流体流动实验指导书

实验一 流体流动阻力测定

实验学时： 4 实验类型：综合性 实验要求：必修 一、实验目的

通过本实验的学习，使学生了解流动阻力损失的测定方法。

二、实验内容

1、测定水在不同流速下通过直管的阻力损失，标绘摩擦因数λ——雷诺数Re的关系曲线，并绘制出“公认”的关系曲线以作比较。

2、测定闸阀的局部阻力，确定该管件的阻力系数ζ。

三、实验原理、方法和手段

实际流体在管路系统中流动时会产生流动阻力。根据流动阻力产生的原因不同，分

为直管阻力和局部阻力。它们的计算依据为：

?Plu2??直管阻力损失： hf? ?gd2g?Pu2??局部阻力损失：hf? ?g2g

实验中分别测定流体在通过被测直管段和被测管件时的压降，流量计计量管路流量以确定流速，从而可算出相应条件下的摩擦因数和阻力系数。

四、实验组织运行要求

集中授课形式

五、实验条件

实验装置： 1、循环水箱 2、涡轮流量传感器 3、流量调节阀 4、离心泵 5、闸阀

1

6、压差计I 7、压差计II

被测直管段长为2m，管路管径为 长度为 0.2 m

3\3\4，闸阀直径为 4；闸阀两端的测压嘴之间的直管段

参数测量：参数测量 （1）流量测量

采用涡轮流量计测量流量。涡轮流量计由一次仪表涡轮流量传感器和二次仪表转速数字显示仪组成。实验中，记录涡轮流量传感器的仪表常数和不同流量时二次仪表的示数，然后由下式计算流量：

流量Q（l/s）?二次仪表示数（脉冲数/s）

仪表常数（脉冲数/s）（2）压差计II：测量直管段的压力降；

（3）压差计I：测量闸阀所在管段的压力降，其值扣除其中直管部分的压力降即为闸阀局部阻力所产生的真实压降。要求在大流量下取5组数据即可。

六、实验步骤

1、先检查U形压差计的平衡阀是否打开，排气阀是否关闭，调节阀及仪表是否关闭。然后启动泵，打开仪表开关。

2、全开流量调节阀，进行管路和测压管排气。完毕后，先关闭排气阀，最后关闭平衡阀。

3、在最大流量和最小流量之间合理布点，测取10——12组数据。 4、实验完毕后，关闭仪表，停泵，打开U形压差计平衡阀。

七、思考题

2

1、U形压差计的“零位读数”的含义是什么？哪种情况下会出现较大的零位读数？ 2、本实验装置所测数据，雷诺数范围有限，试分析要扩大测量范围，可以从哪方面进行改进？

3、在测取光滑管实验数据时，如果粗糙管或缩小装置管的调节阀关闭不严，会造成什么影响？

4、为使实验数据点在坐标图上分布比较均匀，并使雷诺数有尽可能大的范围，测取数据时在操作上应注意什么问题？

5、使用涡轮流量计时应注意什么问题？

6、如果U型压差计中有气体存在，会产生什么影响？如何解决？

八、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：原始数据记录 仪表常数:

序号 零位 1 … 3．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

水温:

R 直 左 右 左 R 局 右 二次仪表读数 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。

3

附：数据整理表 1、直管阻力

序号 Q u Re R 直 h f 直 λ 1 … 2、局部阻力 序号 Q u Re R 局 hf 局 ζ ζ 1 … 九、其它说明

4

实验二 液体流量计校正

实验学时： 3 实验类型：综合 实验要求：必修 一、实验目的

使学生了解孔板流量计的构造、原理、使用、安装及校正方法。

二、实验内容

1、测定孔板流量计的孔流系数C0，标绘C0—Re的关系曲线。

2、标绘孔板流量计的流量曲线，即流量Q—流量计压差计示数R0关系曲线。

三、实验原理、方法和手段

液体通过孔板时的能量变化体现在静压力变化上。可以通过测定管路中流量和孔板

前后的压力变化，来确定孔流系数。

即

C0?

Vs2A0?R0(????)g

式中， Vs——液体流量，m3/s；

ρ、ρ'——分别为U形压差计指示液和被指示液的密度，kg/m3； A0——孔板孔口截面积，m2； R0——孔板前后U形压差计示数，m；

C0——孔板流量计的流量系数。

四、实验组织运行要求

集中授课形式

五、实验条件

实验装置： 1、循环水箱 2、涡轮流量传感器 3、流量调节阀 4、离心泵

5

5、孔板流量计 6、压差计I 7、压差计II

管路直径为0.027m，孔板孔径为0.018m。孔板前后被测管段直管部分总长为42cm。孔板孔口前后和流量计前后管段各安装一个压差计，测定相应位置处的压降。

参数测量：

（1）流量测量：用涡轮流量计测量。流量测量及计算方法见实验一。

（2）压差计I：所测压降反映孔板孔口前后的压力变化，即为表观损失。相应的压差示数 R0 用于计算孔流系数；

（3）压差计II：所测压差反映孔板前后被测管段的压降，包括直观阻力和局部阻力，应扣除其中的直管阻力部分才得到真实的孔板流量计的永久损失。

六、实验步骤

1、先检查U形压差计的平衡阀是否打开，排气阀是否关闭，调节阀及仪表是否关闭。然后启动泵，打开仪表开关。

2、全开流量调节阀，进行管路和测压管排气。完毕后，关闭排气阀，最后关闭平衡阀。 3、在最大流量和最小流量之间合理布点，测取10——12组数据。 4、实验完毕后，关闭仪表，停泵，打开U形压差计平衡阀。

七、思考题

1、本实验装置和操作上那些地方容易产生结果误差？如何尽量减小误差？ 2、流量计永久损失的含义是什么？

八、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

6

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：原始数据记录

仪表常数: 序号 零位 1 … 3．实验总结

主要内容包括对实验数据、实验中的特殊现象、实验操作的成败、实验的关键点等内容

水温：

R0 左 右 左 R 右 二次仪表读数 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。

附：数据整理表

序号 1 … Q Re R0 C0 表观损失hf,0 R 永久损失hf hf/hf,0 九、其它说明

7

实验三 离心泵性能曲线测定

实验学时： 3 实验类型：综合 实验要求：必修 一、实验目的

使学生了解离心泵的结构及安装要求，掌握离心泵特性曲线的意义及应用。

二、实验内容

1、熟悉离心泵的操作

2、测定一定转速下离心泵的特性曲线。

三、实验原理、方法和手段

离心泵的特性曲线包括H-Q曲线，N-Q曲线，η-Q曲线，是反映一定型号的离心

泵在一定转速下压头、流量、轴功率和效率等特性的关系曲线。这些特性曲线必须通过实验测定。

在离心泵性能测定装置中，排出管路上安装流量计用于测定流量。离心泵的进出口处分别安装压力表和真空表，可测取相应流量下的压力读数。利用下式可求得一定流量下离心泵提供的压头：

或

2uc2?ubH?h0?HP?HV?() （3-2）

2g2Pc?Pbuc2?ubH?h0?()?()

?g2g （3-1）

式中，

h0 ——离心泵进出口处测压点间的垂直距离，m；

uc、ub ——分别为离心泵进出口处的流速，m/s； Pc、Pb ——分别为离心泵进出口处压力，MPa；

HP、HV ——分别为泵进出口处安装的压力表和真空表示数，mH2O。

离心泵的轴功率可以用功率表直接测量，也可以通过测定电动机的输入功率，然后由下

8

式计算：

N?N电?电?传

式中，ηη电（3-3）

——电动机效率，由电动机性能决定，一般可近似取为0.85； ——传动效率，对联轴传动可取为0.96。

传N电——电动机输入功率。

N电有两种测量方法，一是用功率表直接测量，N电 = 功率表读数×功率表系数；二是用

电流表和电压表测量输入电动机的电流和电压，并由式N电?3VIcos? 计算N电 ，式中V、I 分别为电动机的输入电压和电流，功率因数cosΦ可取为0.93。

求出一定流量下的压头和轴功率，就可以求离心泵效率。

??NeN

式中，

（3-4）

（3-5）

Ne?HQ?g

调节流量，可以获得多组H-Q、N-Q、η-Q数据，由此可绘制出相应的特性曲线。

四、实验组织运行要求

集中授课形式

五、实验条件

本实验有两种装置，实验装置I和实验装置II：

图示说明：1、循环水槽 2、孔板流量计（装置I），涡轮流量传感器（装置II） 3、调节阀

4、压力表 5、真空表 6、离心泵 7、底阀和滤网 8、U形压差计

9

I装置中，离心泵进口管规格为 11??1??，出口管规格为1。 24压力表和真空表测压口间垂直距离为100mm。 使用孔板流量计测量流量，流量按下式计算：

Q?1.191?10?4R0.5769

式中， Q——流量，m3/s；

R——孔板流量计压差示数，mm。

（3-6）

采用电压表和电流表测量电动机输入功率。实验装置II：（如图3-2） II装置中，离心泵进口管规格为11??，出口管规格为1。 2压力表和真空表测压口间垂直距离为100 mm。

采用涡轮流量计测量流量。流量测量及计算方法见“管路阻力测定”。 采用功率表测量电动机的输入功率，功率表系数取15。

六、实验步骤

装置I

1、检查实验装置，给转动轴罩上护罩，离心泵灌水，关闭出口阀；记录U形压差计零位读数。

2、启动离心泵，用出口阀调节流量，在的整个流量范围内合理布点，测取10组数据，其中包括流量为零时的数据。

3、实验完毕后，关闭出口阀，停泵，测量水温。 装置II

1、检查流量调节阀和各仪表开关是否关闭。 2、启动泵，打开各仪表开关。

3、在最大流量和最小流量之间合理布点，测取10—12组数据。 4、实验完毕后，关闭各仪表开关和流量调节阀。

七、思考题

1、在离心泵未充水时，启动泵，观察实验现象，说明原因。 2、观察实验装置中离心泵吸入管所用的底阀结构，说明其用途。

3、根据测得的离心泵特性曲线说明离心泵为什么要在出口阀关闭的情况下启动？ 4、如果改动实验装置，例如把泵出口管路加高加长若干米，对测取实验数据有无影响？

10

重新测得的离心泵特性曲线会不会发生变化？

5、记录下离心泵铭牌上的数据，并与实验结果相对照，可以说明什么问题？ 6、比照一下离心泵铭牌和所配用马达铭牌上所表示转速及功率，可以说明什么问题？

八、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：

1、抄录离心泵“铭牌”上有关数据。 2、抄录电动机“铭牌”上有关数据。 3、原始数据记录表 装置I： 序号 零位 1 2 … 装置II：

仪表常数：

水温：

真空表读数 功率表读数 11

真空表 水温： 电流表 电压表 流量计压差示数 左 右 R 压力表 序号 二次仪表示数 压力表读数 1 2 …

3．实验总结

主要内容包括对实验数据、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。

附：数据整理表 序号 1 … Q H V H P H Ne N电 N η 九、其它说明

12

实验四 流体阻力与离心泵联合实验

实验学时： 10 实验类型：综合 实验要求：必修 一、实验目的

1、掌握直管摩擦阻力系数的测量方法； 2、掌握阀门的局部阻力系数的测定方法；

3、在双对数坐标系中做层流管及光滑管的λ—Re曲线，并与相应的经验公式进行比较； 4、了解离心泵的构造，掌握其操作和调节方法；

5、测量离心泵在恒定转数下的特性曲线，并确定其最佳工作范围；

二、实验内容

1、测定直管摩擦阻力系数 2、测定阀门的局部阻力系数

3、测量离心泵在恒定转数下的特性曲线，并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

不可压缩流体（如水），在圆形直管中作稳定流动时，由于粘性和涡流的作用产生摩擦阻力；流体在流过突然扩大和弯头等管件时，由于流体运动的速度和方向突然发生变化，产生局部阻力。影响流体流动阻力的因素较多，在工程研究中，利用因次分析法简化实验，引入无因此数群：

雷 诺 数： Re? 相对粗糙度： ε/ d 管路长径比： l/ d

du??

l?u2???(Re,)? 可导出：

?dd2?p这样，可通过实验方法直接测定直管摩擦阻力系数与压头损失之间的关系：

13

lu2???? Hf??d2?p因此，通过改变流体的流速可测定出不同Re下的摩擦阻力系数，即可得出一定相对粗糙度的管子的λ—Re关系。

在湍流区内，λ = f（Re，ε/ d ），对于光滑管大量实验证明，当Re在3×10至10的范围内，λ与Re的关系遵循Blasius关系式，即：

3

5

??0.3164Re0.25

对于层流时的摩擦阻力系数，由哈根—泊谡叶公式和范宁公式，对比可得：

??64Re

局部阻力：

u2Hf=ξ[J/kg]

2 式中：ξ为局部阻力系数，它与流体流过的管件的几何形状及流体的雷诺数Re有关，当Re大到一定值后，ξ为定值。 2. 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。

在一定转数下，泵的扬程、功率、效率与其流量之间的关系，即为特性曲线。泵的扬程可由进、出口间的能量衡算求得：

He = H压力表 + H真空表 + H0 [ m ]

其中：H真空表，H压力表分别为离心泵进出口的压力 [ m ]； H0为两测压口间的垂直距离。 N轴 = N电机?η其中：η η

电机

电机

?η

传动

[ kw ]

—电机效率，取0.9； —传动装置的效率，取1.0；

传动

Ne?Q?He?? [ kw ]

102因此，泵的总效率为：

14

??Ne N轴四、实验组织运行要求

集中授课形式

五、实验条件

实验装置：

1 离心泵 2水箱放净阀 3 水箱 产品4 总阀门 5涡轮流量计 6泵入口压力表 7泵出口压力表 8 离心泵实验开关阀 9、10、11、12流体阻力实验各管路开关阀 13高位槽上水阀 14高位槽 15球阀 16截止阀 17流量调节阀 18层流管流量调节阀 19高位槽溢流管

如上图所示，在设备中有8条横向排布的管线，自上而下分别为： No1 层流管，为φ6×1.7mm的不锈钢管；1.2m；

No2 球阀与截止阀连接管，为φ27×3.25mm的不锈钢管； No3 光滑管，为φ27×3.25mm的不锈钢管；1.5m； No4 粗糙管，为φ27×2.5mm的镀锌管；1.5m；

No5 突然扩大管，为φ22×3mm→φ48×3mm不锈钢管； No6 离心泵实验管线，φ48×3mm不锈钢管； 测压口间距：0.25 米

六、实验步骤

1、流体阻力实验： （1）、流程说明：

离心泵将水箱内的清水打入系统中，经涡轮流量计计量后，通过管路切换阀门（8--12）

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进入相应的测量管线，在管内的流动压头损失，可由压差传感器（或倒U型压差计）测量。实验中，可以通过调节流量调节阀测定不同流量下的压头损失。 （2） 操作说明：

先熟悉流程中的仪器设备及与其配套的电器开关，并检查水箱内的水位，然后开启离 心泵，打开阀门4。在实验开始前，系统要先排净气体，使液体连续流动。若有变频器，则启动水泵按钮后还需要启动变频器，变频器的操作见附录一；

系统排气。首先，打开被测的管路开关阀(8--12阀门中的一个)，关闭其它管路开关 阀，并将流量调节阀17打开，但流量不要开太大，将管路内的气体排净；同时，测压管线排气（排气方法见（3）.），排气之后，关闭流量调节阀，检查倒U型压差计两端的液面。若相平，则可以开始实验，若不平，则需要重新排气；

实验中，若用U型压差计测量数据时，则将管路开关阀打开，用阀17调节

水流量，用涡轮流量计5计量流量。若只用压力传感器测量数据时，可以用阀门17调节水流量，也可以将阀17全开，用管路开关阀（8-12中相应的阀门）调节流量。读取数据时，应注意稳定后再读数。测量局部阻力系数时，各测取3组数据，测量直管摩擦系数时，测取10组以上数据，若有变频器，则可将变频器的频率设定在40-45Hz，这样可以降低离心泵的压力，从而使数据更加稳定。

测完一套管路的数据后，关闭流量调节阀，再次检查倒U型压差计的液面 是否相平。然后重复以上步骤，测取其他管路的数据。

（3）测压管线排气说明：

上为管路测压连通器与倒U型压差计的示意图，其中a1，a2，……，f1，f2，分

16

别与图1中的a1，a2，……，f1，f2相连接，与它们相连接的阀门，为设备操作面板上的测压切换阀，若要测某管路的压降，即打开与其相连的测压管线上的测压切换阀，关闭其他管线上的阀门，则压力传感器与U型压差计上测量的压降即为该管路上的压降。测压管线的排气方法为：

A、打开v3，v4，v5，v6，10―30秒（层流实验时30―60秒）；

B、 关闭v3，v4；

C、打开v7，将倒U型压差计中的水排净； D、 关闭v5，v6，v7；

E、 打开v3，v4，使水进入倒U型压差计；

F、 闭流量调节阀17，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。 G、若只想用压力传感器测量压差而不用倒U型压差计，可在排净系统中的气之后，关闭v3、v4，此时倒U型压差计的液位差将不随流量的变化而变化。

2、离心泵性能测定实验 （1）流程说明：

水箱内的清水，自泵的吸入口进入离心泵，在泵壳内获得能量后，由泵出口排出，流经涡轮流量计和流量调节阀后，返回水箱，循环使用。本实验过程中，需测定液体的流量、离心泵进口和出口处的压力、以及电机的功率；另外，为了便于查取物性数据，还需测量水的温度。流量由图1中的涡轮流量计测定，数值在仪表柜上的“水流量”表上读取。 （2）操作说明：

先熟悉流程中的仪器设备及与其配套的电器开关，并检查水箱内的水位，

然后按下“离心泵”按钮，开启离心泵。若有变频器，则需要启动变频器，变频器的操作见九其他说明

测定离心泵特性曲线，在恒定转数下用流量调节阀17调节流量进行实验，用涡轮流量计5计量流量，测取10组以上数据。为了保证实验的完整性，应测取零流量时的数据；

七、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？

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八、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：原始数据记录 a.直管阻力损失的测定

压差读数（光滑管） 序号 零位 ……

压差读数（粗糙管） 序号 零位 …… b.局部阻力

球阀压差读数 序号 零位 ……

仪表压差读数 流量读数 左 右 水温 仪表压差读数 流量读数 左 右 水温 仪表压差读数 流量读数 左 右 水温 18

序号 零位 ……

仪表压差读数 流量读数 截止阀压差读数 水温 左 右 突然扩大压差读数 序号 零位 …… 仪表压差读数 流量读数 左 右 水温 c.离心泵特性曲线测定 序号 零位 …… 流量读数 压力表读数 真空表读数 功率表读数 水温 3．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。

附：数据整理表

a.直管阻力损失的测定（光滑管和粗糙管） 序号 1 …… u Re hf ? b.局部阻力损失 序号 1 …… u Re hf局 ξ c.离心泵特性曲线测定 序号

H Ne N ? 19

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