流體綜合實驗裝置的改進分析說明

“化工原理實驗”作為化工原理課程的重要組成部分,它不僅加深了學生對化工原理基礎理論的理解及強化了動手能力，還通過實驗讓學生掌握實際工程問題的研究方法，提高解決實際工程問題的能力。而流體流動規律作為化工原理的重要基礎，也是實際單元操作中zui常見的部分，無庸置疑成為化工專業學生必須掌握的知識。目前，“化工原理實驗”主要用2 套不同裝置來完成流體實驗，即流體阻力測定和離心栗特性曲線測定。實驗功能單一，流程相似而重復。為了滿足擴大實驗范圍，加深實驗深度的需要，依據教學要求及2 套裝置的共性及，在原有裝置的基礎上做了一系列改進。
使原有裝置不僅可以完成“流體阻力測定”和“離心栗特性曲線測定”，還增添了“流量計系數校正”實驗。這三個實驗均屬流體力學范疇,將三個實驗合三為一，不僅節省了實驗室占地空間與設備經費，而且使學生對流體力學中管路、流量計、栗之間的更加了解，對系統的掌握流體力學的知識有積極的幫助作用。
1、實驗裝置及流程
這套多功能流體實驗裝置如圖1所示。實驗以水作為物料，集成了多個流體力學的相關實驗，即流體阻力實驗，包括直管（光滑管、粗糙管）阻力的測定，閥門（球閥、閘閥）、突然擴大局部阻力的測定；孔板流量計校正實驗;離心泵特性曲線測定;管路特
性曲線測定等。裝置長、寬、高總體尺寸為2000mmλ500mm×2000mm。直管測量段長度為0.835m ，光滑管內徑為20mm，粗糙管直徑為17mm;局部阻力測定的截止閥為DN12、突擴管為16/41mm?？装辶髁坑嫷男】字睆綖?3mm。栗型號為TYPEY2-80Mt- 2 ，吸人管直徑20mm，壓出管直徑20mm，兩測壓點間高度差為0.28m。

圖1多功能流體實驗裝置圖
1.1管路系統的設計
該裝置每套設備各設計一套獨立的管路系統,兩套設備之間有管路相連。管路全部采用內徑為20mm的不銹鋼管（測量段特殊的管路除外），用卡套式接頭相連接。實驗過程中可通過各種閥門的控制,進行實驗項目的轉換和選擇。做離心栗特性曲線實驗時，兩臺獨立的栗可根據需要通過調整閥門開關做并聯連接。
1.2 測試項目的轉換
由于集成了較多測量項目，若項目間轉換方法設計不當，將使整個管路系統復雜、繁瑣，不易操作。
該裝置設計思路清晰,在局部阻力測定實驗中利用一個緩沖罐來實現各管路方便快捷的切換。緩沖罐與每個測壓點用塑料管相連，且有閥門控制開關。
測量前將被測管路與緩沖罐聯通,其他管路關閉，利用緩沖罐進行排氣，使待測管路內充滿液體后，聯通到U型壓差計進行測量。
2、實驗數據和數據處理
2.1 直管阻力測定實驗
不同流量下的直管阻力測定實驗數據見表1。

表1 直管阻力測定原始數據表
根據表1得到的數據進行處理，得到雷諾數Re與摩擦系數λ值見表2 。

表2 直管阻力測定數據處理結果
依據表2得出的結果，在雙對數坐標上做摩擦系數λ與雷諾數Re的關系曲線，如圖2 所示。
 

圖2 摩擦系數λ與雷諾數Re的關系曲線

由圖2可知，當流體在湍流區流動時（Re>2000時），摩擦系數λ會隨著雷諾數Re的增大而減小，當雷諾數Re繼續增大時，摩擦系數λ逐漸趨于平緩,趨近于某一個極限值，其值不再隨雷諾數Re的變化而改變。該值僅取決于相對粗糙度s/d。λ-Re曲線的變化趨勢基本符合在湍流區直管內摩擦系數λ隨雷諾數Re變化的規律。
2.2 離心泵的特性曲線測定實驗
不同轉速下離心栗的實驗數據見表3。
固定離心栗轉速在1050r/min下的實驗數據見表4 。
由表3得到的相關數據,計算出離心栗在不同轉速下的揚程H和流量Q的關系，即管路的特性曲線。由表4得到的相關數據，計算出離心泵在1050r/min轉速下揚程H和流量Q的關系，即離心泵的特性曲線。并在直角坐標系上繪制出兩條曲線，如圖3 所示。

表3 不同轉速下泵性能測定原始數據表

表4 固定轉速下泵性能測定原始數據表

圖3 離心泵揚程H與流量Q的關系曲線
如圖3所示，離心栗的特性曲線是反映該栗的揚程與流量間的關系。離心栗的揚程H隨流量Q的增大而逐漸下降。當離心栗轉速一定的情況下,在特定的管路中輸送液體時，管路所需要的壓頭H會隨液體流量Q的平方而變化。將此關系標在相應坐標圖中，即是圖3的管路特性曲線。此線表示特定管路中，于固定操作條件下，流體流經該管路時所需要的壓頭與流量的關系。此線的形狀由管路布局與操作條件來確定，與栗性能無關。將離心泵特性曲線與其所在管路特性曲線繪于同一坐標圖上,兩線的交點為栗在該管路上的工作點。該點所對應的流量和壓頭既能滿足管路系統的要求，又能滿足泵的要求。而在實際工作中，由于生產任務的變化和輸送任務的要求，常常需要改變泵的工作點。一種方法是改變泵的轉速，實質上就是改變泵的特性曲線，這種方法雖然減少了動力的消耗，從能量消耗來看比較合理,但是難以做到流量的連續調節，生產中較少采用。而一般常采用調節管路上的閥門，即改變管路特性曲線的方法調節流量,這種方法操作更為簡便,使流量可以連續變化，更適合化工連續生產的特點。
2.3 孔板流量計系數校正實驗
不同流量下測量孔板流量計的壓差值見表5 。

表5 孔板流量計校正原始數據表
由表5得到的相關數據,計算出孔板流量計的流量系數Co和雷諾數Re ,見表6 。依據Re 和Ao/A1,的數值，提供的孔板流量計的Co與Re、Ao/A1的關系曲線。查得Co=0.78,與實驗
所得基本一致。

表6 孔板流量計校正原始數據處理結果