流体综合实验装置的改进分析说明

“化工原理实验”作为化工原理课程的重要组成部分,它不仅加深了学生对化工原理基础理论的理解及强化了动手能力，还通过实验让学生掌握实际工程问题的研究方法，提高解决实际工程问题的能力。而流体流动规律作为化工原理的重要基础，也是实际单元操作中最常见的部分，无庸置疑成为化工专业学生必须掌握的知识。目前，“化工原理实验”主要用2 套不同装置来完成流体实验，即流体阻力测定和离心栗特性曲线测定。实验功能单一，流程相似而重复。为了满足扩大实验范围，加深实验深度的需要，依据教学要求及2 套装置的共性及联系，在原有装置的基础上做了一系列改进。
使原有装置不仅可以完成“流体阻力测定”和“离心栗特性曲线测定”，还增添了“流量计系数校正”实验。这三个实验均属流体力学范畴,将三个实验合三为一，不仅节省了实验室占地空间与设备经费，而且使学生对流体力学中管路、流量计、栗之间的联系更加了解，对系统的掌握流体力学的知识有积极的帮助作用。
1、实验装置及流程
这套多功能流体实验装置如图1所示。实验以水作为物料，集成了多个流体力学的相关实验，即流体阻力实验，包括直管（光滑管、粗糙管）阻力的测定，阀门（球阀、闸阀）、突然扩大局部阻力的测定；孔板流量计校正实验;离心泵特性曲线测定;管路特
性曲线测定等。装置长、宽、高总体尺寸为2000mmλ500mm×2000mm。直管测量段长度为0.835m ，光滑管内径为20mm，粗糙管直径为17mm;局部阻力测定的截止阀为DN12、突扩管为16/41mm。孔板流量计的小孔直径为13mm。栗型号为TYPEY2-80Mt- 2 ，吸人管直径20mm，压出管直径20mm，两测压点间高度差为0.28m。

图1多功能流体实验装置图
1.1管路系统的设计
该装置每套设备各设计一套独立的管路系统,两套设备之间有管路相连。管路全部采用内径为20mm的不锈钢管（测量段特殊的管路除外），用卡套式接头相连接。实验过程中可通过各种阀门的控制,进行实验项目的转换和选择。做离心栗特性曲线实验时，两台独立的栗可根据需要通过调整阀门开关做并联连接。
1.2 测试项目的转换
由于集成了较多测量项目，若项目间转换方法设计不当，将使整个管路系统复杂、繁琐，不易操作。
该装置设计思路清晰,在局部阻力测定实验中利用一个缓冲罐来实现各管路方便快捷的切换。缓冲罐与每个测压点用塑料管相连，且有阀门控制开关。
测量前将被测管路与缓冲罐联通,其他管路关闭，利用缓冲罐进行排气，使待测管路内充满液体后，联通到U型压差计进行测量。
2、实验数据和数据处理
2.1 直管阻力测定实验
不同流量下的直管阻力测定实验数据见表1。

表1 直管阻力测定原始数据表
根据表1得到的数据进行处理，得到雷诺数Re与摩擦系数λ值见表2 。

表2 直管阻力测定数据处理结果
依据表2得出的结果，在双对数坐标上做摩擦系数λ与雷诺数Re的关系曲线，如图2 所示。
由图2可知，当流体在湍流区流动时（Re>2000时），摩擦系数λ会随着雷诺数Re的增大而减小，当雷诺数Re继续增大时，摩擦系数λ逐渐趋于平缓,趋近于某一个极限值，其值不再随雷诺数Re的变化而改变。该值仅取决于相对粗糙度s/d。λ-Re曲线的变化趋势基本符合在湍流区直管内摩擦系数λ随雷诺数Re变化的规律。
2.2 离心泵的特性曲线测定实验
不同转速下离心栗的实验数据见表3。
固定离心栗转速在1050r/min下的实验数据见表4 。
由表3得到的相关数据,计算出离心栗在不同转速下的扬程H和流量Q的关系，即管路的特性曲线。由表4得到的相关数据，计算出离心泵在1050r/min转速下扬程H和流量Q的关系，即离心泵的特性曲线。并在直角坐标系上绘制出两条曲线，如图3 所示。

图3 离心泵扬程H与流量Q的关系曲线
如图3所示，离心栗的特性曲线是反映该栗的扬程与流量间的关系。离心栗的扬程H随流量Q的增大而逐渐下降。当离心栗转速一定的情况下,在特定的管路中输送液体时，管路所需要的压头H会随液体流量Q的平方而变化。将此关系标在相应坐标图中，即是图3的管路特性曲线。此线表示特定管路中，于固定操作条件下，流体流经该管路时所需要的压头与流量的关系。此线的形状由管路布局与操作条件来确定，与栗性能无关。将离心泵特性曲线与其所在管路特性曲线绘于同一坐标图上,两线的交点为栗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，又能满足泵的要求。而在实际工作中，由于生产任务的变化和输送任务的要求，常常需要改变泵的工作点。一种方法是改变泵的转速，实质上就是改变泵的特性曲线，这种方法虽然减少了动力的消耗，从能量消耗来看比较合理,但是难以做到流量的连续调节，生产中较少采用。而一般常采用调节管路上的阀门，即改变管路特性曲线的方法调节流量,这种方法操作更为简便,使流量可以连续变化，更适合化工连续生产的特点。
2.3 孔板流量计系数校正实验
不同流量下测量孔板流量计的压差值见表5 。

表5 孔板流量计校正原始数据表
由表5得到的相关数据,计算出孔板流量计的流量系数Co和雷诺数Re ,见表6 。依据Re 和Ao/A1,的数值，提供的孔板流量计的Co与Re、Ao/A1的关系曲线。查得Co=0.78,与实验
所得基本一致。

表6 孔板流量计校正原始数据处理结果