一、实验目的：
1.学习直管摩擦阻力,直管摩擦系数的测定方法。.
2.掌握直管摩擦系数与雷诺数和相对粗糙度之间的关系及其变化规律。
3.掌握局部摩擦阻力,局部阻力系数的测定方法。.
4.学习压强差的几种测量方法和提高其测量精确度的一些技巧。
5.熟悉离心泵的操作方法。
6.掌握离心泵特性曲线和管路特性曲线的测定方法、表示方法、加深对离心泵性能的了解。
二、实验内容:
1.测定实验管路内流体流动的阻力和直管摩擦系数。
2.测定实验管路内流体流动的直管摩擦系数与雷诺数和相对粗糙度之间的关系曲线。
3.测定管路部件局部摩擦阻力和局部阻力系数。
4.熟悉离心泵的结构与操作方法。
5.测定某型号离心泵在一定转速下的特性曲线。
6.测定流量调节阀某一开度下管路特性曲线。
三、实验原理:
1.直管摩擦系数l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，对一定的相对粗糙度而言，。
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：                               （1） 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）
                             （2）
整理（1）（2）两式得                                （3）
                                                   （4）
式中：  管径，m；            直管阻力引起的压强降，Pa；
管长，m；             流速，m / s；
流体的密度，kg / m³；  流体的粘度，N·s / m²。
在实验装置中，直管段管长l和管径d都已固定。若水温一定，则水的密度ρ和粘度μ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（3）可计算出不同流速下的直管摩擦系数λ，用式（4）计算对应的Re，整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系，绘出λ与Re的关系曲线。
2．局部阻力系数的测定
                                                    
式中： 局部阻力系数，无因次；  局部阻力引起的压强降，Pa；
局部阻力引起的能量损失，J／kg。

图-1  局部阻力测量取压口布置图
局部阻力引起的压强降 可用下面方法测量：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，在上、下游各开两对测压口a-a'和b-b＇如图-1，使 ab＝bc ； a＇b＇＝b＇c＇，则   △P_{f，a b} ＝△P_f，bc ； △P_f，a＇b＇= △P_f，b＇c＇
在a~a＇之间列柏努利方程式 P_a－P_a＇ =2△P_{f，a b}+2△P_f，a＇b＇+△P^＇_f                (5)
在b~b＇之间列柏努利方程式： P_b－P_b＇ = △P_f，bc+△P_f，b＇c＇+△P^＇_f
                             = △P_{f，a b}+△P_f，a＇b＇+△P^＇_f            （6）
联立式(5)和(6)，则：＝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。
3.离心泵特性曲线:
离心泵是最常见的液体输送设备。在一定的型号和转速下，离心泵的扬程H、轴功率N及效率η均随流量Q而改变。通常通过实验测出H—Q、N—Q及η—Q 关系，并用曲线表示之，称为特性曲线。特性曲线是确定泵的适宜操作条件和选用泵的重要依据。泵特性曲线的具体测定方法如下：
(1) H 的测定：
在泵的吸入口和排出5之间列柏努利方程
             （7）
             （8）
上式中是泵的吸入口和压出口之间管路内的流体流动阻力，与柏努力方程中其它项比较，值很小，故可忽略。于是上式变为：
                  （9）
将测得的和值以及计算所得的代入上式，即可求得H。
(2) N 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
电动机输出功率=电动机输入功率×电动机效率。
泵的轴功率=功率表读数×电动机效率，Kw。
 (3)  测定                                             （10）
                         （11）
式中：—泵的效率；  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，m³/s；  -水的密度，Kg/m³。
4.管路特性曲线:
    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。若将泵的特性曲线与管路特性曲线在同一坐标图上，两曲线交点即为泵的在该管路的工作点。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计算同上。
5.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：                         （12）
式中：被测流体(水)的体积流量，m³/s；
     流量系数，无因次；
    流量计节流孔截面积，m²；
    流量计上、下游两取压口之间的压强差，Pa ；   
    被测流体(水)的密度，kg／m³ 。
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数，将压差计读数△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—Re关系曲线

四、实验装置的基本情况:
 1.实验装置流程示意图:

图-2  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；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、31-倒U型管平衡阀
实验装置流程简介
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ΔP 可根据其数值大小分别采用变送器12或空气—水倒置Ｕ型管来测量。
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。
③管路特性测量：
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。
2.实验设备主要技术参数：
表-1实验设备主要技术参数

序号	名称	规格	材料
1	玻璃转子流量计	LZB—25    100~1000（L/h） LZB—10    10~100（L/h）
2	压差传感器	型号LXWY    测量范围0--200 KPa	不锈钢
3	离心泵	型号WB70/055	不锈钢
4	文丘里流量计	喉径0.020m	不锈钢
5	实验管路	管径0.043m	不锈钢
6	真空表	测量范围0.1-0MPa  精度1.5级, 真空表测压位置管内径d1=0.028m
7	压力表	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
8	涡轮流量计	型号LWY-40 测量范围0—20m3/h
9	变频器	型号N2-401-H   规格：（0-50）Hz

 
表-2  实验设备主要技术参数

第一套：光滑管：管径d-0.008(m) 管长L-1.70(m)     粗糙管：管径d-0.010(m) 管长L-1.70(m) 真空表与压强表测压口之间的垂直距离h0=0.23m

第二套：光滑管：管径d-0.008(m) 管长L-1.70(m)     粗糙管：管径d-0.010(m) 管长L-1.70(m) 真空表与压强表测压口之间的垂直距离h0=0.23m

3.实验装置面板图：

图-3  实验装置仪表面板图
五、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。(最好使用蒸馏水，以保持流体清洁)
（2）光滑管阻力测定：
① 关闭粗糙管路阀门8,17,20，将光滑管路阀门9,19,21全开，在流量为零条件下，打开通向倒置U型管的进水阀29,31，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4所示操作方法如下：
加大流量，打开U型管进出水阀门29,31，使倒置U型管内液体充分流动，以赶出管路内的气泡；若观察气泡已赶净，将流量调节阀24关闭，U型管进出水阀29,31关闭，慢慢旋开倒置U型管上部的放空阀26后，分别缓慢打开阀门28、30，使液柱降至中点上下时马上关闭，管内形成气—水柱，此时管内液柱高度差不一定为零。然后关闭放空阀26，打开U型管进出水阀29,31，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），如不为零则表明管路中仍有气泡存在，需要重复进行赶气泡操作。

图-4  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
 
② 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。
③ 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∪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29,31，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）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。
（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、泵入口压强、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为某一开度，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、泵入口压强、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。
六、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.启动离心泵后，注意离心泵的转向，反转时要调整380V电源接电顺序，使之正转运行。
4．利用压力传感器测量大流量下△P时,应切断空气—水倒置∪型玻璃管的阀门否则将影响测量数值的准确。  
5．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。
6. 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。
7. 该装置电路采用五线三相制配电，实验设备应良好接地。
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。
七、附数据处理过程举例：
1.光滑管小流量数据( 以表3第16组数据为例) Q＝40(L／h)  h ＝25(ｍｍH₂O)  实验水温=13.2℃   粘度＝1.23×10^-3 (Pa.s)   密度＝998.95（kg／m³）            
管内流速        （m/s）
阻力降         =244(Pa)
雷诺数         1.437×10³
阻力系数       4.7×10^-2
 2.粗糙管、大流量数据(以表4 第8组数据为例)
Q＝300(L／h)   △P ＝17.7(kPa)   实验水温=13.2℃
粘度＝1.23×10^-3 (Pa.s)         密度＝998.95（kg／m³）
管内流速        1.06 （m/s）
阻力降         17.7×1000 = 17700（Pa)
雷诺数         8.622×10³
阻力系数       = 0.164
3.局部阻力实验数据(以表5 第2组数据为例)
Q＝800(L／h)   近端压差＝37.2 (kPa)   远端压差＝37.7(kPa)
管内流速：      （m/s）
局部阻力：   ＝2(P_b－P_b＇)－(P_a－P_a＇) =（2×37.2-37.7）×1000=36700（Pa)
局部阻力系数：     
4.流量计性能测定（以表8 第5组数据为例）
涡轮流量计 (m³/h)  流量计压差：23.5kpa   实验水温=33.1℃ 
粘度＝0.75×10^-3 (Pa.s)  密度＝994.25（kg／m³）
(m/s)
=7.86×10⁴
          


=0.942
5.离心泵性能的测定
(1) H的测定：（以表6第1组数据为例）
涡轮流量计读数：   功率表读数：0.75kw 
压力表：0.04Mpa； 泵入口真空表：0.008Mpa
实验水温=33.1℃  粘度＝0.75×10^-3 (Pa.s)  密度＝994.25（kg／m³）

5.2（m）
          
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。若将泵的特性曲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3  流体阻力实验数据记录（光滑管内径8mm、管长1.682m）
（液体温度34.2℃   液体密度ρ=993.91kg/m   液体粘度μ=0.73mPa.S）
序号	流量(l/h)	直管压差ΔP		ΔP （Pa）	流速u (m/s)	Re	λ
		（kPa）	（mmH2o）
1	1000	98.6		98600	5.53	60223	0.03054
2	900	81.4		81400	4.98	54201	0.03113
3	800	64.5		64500	4.42	48178	0.03122
4	700	50.6		50600	3.87	42156	0.03199
5	600	39.1		39100	3.32	36134	0.03364
6	500	28.5		28500	2.76	30111	0.03531
7	400	19.0		19000	2.21	24089	0.03678
8	300	11.4		11400	1.66	18067	0.03924
9	260	8.7		8700	1.44	15658	0.03987
10	220	6.6		6600	1.22	13249	0.04224
11	180	4.8		4800	1.00	10840	0.04589
12	140	3.4		3400	0.77	8431	0.05373
13	100		161	1570	0.55	6022	0.04863
14	90		136	1326	0.50	5420	0.05071
15	80		111	1082	0.44	4818	0.05238
16	70		83	809	0.39	4216	0.05116
17	60		58	566	0.33	3613	0.04866
18	50		41	400	0.28	3011	0.04953
19	40		23	224	0.22	2409	0.04342
20	30		16	156	0.17	1807	0.05369
21	20		10	98	0.11	1204	0.07551
22	10		4	39	0.06	602	0.12081

 

表4  流体阻力实验数据记录（直管内径10mm、管长1.70m）
（液体温度34.2℃  液体密度ρ=993.91kg/m   液体粘度μ=0.73mPa.S）
序号	流量 (l/h)	直管压差ΔP		ΔP （Pa）	流速u (m/s)	Re	λ
		（kPa）	（mmH2o）
1	1000	133.3		133300	3.54	48178	0.126
2	900	111.4		111400	3.18	43361	0.130
3	800	87.7		87700	2.83	38543	0.130
4	700	69.2		69200	2.48	33725	0.134
5	600	52.9		52900	2.12	28907	0.139
6	500	38.8		38800	1.77	24089	0.147
7	400	26.3		26300	1.42	19271	0.155
8	300	15.6		15600	1.06	14454	0.164
9	260	12.1		12100	0.92	12526	0.169
10	220	9.0		9000	0.78	10599	0.176
11	180	6.5		6500	0.64	8672	0.190
12	140	4.9		4900	0.50	6745	0.236
13	100		249	2428	0.35	4818	0.230
14	90		212	2067	0.32	4336	0.241
15	80		180	1755	0.28	3854	0.259
16	70		135	1316	0.25	3372	0.254
17	60		100	975	0.21	2891	0.256
18	50		81	790	0.18	2409	0.299
19	40		56	546	0.14	1927	0.323
20	30		38	371	0.11	1445	0.389
21	20		19	185	0.07	964	0.438
22	10		7	68	0.04	482	0.645

 

表5  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ζ
1	1000	58.5	59.3	1.573	57700	46.7
2	800	37.2	37.7	1.258	36700	46.4

 

表6  离心泵性能测定实验数据记录
（液体温度33.1℃  液体密度ρ=994.25kg/m 、泵进出口高度=0.23米）
序号	入口压力 P1 (MPa)	出口压力 P2 (MPa)	电机功率 (kw)	流量 Q (m3/h)	压头h (m)	泵轴功率 N （w）	η (%)
1	0.008	0.04	0.75	11.12	5.2	450	34.488
2	0.007	0.075	0.8	10.23	8.6	480	49.873
3	0.006	0.094	0.79	9.31	10.5	474	55.783
4	0.004	0.113	0.77	8.20	12.2	462	58.790
5	0.002	0.128	0.74	7.30	13.6	444	60.396
6	0	0.144	0.71	6.28	15.0	426	59.886
7	0	0.167	0.66	5.19	17.4	396	61.614
8	0	0.17	0.61	4.21	17.7	366	55.035
9	0	0.18	0.55	3.31	18.7	330	50.777
10	0	0.189	0.51	2.53	19.6	306	43.922
11	0	0.198	0.45	1.47	20.5	270	30.284
12	0	0.204	0.41	0.72	21.1	246	16.768
13		0.213	0.38	0.00	22.1	228	0.000

 

表7  离心泵管路特性曲线
液体温度33.1℃  液体密度ρ=994.25kg/m 泵进出口高度=0.23米
序号		电机频率 Hz	入口压力P1 (MPa)	出口压力P2 (MPa)			流量Q (m3/h)		压头h (m)
1		50	0.008	0.043			11.13		5.46
2		48	0.008	0.041			10.92		5.25
3		46	0.007	0.041			10.64		5.15
4		44	0.007	0.032			10.29		4.23
5		42	0.006	0.029			9.93		3.82
6		40	0.005	0.026			9.48		3.41
7		38	0.004	0.023			9.01		3.00
8		36	0.004	0.02			8.55		2.69
9		34	0.003	0.017			8.07		2.28
10		32	0.002	0.015			7.58		1.97
11		30	0	0.012			7.11		1.46
14		26	0	0			6.14		0.23
16		20	0	0			4.66		0.23
18		16	0	0			3.69		0.23
19		10	0	0			2.18		0.23
20		0	0	0			0		0.23
表8   流量计性能测定实验数据记录
序号	文丘里流量计 (kPa)		文丘里流量计 (Pa)		流量Q (m3/h)	流速u (m/s)		Re		Co
1	51.5		51500		11.12	2.128		121311		0.969
2	43.6		43600		10.23	1.958		110163		0.969
3	37.3		37300		9.31	1.782		100256		0.954
4	29.2		29200		8.20	1.569		88303		0.949
5	23.5		23500		7.30	1.397		78611		0.942
6	18.3		18300		6.28	1.202		67627		0.918
7	12.8		12800		5.19	0.993		55889		0.907
8	9.3		9300		4.21	0.806		45336		0.864
9	6.2		6200		3.31	0.633		35644		0.832
10	4.4		4400		2.53	0.484		27245		0.754
11	2.4		2400		1.47	0.281		15830		0.594
12	1.1		1100		0.72	0.138		7753		0.429

图-5 直管摩擦系数与雷诺数关联图

图-6 流量计标定流量Q与压差Pa关联图
 
图-7   流量计标定C₀与雷诺数关联图

图-8 离心泵特性及管路特性图