泵由3级叶轮组成，使流体内摩擦而产生的机械能损失最小。2.在50hz频率下：040963离心泵效率极值点V=2.90L/s，max=66.19％。040817离心泵效率极值点V＝3.03L/s，ma