流体力学泵与风机实验指导

流体力学泵与风机实验指导

朱翠兰 编

实验一 静止液体压力分布规律演示............................................. 2

实验二 伯努利方程演示实验 ........................................................ 3

实验三 流体流动型态及临界雷诺数的测定 ................................. 6

实验四 管路流体阻力的测定 ........................................................ 8

实验五 离心泵特性曲线的测定 .................................................. 12

实验一 静止液体压力分布规律演示

一 实验目的

1 加深对静力学的基本方程式及等压面概念的理解；

2 观察封闭容器内静止液体表面压力及其液体内部某空间点上的压力； 3 观察压力传递现象。 二 演示原理

对密封容器的液体表面加压时，设其压力为P0，即P0>Pa，从U形管可以看到有压差产生，U形管与密封容器上部连通的一面，液面下降，而与大气相通的一面，液面上升，由此可知液面下降的表面压力P0，即P0=Pa+ρgh，h是U形管液面上升的高度。当密封容器内压力P0下降时，U形管内的液面呈现相反的现象，即P0

如果对密封容器的液体表面加压时，其容器内部的压力向各个方向传递，在右侧的测压管中，可以看到由于A、B两点在容器内的淹没深度h不同，在压力向各点传递时，先到A点后到B点，在测压管中反应出的是A管的液柱先上升而B管的液柱滞后一点也在上升、当停止加压时，A、B两点在同一水平面上。即静止液体中任一点上的压力，在任何方向上的大小都相等。 三 实验装置简介

本实验装置主要由密封容器、加压器、两支测压管及一支U形管等组合而成，实验装置如图所示。

四 演示步骤

1 关闭排气阀，用加压器缓慢加压，U形管出现压差，加压的同时，观测右侧A、B管的液柱上升情况。

2 打开排气阀，使液面恢复到同一水平面上，关闭排气阀打图1 实验装置图 开密封容器底部水门，放出部分水，造成容器内压力下降。 五 讨论

1 为什么P0为表压或真空值？

2 用该设备是否可以测出其它液体的密度或比重？为什么？

实验二 伯努利方程演示实验

一 实验目的

流动流体所具有的总能量，是由各种形式的能量所组成，并且各种形式的能量之间又可相互转换，当流体在导管内作定向流动时，在导管的各截面之间的各种形式机械能的变化规律，可由机械能衡定基本方程来表达。这些规律对于解决流体流动过程的管路计算，流体压强、流速与流量的测量，以及流体输送等问题，都有着十分重要的作用。

本实验采用一种称之为伯努利实验仪的简单装置，实验观察不可压缩流体在导管内流动时的各种形式机械能的相互转换现象，并验证机械能衡定方程（伯努力方程）。通过实验，加深对流体流动过程基础原理的理解。 二 实验原理

对于不可压缩流体，在导管内作定常流动，系统与环境又无功的交换时，若以单位质量流体为考察对象，则对确定的系统即可列出机械能守恒方程：

若以单位重量流体为考察对象，则又可以表达为：

2

u12P2u2

gZ1gZ2hf

22

P1

Jkg1 (1)

若以单位重量流体为基准时，则又可表达为：

2

u12P2u2

Z1Z2Hf

2g2g

P1

m液柱 (2)

式中：Z-流体的位压头，m液柱；

P-流体的压强，Pa；

u-流体的平均流速，m/s； ρ-流体的密度，kg/m3；

∑hf-流动系统内因阻力造成的能量损失，J/kg； ∑Hf-流动系统内因阻力造成的压头损失，m液柱。 下标1和2分别为系统的进口和出口两个截面。

不可压缩流体的机械能守恒方程，应用于各种具体情况下可作适当简化，例如： （1）当流体为理想液体时，于是式（1）和（2）可简化为

2

u12P2u2

gZ1gZ2hf

22

P1

Jkg1 (3)

2

u12P2u2

Z1Z2Hf

2g2g

P1

m液柱 (4)

该式即为伯努力(Bernoulli)方程。

（2）当液体流经的系统为一水平装置的管道时，则（1）和（2）式又可简化为：

P1

2

u12P2u2

hf22

Jkg1 (5)

P1

2

u12P2u2Hf2g2g

m液柱 (6)

（3）当流体处于静止状态时，则（1）和（2）式又可简化为 或者将上式可改写为

gZ1

P1



gZ2

P2

P2



(7)

Z1

或者将上式写为

P1



Z2



(8)

P1P2gZ1Z2 (9)

这就是流体静力学基本方程。 三 实验装置

本实验装置主要由实验导管、稳压流水槽和三对测压管所组成。

实验导管为一水平装置的变径圆管，沿程分三处设置测压管，每处测压管由一对并列的测压管组成，分别测量该截面处的静压头和冲压头。

实验装置的流程图如图1所示。液体由稳压水槽流入实验导管，途经直径分别为20、30和20mm的

管子，最后排出设备。流体流量由出口调节阀调节。流量需直接由计时称量测定。 四 实验方法

实验前，先缓慢开启进水阀，将水充满稳压溢流水槽，并保持有适量溢流水流出，使槽内液面平稳不变，最后设法排尽设备内的空气泡。

实验可按如下步骤进行：

（1）关闭实验导管出口调节阀，观察和测量液体处于静止状态下各测试点（A、B和C三点）的压强。

（2）开启实验导管出口调节阀，观察比较液体在流动情况下的各测试点的压头变化。

（3）缓慢开启实验导管的出口调节阀，测量流体在不同流量下各测试点的静压头、动压头和损失压头。

实验过程中必须注意如下几点：

图2 实验装置图

（1）实验前一定要将实验导管和测压管中的空气泡排除干净，否则会干扰实验现象和测量的准确性。

（2）开启进水阀向稳压水槽注水，或开关实验导管出口调节阀时，一定要缓慢地调节开启程度，并随时注意设备内的变化。

（3）实验过程中需根据测压管量程范围，确定最小和最大流量。

（4）为了便于观察测压管的液柱高度，可在临实验测定前，向各测压管滴入几滴红墨水。

五 实验结果

1 测量并记录实验基本参数 流体种类：

实验导管内径：dA=Φ20mm, dB=Φ30mm, dC=Φ20mm 实验系统的总压头：H= mmH2O(待测定) 2 非流动体系的机械能分布及其转换 （1）实验数据记录

实验三 流体流动型态及临界雷诺数的测定

一 实验目的

研究流体流动的形态，对于工程实践具有决定性的意义。

1983年雷诺首先在实验装置中观察到实际流体的流动存在两种不同形态—层流和湍流，以及两种不同形态的转变过程。

本实验的目的，是通过雷诺实验装置，观察流体流动过程的不同流形及其转变过程。 二 实验原理

经许多研究者实验证明：流体流动存在两种截然不同的形态，主要决定因素为流体的密度和粘度、流体流动的速度，以及设备的几何尺寸（在圆形导管中为导管直径）。

将这些因素整理归纳为一个无因次数群，称该无因次数群为雷诺准则数（或雷诺数），即

Re

du



(1)

式中d-导管直径，m； ρ-流体密度，kg/m3； μ-流体粘度，Pas； u-流体流速m/s；

大量实验测得：当雷诺准则数小于某一下临界值时，流体流动形态恒为层流；当雷诺数大于某一上临界值时，流体流形恒为湍流。在上临界值与下临界值之间，则为不稳定的过渡区域。对于圆形导管，下临界雷诺数为2000，上临界雷诺数为10000。一般情况下，上临界雷诺数为4000时，即可形成湍流。

应当指出，层流与湍流之间并非是突然的转变，而是两者之间相隔一不稳定过渡区域，因此，临界雷诺数测定值和流形的转变，在一定程度上受一些不稳定的其他因素的影响。 三 实验装置

雷诺实验装置主要由稳压溢流水槽、实验导管和转子流量计等部分组成，如图1所示，自来水不断注入并充满稳压溢流水槽。稳压溢流水槽的水流经实验导管和流量计，最后排入下水道。稳压溢流水槽的溢流水，也直接排入下水道。 四 实验方法

实验前准备工作：

（1）实验前，先用自来水充满稳压溢流

水槽。将适量示踪剂（红墨水）加入贮瓶内备用，并排尽贮瓶与计头之间管路内的空气。 （2）实验前，先对转子流量计进行标定，作好流量标定曲线。 （3）用温度计测定水温。 实验操作步骤：

（1）开启自来水阀门，保持稳压溢流水槽有一定的溢流量，以保证实验时具有稳定的压头。

（2）用放风阀放去流量计内的空气，再少许开启转子流量计后的调节阀，将流量调至最小值，以便观察稳定的层流流形，再精细地调节示踪剂管路阀，使示踪剂（红墨水）的注水流速与实验导管内主体流体的流速相近，一般略低于主体流体的流速为宜。精心调节至能观察到一条水平直的红色细流为止。

（3）缓慢地逐渐增大调节阀的开度，使水通过实验导管的流速平稳地增大，直至实验导管内直线流动的红色细流开始发生波动时，记下水的流量和温度，以供计算下临界雷诺数据。 （4）继续缓慢地增加调节阀开度，使水流平稳地增加。这时，导管内的流体的流形逐步由层流向湍流过渡，当流量增大到某一数据值后，示踪剂（红墨水）一进入实验导管，立即被分散呈烟雾状，这时表明流体的流形已进入湍流区域，记下水的流量和温度数据，以供计算上临界雷诺数。

这样的实验操作需反复进行数次（至少5-6次），以便取得较为准确的实验数据。 实验操作注意事项：

（1）本实验示踪剂采用红墨水，它由红墨水贮瓶，经连接软管和注射针头，注入实验导管，应注意适当调节注射针头的位置，使针头位于管轴线上为佳，红墨水的注射速度应与主体流体流速相近（略低些为宜），因此，随着水流速的增大，需相应地细心调节红墨水注射流量，才能得到较好的实验效果。

（2）在实验过程中，应随时注意稳压水槽的溢流水量，随着操作流量的变化，相应调节自来水给水量，防止稳压槽内液面下降或泛溢事故的发生。

（3）在整个实验过程中，切勿碰撞设备，操作时也要轻巧缓慢，以免干扰流体流动过程的稳定性，实验过程有一定滞后现象，因此，调节流量切勿操之过急，状态确实稳定之后，再继续调节或记录数据。

图2 雷诺实验平台

实验四 管路流体阻力的测定

一 实验目的

研究管路系统中的流体流动和输送，其中重要的问题之一，是确定流体在流动过程中的能量损耗。

流体流动时的能量损耗（压头损失），主要由于管路系统中存在着各种阻力，管路中的各种阻力可分为沿程阻力（直管阻力）和局部阻力两大类。

本实验目的，是以实验方法直接测定摩擦系数和局部阻力系数。 二 实验原理

当不可压缩流体在圆形导管中流动时，在管路系统内任意二个截面之间列出机械能守恒方程为：

2

u12P2u2

gZ1gZ2hf

22

P1

Jkg1 (1)

2

u12P2u2

Z1Z2Hf

2g2g

P1

m液柱 (2)

式中 Z—流体的位压头，m液柱；

P—流体的压强，Pa；

u—流体的平均流速，m/s；

hf —单位质量流体因流体阻力所造成的能量损失，J/kg；

Hf—单位重量流体因流体阻力所造成的能量损失，即所谓压头损失，m液柱； 符号下标1和2分别表示上游和下游截面上的数值。

假若：（1）水作为实验物系，则水可视为不可压缩流体； （2）实验导管是按水平装置的，则Z1=Z2；

（3）实验导管的上下游截面上的横截面积相同，则u1=u2； 因此（1）和（2）两式分别可简化为：

hf

P1P2



(3)

Hf

P1P2

(4) g

由此可见，因阻力造成的能量损失（压头损失），可由管路系统的两截面之间的压力差（压头差）来测定。

当流体在圆形直管内流动时，流体因摩擦阻力所造成的能量损失（压头损失），有如下一般关系式：

hf

P1P2



lu2



d2

Jkg1 (5)

Plu21P2

Hf

gd2g

m液柱 (6)

式中 d—圆形直管的管径，m液柱；

l—圆形直管的长度，m； λ—无因次摩擦系数。

大量实验研究表明：摩擦系数与流体的密度和粘度、管径、流速和管壁粗糙度有关。应用因次分析的方法，可以得出摩擦系数与雷诺数和管壁相对粗糙度存在函数关系，即



fRe, (7)

d





通过实验测得和数据，可以在双对数坐标上标绘出实验曲线。当Re

当流体流过管路系统时，因遇各种管件、阀门和测量仪表等而产生局部阻力，所造成的能量损失（压头损失），有如下一般关系式：

u2

h

2

`f

Jkg1 (8)

u2

H

2g

`f

m液柱 (9)

式中：u—连接管件等到的直管中流体的平均流速,m/s； λ—局部阻力系数。

由于造成局部阻力的原因和条件极为复杂，各种局部阻力系数的具体数值，都需要通过实验直接测定。 三 实验装置

本实验装置主要是由循环水系统（或高位稳压水槽）、实验管路系统和高位排气水槽串联组合而成，每条测试管的测压口通过转换阀组与压差计连通。

压差由一倒置U形水柱压差计显示，孔板流量计的读数由另一倒置U形水柱压差计显示。该装置的流程如图1所示。

实验管路系统是由五条玻璃直管平行排列，经U形弯管串联连接而成，每条直管上分别配置光滑管、粗糙管、骤然扩大与缩小管、阀门和孔板流量计。每根实验管测试段长度，即两测压口距离为0.6m。流程图中标出符号G和D分别表示上游测压口（高压侧）和下游测压口（低压侧）。测压口位置的配置，以保证上游测压口距U

形弯管接口的

距离，以及下洲测压口距造成局部阻力处于的距离，均大于50倍管径。

作为实验用水，用循环水泵或直接用自来水由循环水槽送入实验管路系统，由下而上依次流经各种流体阻力实验管，最后流入高位排气槽。由高位排气水槽溢流出来的水返回循环水槽。

水在实验管路中的流速，通过调节阀加以调节。流量由实验管路中的孔板流量计测量，并由压差计显示读数。 四 实验方法

实验前准备工作须按如下步骤顺序进行操作：

（1）先将水灌满循环水槽，然后关闭实验导管入口的调节阀，再启动循环水泵，待泵运转正常后，先将实验导管中的旋塞阀全部打开，并关闭转换阀组中的全部旋塞，然后缓慢开启实验导管的入口调节阀，停泵。

（2）检查循环水槽中的水位，一般需要再补充些水，防止水面低于泵吸入口。 （3）逐一检查并排除实验导管和联接管线中可能存在的空气泡。排除空气泡的方法是，先将转换阀组中被检一组测压口旋塞打开，然后打开倒置U形水柱压差计顶部的放空阀，直至排尽空气泡再关闭放空阀。必要时可在流体流动状态下，按上述方法排除空气泡。

（4）调节倒置U形压差计的水柱高度。先将转换阀组上的旋塞全部关闭，然后打开压差计顶部放空阀，再缓慢开启转换阀组中的放空阀。这时压差计中液面徐徐下降。当压差计中的水柱高度居于标尺中间部位时，关闭转换阀组中的放空阀。为了便于观察，在临实验前，可由压差计顶部的放空气处，滴入几滴红墨水，将压差计水柱染红。

（5）在高位排气水槽中悬挂一支温度计，用以测量水的温度。 （6）实验前需对孔板流量计进行标定，作出流量标定曲线。 实验测定时，按如下步骤进行操作：

（1）先检查实验导管中旋塞是否置于全开位置，其余测压旋塞和实验系统入口调节阀是否全部关闭。检查毕启动循环水泵。

（2）待泵运转正常后，根据需要缓慢开启调节阀调节流量，流量大小不一由孔板流量计的压差计显示。

（3）待流量稳定后，将转换阀组中，与需要测定管路相连的一组旋塞置于全开位置。这时测压口与倒置U形水柱压差计接通，即可记录由压差计显示出压强降。

（4）当需改换测试部位时，只需将转换阀组由一组旋塞切换为另一组旋塞，例如，将G1和D1一组旋塞关闭，打开另一组G2和D2旋塞。这时，压差计与G1和D1测压口断开，而与G2和D2测压口接通，压差计显示读数即为第二支测度管的压强降。以此类推。

（5）改变流量，重复上述操作，测得各实验导管中不同流速下的压强降。

（6）当测定旋塞在同一流量不同开度的流体阻力时，由于某种原因旋塞开度变小，流量必然会随之下降，为了保持流量不变，需将入口调节阀作相应调节。

（7）每测定一组流量与压强降数据，同时记录水的温度。 注意事项：

（1） 实验前务必将系统内存留的气泡排除干净，否则实验不能达到预期效果。 （2） 若实验装置放置不用时，尤其是冬季，应将管路系统和水槽内水排放干净。 五 实验数据记录及整理 （1）实验基本参数

实验导管的内径 d=17mm 实验导管的测试段长度 l=600mm 粗糙管的粗糙度ε=0.4mm 粗糙管的相对粗糙度ε/d=0.035 孔板流量计的孔径d0=0.011mm 旋塞的孔径

（2）流量标定曲线（孔板流量系数待测定，参考值）

（3）实验数据

图2 管路流体阻力实验平台

实验五 离心泵特性曲线的测定

一 实验目的

在化工厂或实验室中，经常需要各种输送机械用来送流体。根据不同使用场合和操作要求，选择各种型式的流体输送机械。离心泵是其中最为常用的一类液体输送机械。离心泵的特性由厂家通过实验直接测定，并提供给用户在选择和使用泵时参考。

本实验采用单级单吸离心泵装置，实验测定在一定转速下泵的特性曲线。通过实验了解离心泵的构造、安装流程和正常的操作过程，掌握离心泵各项主要特性及其相互关系。

二 实验原理

离心泵主要特性参数有流量、扬程、功率和效率。这些参数不公表征泵的性能，也是选择和正确使用泵的主要依据。

1泵的流量

泵的流量即泵的送液能力，是指单位时间内泵所排出的液体体积。泵的流量可直接由一定时间t内排出液体的体积V或质量m来测定。

Vs

或 Vtm3/s (1)

Vsm

tm3/s (2)

若泵的输送系统中安装有经过标定的流量计时，泵的流量也可由流量计测定。当系统中装有孔板流量计时，流量大小由压差计显示。流量Vs与倒置U形管压差计读数R之间存在如下关系：

VsC0S02gRm3/s (3)

式中C0—孔板流量系数；

S0—孔板的锐孔面积，m2；

2泵的扬程

泵的扬程即总压头，表示单位重量液体从泵中所获得的机械能。

若以泵的压出管路中装有压力表处为B截面，以及大管路中装有真空表处为A截面，并在此两截面之间列机械能守恒式，则可得出泵扬程He的计算公式：

22PAPBUBUA (4) HeH0g2g

式中PB——由压力表测得的表压强，Pa；

PA——由真空表测得的真空度，Pa；

H0——A、B两个截面之间的垂直距离，m；

UA——A截面处的液体流速，m/s；

UB——B截面处的液体流速，m/s。

3 泵的功率

在单位时间内，液体从泵中实际所获得的功，即为泵的有效功率。若测得泵的流量为

Vs，扬程H，被输送液体的密度为ρ，则泵的有效功率可按下式算：

NeVsHeg (5)

泵轴所作的实际功率不可能全部为被输送液体所获得，其中部分消耗于泵内的各种能量损失。电动机所消耗的功率又大于泵轴所作出的实际功率。电机所消耗的功率可直接由输入电压U和电流I测得，即

NUI (6)

4泵的总效率

泵的总效率可由测得的泵有效功率和电机实际消耗功率计算得出，即

Ne (7) N

这时得到的泵的总效率除了泵的效率外，还包括传动效率和电机的效率。

5 泵的特性曲线

上述各项泵的特性参数不是弧立的，而是

相互制约的。因此，为了准确全面地表征离心

泵的性能，需在一定转速下，将实验测得的各

项参数即：He、N、η与Vs之间的变化关系

标绘成一组曲线。这组关系曲线称为离心泵特

性曲线，如图1所示。离心泵特性曲线对离心

泵的操作性能得到完整的概念，并由此可确定

泵的最适宜操作状况。

通常，离心泵在恒定转速下运转，因此泵

的特性曲线是在一定转速下测得的。若改变了

转速，泵的特性曲线也将随之而异。泵的流量、

扬程和有效功率与转速之间大致存在如下比

例关系：

VsnHenNen；； (8) Vs`n`He`n`Ne`n`

三 实验装置

本实验装置主体设备为一台单级单吸离心水泵。为了便于观察，泵壳端盖用透明材料制成。电动机直接连接半敞式叶轮。离心泵与循环水槽、分水槽和各种测量仪表构成一个测试系统。实验装置及其流程如图2所示。

泵将循环水槽中的水，通过汲入导管汲入泵体的在汲入导管上端装有真空表，下端装有底阀（单向阀）。底阀的作用是当注水槽向泵体内注水时，防止水的漏出。

水由泵的出口进入压出导管。压出导管沿程装有压力表、调节阀和孔板流量计。由压出导管流出的水，用转向弯管送入分流槽。分流槽分为二格，其中一格的水可流出用以计量，另一格的水可流回循环水槽。根据实验内容不同可用转向弯管进行切换。

四 实验方法

在离心泵性能测定前，按下列步骤进行启动操作：

1）充水。打开注水槽下的阀门，将水灌入泵内。在灌水过程中，需打开调节阀，将泵内空气排除。当从透明端盖中观察到泵内已灌满水后，将注水阀门关闭。

23

2）启动。启动前，先确认泵出口调节阀关闭，变压器调回零点，然后合闸接通电源。缓慢调节变压器至额定电压（220V），泵即随之启动。

3）运行。泵启动后，叶轮旋转无振动和噪声，电压表、电流表、压力表和真空表指示稳定，则表明运行已经正常，即可投入实验。

实验时，逐渐分步调节泵出口调节阀。每

调定一次阀的开启度，待状况稳定后，即可进

行以下测量：

1）将出水转向弯头由分水槽的回流格拨

向排水格同时，用秒表计取时间，用容器接取

一定水量。用称量或量取体积的方法测定水的

体积流率。（这时要接好循环水槽的自来水

源）。

2）从压强表和真空表上读取压强和真空

度的数值。

3）记取孔板流量计的压差计读数。

4）从电压表和电流表上读取电压和电流值。

在泵的全部流量范围内，可分成8-10组数据进行测量。

实验完毕，应先将泵出口调节阀关闭，再将调压变压器调回零点，最后再切断电源。

五 实验数据记录及整理

1 基本参数

1）离心泵

流量：Vs=3.33×10-4 m3/s

扬程：He≥5m

功率：N=120W

转速：n=2800 r/min

2）管道

吸入导管内径：d1=20.8 mm

压出导管内径：d2=20.8 mm

A、B两截面羊垂直距离：H0= mm(待

测定)

3）孔板流量计锐孔流量计

锐孔直径：d0=14mm

导管内径：d1=14mm

2实验数据

3实验结果整理

图3 离心泵实验平台

流体力学泵与风机实验指导

朱翠兰 编

实验一 静止液体压力分布规律演示............................................. 2

实验二 伯努利方程演示实验 ........................................................ 3

实验三 流体流动型态及临界雷诺数的测定 ................................. 6

实验四 管路流体阻力的测定 ........................................................ 8

实验五 离心泵特性曲线的测定 .................................................. 12

实验一 静止液体压力分布规律演示

一 实验目的

1 加深对静力学的基本方程式及等压面概念的理解；

2 观察封闭容器内静止液体表面压力及其液体内部某空间点上的压力； 3 观察压力传递现象。 二 演示原理

对密封容器的液体表面加压时，设其压力为P0，即P0>Pa，从U形管可以看到有压差产生，U形管与密封容器上部连通的一面，液面下降，而与大气相通的一面，液面上升，由此可知液面下降的表面压力P0，即P0=Pa+ρgh，h是U形管液面上升的高度。当密封容器内压力P0下降时，U形管内的液面呈现相反的现象，即P0

如果对密封容器的液体表面加压时，其容器内部的压力向各个方向传递，在右侧的测压管中，可以看到由于A、B两点在容器内的淹没深度h不同，在压力向各点传递时，先到A点后到B点，在测压管中反应出的是A管的液柱先上升而B管的液柱滞后一点也在上升、当停止加压时，A、B两点在同一水平面上。即静止液体中任一点上的压力，在任何方向上的大小都相等。 三 实验装置简介

本实验装置主要由密封容器、加压器、两支测压管及一支U形管等组合而成，实验装置如图所示。

四 演示步骤

1 关闭排气阀，用加压器缓慢加压，U形管出现压差，加压的同时，观测右侧A、B管的液柱上升情况。

2 打开排气阀，使液面恢复到同一水平面上，关闭排气阀打图1 实验装置图 开密封容器底部水门，放出部分水，造成容器内压力下降。 五 讨论

1 为什么P0为表压或真空值？

2 用该设备是否可以测出其它液体的密度或比重？为什么？

实验二 伯努利方程演示实验

一 实验目的

流动流体所具有的总能量，是由各种形式的能量所组成，并且各种形式的能量之间又可相互转换，当流体在导管内作定向流动时，在导管的各截面之间的各种形式机械能的变化规律，可由机械能衡定基本方程来表达。这些规律对于解决流体流动过程的管路计算，流体压强、流速与流量的测量，以及流体输送等问题，都有着十分重要的作用。

本实验采用一种称之为伯努利实验仪的简单装置，实验观察不可压缩流体在导管内流动时的各种形式机械能的相互转换现象，并验证机械能衡定方程（伯努力方程）。通过实验，加深对流体流动过程基础原理的理解。 二 实验原理

对于不可压缩流体，在导管内作定常流动，系统与环境又无功的交换时，若以单位质量流体为考察对象，则对确定的系统即可列出机械能守恒方程：

若以单位重量流体为考察对象，则又可以表达为：

2

u12P2u2

gZ1gZ2hf

22

P1

Jkg1 (1)

若以单位重量流体为基准时，则又可表达为：

2

u12P2u2

Z1Z2Hf

2g2g

P1

m液柱 (2)

式中：Z-流体的位压头，m液柱；

P-流体的压强，Pa；

u-流体的平均流速，m/s； ρ-流体的密度，kg/m3；

∑hf-流动系统内因阻力造成的能量损失，J/kg； ∑Hf-流动系统内因阻力造成的压头损失，m液柱。 下标1和2分别为系统的进口和出口两个截面。

不可压缩流体的机械能守恒方程，应用于各种具体情况下可作适当简化，例如： （1）当流体为理想液体时，于是式（1）和（2）可简化为

2

u12P2u2

gZ1gZ2hf

22

P1

Jkg1 (3)

2

u12P2u2

Z1Z2Hf

2g2g

P1

m液柱 (4)

该式即为伯努力(Bernoulli)方程。

（2）当液体流经的系统为一水平装置的管道时，则（1）和（2）式又可简化为：

P1

2

u12P2u2

hf22

Jkg1 (5)

P1

2

u12P2u2Hf2g2g

m液柱 (6)

（3）当流体处于静止状态时，则（1）和（2）式又可简化为 或者将上式可改写为

gZ1

P1



gZ2

P2

P2



(7)

Z1

或者将上式写为

P1



Z2



(8)

P1P2gZ1Z2 (9)

这就是流体静力学基本方程。 三 实验装置

本实验装置主要由实验导管、稳压流水槽和三对测压管所组成。

实验导管为一水平装置的变径圆管，沿程分三处设置测压管，每处测压管由一对并列的测压管组成，分别测量该截面处的静压头和冲压头。

实验装置的流程图如图1所示。液体由稳压水槽流入实验导管，途经直径分别为20、30和20mm的

管子，最后排出设备。流体流量由出口调节阀调节。流量需直接由计时称量测定。 四 实验方法

实验前，先缓慢开启进水阀，将水充满稳压溢流水槽，并保持有适量溢流水流出，使槽内液面平稳不变，最后设法排尽设备内的空气泡。

实验可按如下步骤进行：

（1）关闭实验导管出口调节阀，观察和测量液体处于静止状态下各测试点（A、B和C三点）的压强。

（2）开启实验导管出口调节阀，观察比较液体在流动情况下的各测试点的压头变化。

（3）缓慢开启实验导管的出口调节阀，测量流体在不同流量下各测试点的静压头、动压头和损失压头。

实验过程中必须注意如下几点：

图2 实验装置图

（1）实验前一定要将实验导管和测压管中的空气泡排除干净，否则会干扰实验现象和测量的准确性。

（2）开启进水阀向稳压水槽注水，或开关实验导管出口调节阀时，一定要缓慢地调节开启程度，并随时注意设备内的变化。

（3）实验过程中需根据测压管量程范围，确定最小和最大流量。

（4）为了便于观察测压管的液柱高度，可在临实验测定前，向各测压管滴入几滴红墨水。

五 实验结果

1 测量并记录实验基本参数 流体种类：

实验导管内径：dA=Φ20mm, dB=Φ30mm, dC=Φ20mm 实验系统的总压头：H= mmH2O(待测定) 2 非流动体系的机械能分布及其转换 （1）实验数据记录

实验三 流体流动型态及临界雷诺数的测定

一 实验目的

研究流体流动的形态，对于工程实践具有决定性的意义。

1983年雷诺首先在实验装置中观察到实际流体的流动存在两种不同形态—层流和湍流，以及两种不同形态的转变过程。

本实验的目的，是通过雷诺实验装置，观察流体流动过程的不同流形及其转变过程。 二 实验原理

经许多研究者实验证明：流体流动存在两种截然不同的形态，主要决定因素为流体的密度和粘度、流体流动的速度，以及设备的几何尺寸（在圆形导管中为导管直径）。

将这些因素整理归纳为一个无因次数群，称该无因次数群为雷诺准则数（或雷诺数），即

Re

du



(1)

式中d-导管直径，m； ρ-流体密度，kg/m3； μ-流体粘度，Pas； u-流体流速m/s；

大量实验测得：当雷诺准则数小于某一下临界值时，流体流动形态恒为层流；当雷诺数大于某一上临界值时，流体流形恒为湍流。在上临界值与下临界值之间，则为不稳定的过渡区域。对于圆形导管，下临界雷诺数为2000，上临界雷诺数为10000。一般情况下，上临界雷诺数为4000时，即可形成湍流。

应当指出，层流与湍流之间并非是突然的转变，而是两者之间相隔一不稳定过渡区域，因此，临界雷诺数测定值和流形的转变，在一定程度上受一些不稳定的其他因素的影响。 三 实验装置

雷诺实验装置主要由稳压溢流水槽、实验导管和转子流量计等部分组成，如图1所示，自来水不断注入并充满稳压溢流水槽。稳压溢流水槽的水流经实验导管和流量计，最后排入下水道。稳压溢流水槽的溢流水，也直接排入下水道。 四 实验方法

实验前准备工作：

（1）实验前，先用自来水充满稳压溢流

水槽。将适量示踪剂（红墨水）加入贮瓶内备用，并排尽贮瓶与计头之间管路内的空气。 （2）实验前，先对转子流量计进行标定，作好流量标定曲线。 （3）用温度计测定水温。 实验操作步骤：

（1）开启自来水阀门，保持稳压溢流水槽有一定的溢流量，以保证实验时具有稳定的压头。

（2）用放风阀放去流量计内的空气，再少许开启转子流量计后的调节阀，将流量调至最小值，以便观察稳定的层流流形，再精细地调节示踪剂管路阀，使示踪剂（红墨水）的注水流速与实验导管内主体流体的流速相近，一般略低于主体流体的流速为宜。精心调节至能观察到一条水平直的红色细流为止。

（3）缓慢地逐渐增大调节阀的开度，使水通过实验导管的流速平稳地增大，直至实验导管内直线流动的红色细流开始发生波动时，记下水的流量和温度，以供计算下临界雷诺数据。 （4）继续缓慢地增加调节阀开度，使水流平稳地增加。这时，导管内的流体的流形逐步由层流向湍流过渡，当流量增大到某一数据值后，示踪剂（红墨水）一进入实验导管，立即被分散呈烟雾状，这时表明流体的流形已进入湍流区域，记下水的流量和温度数据，以供计算上临界雷诺数。

这样的实验操作需反复进行数次（至少5-6次），以便取得较为准确的实验数据。 实验操作注意事项：

（1）本实验示踪剂采用红墨水，它由红墨水贮瓶，经连接软管和注射针头，注入实验导管，应注意适当调节注射针头的位置，使针头位于管轴线上为佳，红墨水的注射速度应与主体流体流速相近（略低些为宜），因此，随着水流速的增大，需相应地细心调节红墨水注射流量，才能得到较好的实验效果。

（2）在实验过程中，应随时注意稳压水槽的溢流水量，随着操作流量的变化，相应调节自来水给水量，防止稳压槽内液面下降或泛溢事故的发生。

（3）在整个实验过程中，切勿碰撞设备，操作时也要轻巧缓慢，以免干扰流体流动过程的稳定性，实验过程有一定滞后现象，因此，调节流量切勿操之过急，状态确实稳定之后，再继续调节或记录数据。

图2 雷诺实验平台

实验四 管路流体阻力的测定

一 实验目的

研究管路系统中的流体流动和输送，其中重要的问题之一，是确定流体在流动过程中的能量损耗。

流体流动时的能量损耗（压头损失），主要由于管路系统中存在着各种阻力，管路中的各种阻力可分为沿程阻力（直管阻力）和局部阻力两大类。

本实验目的，是以实验方法直接测定摩擦系数和局部阻力系数。 二 实验原理

当不可压缩流体在圆形导管中流动时，在管路系统内任意二个截面之间列出机械能守恒方程为：

2

u12P2u2

gZ1gZ2hf

22

P1

Jkg1 (1)

2

u12P2u2

Z1Z2Hf

2g2g

P1

m液柱 (2)

式中 Z—流体的位压头，m液柱；

P—流体的压强，Pa；

u—流体的平均流速，m/s；

hf —单位质量流体因流体阻力所造成的能量损失，J/kg；

Hf—单位重量流体因流体阻力所造成的能量损失，即所谓压头损失，m液柱； 符号下标1和2分别表示上游和下游截面上的数值。

假若：（1）水作为实验物系，则水可视为不可压缩流体； （2）实验导管是按水平装置的，则Z1=Z2；

（3）实验导管的上下游截面上的横截面积相同，则u1=u2； 因此（1）和（2）两式分别可简化为：

hf

P1P2



(3)

Hf

P1P2

(4) g

由此可见，因阻力造成的能量损失（压头损失），可由管路系统的两截面之间的压力差（压头差）来测定。

当流体在圆形直管内流动时，流体因摩擦阻力所造成的能量损失（压头损失），有如下一般关系式：

hf

P1P2



lu2



d2

Jkg1 (5)

Plu21P2

Hf

gd2g

m液柱 (6)

式中 d—圆形直管的管径，m液柱；

l—圆形直管的长度，m； λ—无因次摩擦系数。

大量实验研究表明：摩擦系数与流体的密度和粘度、管径、流速和管壁粗糙度有关。应用因次分析的方法，可以得出摩擦系数与雷诺数和管壁相对粗糙度存在函数关系，即



fRe, (7)

d





通过实验测得和数据，可以在双对数坐标上标绘出实验曲线。当Re

当流体流过管路系统时，因遇各种管件、阀门和测量仪表等而产生局部阻力，所造成的能量损失（压头损失），有如下一般关系式：

u2

h

2

`f

Jkg1 (8)

u2

H

2g

`f

m液柱 (9)

式中：u—连接管件等到的直管中流体的平均流速,m/s； λ—局部阻力系数。

由于造成局部阻力的原因和条件极为复杂，各种局部阻力系数的具体数值，都需要通过实验直接测定。 三 实验装置

本实验装置主要是由循环水系统（或高位稳压水槽）、实验管路系统和高位排气水槽串联组合而成，每条测试管的测压口通过转换阀组与压差计连通。

压差由一倒置U形水柱压差计显示，孔板流量计的读数由另一倒置U形水柱压差计显示。该装置的流程如图1所示。

实验管路系统是由五条玻璃直管平行排列，经U形弯管串联连接而成，每条直管上分别配置光滑管、粗糙管、骤然扩大与缩小管、阀门和孔板流量计。每根实验管测试段长度，即两测压口距离为0.6m。流程图中标出符号G和D分别表示上游测压口（高压侧）和下游测压口（低压侧）。测压口位置的配置，以保证上游测压口距U

形弯管接口的

距离，以及下洲测压口距造成局部阻力处于的距离，均大于50倍管径。

作为实验用水，用循环水泵或直接用自来水由循环水槽送入实验管路系统，由下而上依次流经各种流体阻力实验管，最后流入高位排气槽。由高位排气水槽溢流出来的水返回循环水槽。

水在实验管路中的流速，通过调节阀加以调节。流量由实验管路中的孔板流量计测量，并由压差计显示读数。 四 实验方法

实验前准备工作须按如下步骤顺序进行操作：

（1）先将水灌满循环水槽，然后关闭实验导管入口的调节阀，再启动循环水泵，待泵运转正常后，先将实验导管中的旋塞阀全部打开，并关闭转换阀组中的全部旋塞，然后缓慢开启实验导管的入口调节阀，停泵。

（2）检查循环水槽中的水位，一般需要再补充些水，防止水面低于泵吸入口。 （3）逐一检查并排除实验导管和联接管线中可能存在的空气泡。排除空气泡的方法是，先将转换阀组中被检一组测压口旋塞打开，然后打开倒置U形水柱压差计顶部的放空阀，直至排尽空气泡再关闭放空阀。必要时可在流体流动状态下，按上述方法排除空气泡。

（4）调节倒置U形压差计的水柱高度。先将转换阀组上的旋塞全部关闭，然后打开压差计顶部放空阀，再缓慢开启转换阀组中的放空阀。这时压差计中液面徐徐下降。当压差计中的水柱高度居于标尺中间部位时，关闭转换阀组中的放空阀。为了便于观察，在临实验前，可由压差计顶部的放空气处，滴入几滴红墨水，将压差计水柱染红。

（5）在高位排气水槽中悬挂一支温度计，用以测量水的温度。 （6）实验前需对孔板流量计进行标定，作出流量标定曲线。 实验测定时，按如下步骤进行操作：

（1）先检查实验导管中旋塞是否置于全开位置，其余测压旋塞和实验系统入口调节阀是否全部关闭。检查毕启动循环水泵。

（2）待泵运转正常后，根据需要缓慢开启调节阀调节流量，流量大小不一由孔板流量计的压差计显示。

（3）待流量稳定后，将转换阀组中，与需要测定管路相连的一组旋塞置于全开位置。这时测压口与倒置U形水柱压差计接通，即可记录由压差计显示出压强降。

（4）当需改换测试部位时，只需将转换阀组由一组旋塞切换为另一组旋塞，例如，将G1和D1一组旋塞关闭，打开另一组G2和D2旋塞。这时，压差计与G1和D1测压口断开，而与G2和D2测压口接通，压差计显示读数即为第二支测度管的压强降。以此类推。

（5）改变流量，重复上述操作，测得各实验导管中不同流速下的压强降。

（6）当测定旋塞在同一流量不同开度的流体阻力时，由于某种原因旋塞开度变小，流量必然会随之下降，为了保持流量不变，需将入口调节阀作相应调节。

（7）每测定一组流量与压强降数据，同时记录水的温度。 注意事项：

（1） 实验前务必将系统内存留的气泡排除干净，否则实验不能达到预期效果。 （2） 若实验装置放置不用时，尤其是冬季，应将管路系统和水槽内水排放干净。 五 实验数据记录及整理 （1）实验基本参数

实验导管的内径 d=17mm 实验导管的测试段长度 l=600mm 粗糙管的粗糙度ε=0.4mm 粗糙管的相对粗糙度ε/d=0.035 孔板流量计的孔径d0=0.011mm 旋塞的孔径

（2）流量标定曲线（孔板流量系数待测定，参考值）

（3）实验数据

图2 管路流体阻力实验平台

实验五 离心泵特性曲线的测定

一 实验目的

在化工厂或实验室中，经常需要各种输送机械用来送流体。根据不同使用场合和操作要求，选择各种型式的流体输送机械。离心泵是其中最为常用的一类液体输送机械。离心泵的特性由厂家通过实验直接测定，并提供给用户在选择和使用泵时参考。

本实验采用单级单吸离心泵装置，实验测定在一定转速下泵的特性曲线。通过实验了解离心泵的构造、安装流程和正常的操作过程，掌握离心泵各项主要特性及其相互关系。

二 实验原理

离心泵主要特性参数有流量、扬程、功率和效率。这些参数不公表征泵的性能，也是选择和正确使用泵的主要依据。

1泵的流量

泵的流量即泵的送液能力，是指单位时间内泵所排出的液体体积。泵的流量可直接由一定时间t内排出液体的体积V或质量m来测定。

Vs

或 Vtm3/s (1)

Vsm

tm3/s (2)

若泵的输送系统中安装有经过标定的流量计时，泵的流量也可由流量计测定。当系统中装有孔板流量计时，流量大小由压差计显示。流量Vs与倒置U形管压差计读数R之间存在如下关系：

VsC0S02gRm3/s (3)

式中C0—孔板流量系数；

S0—孔板的锐孔面积，m2；

2泵的扬程

泵的扬程即总压头，表示单位重量液体从泵中所获得的机械能。

若以泵的压出管路中装有压力表处为B截面，以及大管路中装有真空表处为A截面，并在此两截面之间列机械能守恒式，则可得出泵扬程He的计算公式：

22PAPBUBUA (4) HeH0g2g

式中PB——由压力表测得的表压强，Pa；

PA——由真空表测得的真空度，Pa；

H0——A、B两个截面之间的垂直距离，m；

UA——A截面处的液体流速，m/s；

UB——B截面处的液体流速，m/s。

3 泵的功率

在单位时间内，液体从泵中实际所获得的功，即为泵的有效功率。若测得泵的流量为

Vs，扬程H，被输送液体的密度为ρ，则泵的有效功率可按下式算：

NeVsHeg (5)

泵轴所作的实际功率不可能全部为被输送液体所获得，其中部分消耗于泵内的各种能量损失。电动机所消耗的功率又大于泵轴所作出的实际功率。电机所消耗的功率可直接由输入电压U和电流I测得，即

NUI (6)

4泵的总效率

泵的总效率可由测得的泵有效功率和电机实际消耗功率计算得出，即

Ne (7) N

这时得到的泵的总效率除了泵的效率外，还包括传动效率和电机的效率。

5 泵的特性曲线

上述各项泵的特性参数不是弧立的，而是

相互制约的。因此，为了准确全面地表征离心

泵的性能，需在一定转速下，将实验测得的各

项参数即：He、N、η与Vs之间的变化关系

标绘成一组曲线。这组关系曲线称为离心泵特

性曲线，如图1所示。离心泵特性曲线对离心

泵的操作性能得到完整的概念，并由此可确定

泵的最适宜操作状况。

通常，离心泵在恒定转速下运转，因此泵

的特性曲线是在一定转速下测得的。若改变了

转速，泵的特性曲线也将随之而异。泵的流量、

扬程和有效功率与转速之间大致存在如下比

例关系：

VsnHenNen；； (8) Vs`n`He`n`Ne`n`

三 实验装置

本实验装置主体设备为一台单级单吸离心水泵。为了便于观察，泵壳端盖用透明材料制成。电动机直接连接半敞式叶轮。离心泵与循环水槽、分水槽和各种测量仪表构成一个测试系统。实验装置及其流程如图2所示。

泵将循环水槽中的水，通过汲入导管汲入泵体的在汲入导管上端装有真空表，下端装有底阀（单向阀）。底阀的作用是当注水槽向泵体内注水时，防止水的漏出。

水由泵的出口进入压出导管。压出导管沿程装有压力表、调节阀和孔板流量计。由压出导管流出的水，用转向弯管送入分流槽。分流槽分为二格，其中一格的水可流出用以计量，另一格的水可流回循环水槽。根据实验内容不同可用转向弯管进行切换。

四 实验方法

在离心泵性能测定前，按下列步骤进行启动操作：

1）充水。打开注水槽下的阀门，将水灌入泵内。在灌水过程中，需打开调节阀，将泵内空气排除。当从透明端盖中观察到泵内已灌满水后，将注水阀门关闭。

23

2）启动。启动前，先确认泵出口调节阀关闭，变压器调回零点，然后合闸接通电源。缓慢调节变压器至额定电压（220V），泵即随之启动。

3）运行。泵启动后，叶轮旋转无振动和噪声，电压表、电流表、压力表和真空表指示稳定，则表明运行已经正常，即可投入实验。

实验时，逐渐分步调节泵出口调节阀。每

调定一次阀的开启度，待状况稳定后，即可进

行以下测量：

1）将出水转向弯头由分水槽的回流格拨

向排水格同时，用秒表计取时间，用容器接取

一定水量。用称量或量取体积的方法测定水的

体积流率。（这时要接好循环水槽的自来水

源）。

2）从压强表和真空表上读取压强和真空

度的数值。

3）记取孔板流量计的压差计读数。

4）从电压表和电流表上读取电压和电流值。

在泵的全部流量范围内，可分成8-10组数据进行测量。

实验完毕，应先将泵出口调节阀关闭，再将调压变压器调回零点，最后再切断电源。

五 实验数据记录及整理

1 基本参数

1）离心泵

流量：Vs=3.33×10-4 m3/s

扬程：He≥5m

功率：N=120W

转速：n=2800 r/min

2）管道

吸入导管内径：d1=20.8 mm

压出导管内径：d2=20.8 mm

A、B两截面羊垂直距离：H0= mm(待

测定)

3）孔板流量计锐孔流量计

锐孔直径：d0=14mm

导管内径：d1=14mm

2实验数据

3实验结果整理

图3 离心泵实验平台