流体力学组合实验装置使用说明书
一、流体输送操作单元简介
液体和气体统称为流体。流体的特征是具有流动性，即其抗剪和抗张的能力很小，无固定形状，随容器的形状而变化；在外力作用下其内部发生相对运动。
化工生产中所处理的原料及产品，大多为流体。按照生产工艺的要求，制造产品时往往需要把他们依次输送到各设备内，进行反应；产品又常需输送到贮罐内贮存。如果欲达到上述所规定的条件，把流体从一个设备输送到另一个设备，首先，设备之间需用管道联接，其次，需要输送设备给流体以一定的速度。化工生产中，由于各种因素的制约，如场地、设备费用、工艺要求等等；各设备之间流体流动需要消耗能量，流体以一定速度在管内流动亦需要能量。这样，就必须有一能给流体提供能量的输送设备。我们把为液体提供能量的输送设备称为泵，为气体提供能量的输送设备称为风机及压缩机。泵种类很多，按照工作原理的不同，分为离心泵、往复泵、旋转泵、旋涡泵等几种；风机及压缩机有通风机、鼓风机、压缩机、真空泵等。其作用均是：对流体做功，提高流体的压强。本实验介绍离心泵。
离心泵一般用电机带动，在启动前需向壳内罐满被输送的液体，启动电机后，泵轴带动叶轮一起旋转，充满叶片之间的液体也随着转动，在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘的过程中便获得了能量，使叶轮外缘的液体静压强提高，同时增加了液体的动能。液体离开叶轮进入泵壳后，由于泵壳中流道逐渐加宽，液体的流速逐渐降低，一部分动能转化为静压能，使泵出口处液体的压强进一步提高，于是液体以较高的压强，从泵的排出口进入管路，输送至所需的场所。
流体在流动过程中为克服流动阻力必定要消耗能量。流体流动阻力产生根本的原因是流体具有粘性，流动时存在着内磨擦，管壁或其它形状固体壁面，促使流动流体的内部发生相对运动，为流体流动阻力的产生提供了条件，因此液体阻力的大小与流体的物性、流动状况及壁面等因素有关。
通常将流体在管路中流动时的阻力分成直管阻力和局部阻力两部分，直管阻力是流体流经一定管径的直管时，由于流体的内磨擦力（即粘性力）产生的阻力。局部阻力（形体阻力）主要是由于流体经管路中管件、阀门及管截面形状和尺寸突然扩大缩小等局部地方引起流体边界层分离造成的阻力。
化工生产中，流体流动的基本原理及其流动规律被广泛应用，主要有以下几个方面的应用：
1）流体的输送
2）压强、流速和流量的测量
3）为强化流体的传热、传质提供适宜的流动条件
一个完整的流体输送系统所必须包括的主要设备及仪表有：
1）泵（或风机、压缩机）：对流体作功，提高流体压强：
2）进、出口阀门；控制流体流量；
3）压力表；测量流体的压强；
4）管道；流体流动的通道。
二、设备性能与主要技术参数
1、本实验装置主要是由离心泵、PVC水箱、压力表、流量计、孔板、U型压力计等组成。
2、离心泵采用20－110型小流量离心管道泵，流量为2.5
/hr,扬程为15m，输入功率为370W，必需汽蚀余量（NPSH）r为2.3m。
3、流量的测量以流量计的读数为准，孔板的安装是为了加深学生对孔板流量计的印象，同时也可以用它的结果与转子流量计做比较。喉颈处的通径为15mm，孔流系数CV为0.5。
4、压差计均采用L为1000mm和800mm型。指示液为四氯化碳或水银，须避免溅出有害人体健康。
5、水箱由PVC板焊制而成，实验液体（水）为全循环使用。节约实验开支。
6、台架本装置离心泵出口流量的调节，离心泵出口流量的显示，离心泵进、出口压力的显示、电机功率的显示，均集中在台架上。
三、实验目的
1、了解离心泵的结构和特性，熟悉离心泵的操作；
2、掌握离心泵主要参数的测定方法，测量一定转速下的离心泵特性曲线；
3、了解并熟悉离心泵的工作原理。
4、掌握流体阻力及一定管径和管壁粗糙度下摩擦系数λ的测定方法。
5、掌握测定局部阻力系数ζ的方法。
6、掌握摩擦系数λ与雷诺数Re之间的关系及工程意义
四、实验原理及要求
1、离心泵的特性曲线
离心泵是化工生产中应用最广的一种流体输送设备。它的主要特性参数包括：流量Q，扬程He，功率N，和效率η。这些特性参数之间是相互联系的，在一定转速下，He、N、η都随着输液量Q变化而变化；离心泵的压头He、轴功率N、效率η与流量Q之间的对应关系，若以曲线H~Q、N~Q、η~Q表示，则称为离心泵的特性曲线，可由实验测定。特性曲线是确定泵的适宜操作条件和选用离心泵的重要依据。
离心泵在出厂前均由制造厂提供该泵的特性曲线，供用户选用。泵的生产部门所提供的离心泵的特性曲线一般都是在一定转速和常压下，以常温的清水为介质测定。在实际生产中，所输送的液体多种多样，其无论性质（如密度、粘度等）各异，泵的性能亦将发生变化，厂家提供的特性曲线将不再适用，如泵的轴功率随液体密度变化而改变，随粘度变化，泵的压头、效率轴功率等均发生变化。此外，改变泵的转速或叶轮直径，泵的性能也会发生变化。因此，用户在使用时要根据介质的不同，重新校正其特性曲线后选用。
2、
曲线的测定
（1）流量Q的测定
转速一定，用泵出口阀调节流量，管路中流过的液体量通过涡轮流量计或用压差式流量计读出的压差值来确定流量；
（2）扬程（压头）He的测定
根据泵进出口管上安装的真空表和压力表读数可计算出扬程：
He =h
0 +
其中：
、
—— 分别为泵出口压力表和入口真空表测得的读数（
）
ρ ——输送液体密度 （Kg/
）
h
0──两测压口间的垂直距离，（m ）
（3）功率N的测定
由三相功率表直接测定电机功率N（Kw）；
（4）功率η的测定
Ne =HeQρg / 102
η
泵=Ne / N
轴×100%
或：η
总=Ne / N
电×100%
η
总=η
电η
传η
泵
其中： He ── 扬程，m ；
u
1、u
2 ── 泵进、出口管内流体流速，m/s 。
Ne ── 离心泵有效功率，Kw。
Q ── 泵的流量，m
3/s ；
ρ ── 流体密度，Kg/m
3 。
N
轴、N
轴 ── 泵的轴功率，电机的输入功率；
η
电、η
传、η
泵── 电机效率、传动效率、泵的效率。
3、 流体阻力
流体阻力产生的根源是流体具有粘性，流动时存在内摩擦。而壁的形状则促使流动的流体内部发生相对运动，为流动阻力的产生提供了条件，流动阻力的大小与流体本身的物理性质、流动状况及壁面的形状等因素有关。流动阻力可分为直管阻力和局部阻力。
流体在流动过程中要消耗能量以克服流动阻力。因此，流动阻力的测定颇为重要。测定流体阻力的基本原理如图2-1所示，水从贮槽由离心泵输入管道，经流量计计量后回到水槽，循环利用。改变流量并测定直管与管件的相应压差，即可测得流体流动阻力。
A 直管阻力磨擦系数λ的测定
直管阻力是流体流经直管时，由于流体的内摩擦而产生的阻力损失h
f 。
对于等直径水平直管段根据两测压点间的柏努利方程有：
（1-1）
式中：l — 直管长度（m）
d — 管内径 （m）
（P
1 - P
2）— 流体流经直管的压强降（Pa）
u — 流体截面平均流速（m/s）
ρ— 流体密度（kg/m
3）
μ— 流体粘度（PaS）
由式（1 - 1）可知，欲测定λ，需知道I、d、（P
1 - P
2）、u、ρ、μ等。
1） 若测得流体温度，则可查得流体的ρ、μ值。
2） 若测得流量，则由管径可计算流速u。
3） 两测压点间的压降（P
1 - P
2），可用U型压差计测定。此时：
（1-2）
式中： R — U型压差计中水银柱的高度差（m）
则：
（1-3）
B 局部阻力系数ζ的测定
局部阻力主要是由于流体流经管路中管件、阀门及管截面的突然扩大或缩小等局部位置时所引起的阻力损失，在局部阻力件左右两侧的测压点间列柏努利方程有：
（1-4）
即：
式中： ζ — 局部阻力系数
P
1′- P
2′— 局部阻力压强降（Pa）
式（1 — 4）中ρ、u、P
1′- P
2′等的测定同直管阻力测定方法
4、离心泵的工作点与调节
（1）管路特性曲线与泵的工作点：
当离心泵安装在特定的管路系统中时，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，即在输送液体的过程中，泵和管路是相互制约的，对一特定的管路系统，可得出：He=K+BQ
2
其中：操作条件一定时，K为常数。由上式看出，在固定管路中输送流体时，管路所输送的流体的压头He随被输送流体的流量Q的平方而变（湍流状态），该关系标在相应坐标纸上，即为管路特性曲线，该线的形状取决于系数K、B，即取决于操作条件和管路的几何条件，与泵的性能无关。
将离心泵的特性曲线H~Q与其所在管路的特性曲线绘于同一坐标图上，两线交点M称为泵在该管路上的工作点，该点所对应的流量和压头既能满足管路系统的要求，又为离心泵所能提供。
（2）离心泵的流量调节：
离心泵在指定的管路上工作时，当生产任务发生变化，或已选好的泵在特定管路中运转所提供的流量不符合要求的，都需要对离心泵进行流量调节，实质上是改变泵的工作点，因此，改变两种特性曲线之一均可达到调节流量的目的。调节流量最直接的方法是：改变离心泵出口管路上调节阀门的开度，阀门开大，管路局部阻力减小，管路特性曲线变得平坦，工作点流量加大，扬程减小，反之亦然；调节流量的另一方法时：改变泵的转速以改变泵的特性曲线，以达到调节流量的目的。
五、实验流程图
六、实验操作步骤与注意事项
1、检查水槽内的水是否保持在一定的液位，水不能太少，必要时应向水槽加水；
2、泵启动前，泵壳内应注满被输送的液体（本实验为水）；并且泵的出口阀需关闭，避免泵刚启动时的空载运转。若出现泵无法输送液体，则说明泵未灌满或者其内有空气，气体排尽后必然可以输送液体。
3、泵启动后，待泵的出口有一定的压力后再开启泵出口阀但幅度不要太大同时稍开泵入口压差计的连通阀；记录下泵在一定转速下的进出口压力、流量等于原始记录表格中。（注意若开始就将流量开得很大则可能会使文丘里管压差计变成流体的另一通道而不能测压。）
4、关泵时，应注意泵的出口阀门必须关闭，再停泵；
5、须定期清洗水箱，以免污圬过多。
七、实验结果处理与要求：
1、根据实验所测各项，设计原始数据记录表格。
2、验证层流时λ～Re的关系。
3、湍流时流量由小（大）到大（小）测8~10组数据，计算λ、ζ、Re值。
4、在双对数坐标纸上绘出λ～Re曲线，并与书上λ～Re比较是否相符？
5、局部阻力原始记录表格与下表一致。
6、绘制离心泵的特性曲线H~Q
原始记录表格
温度： 液体粘度： 液体密度： 管子内径：
)
(m)
(m)