流体力学与流体机械
实验指导书
（环境工程专业）
主编：王 玫
南昌航空大学环境与化学工程系环工教研室
二零零八年四月
绪 论
本实验指导书是为环境工程专业本科学生使用的。
一、流体力学与流体机械实验的教学目的和要求
流体力学与流体机械课是化工、环境工程、生物化工等专业的重要基础
课程。它有完整的教学内容和教学体系。
流体力学与流体机械实验的目的主要是为了验证流体力学与流体机械
的基本理论、加深对课堂教学内容的了解。同时也是对学生进行实验方法、
实验技能的基本训练。培养学生独立组织完成实验的能力、严肃认真的工作
作风，实事求是的科学态度，为将来从事科学研究与解决工程实际问题打好
基础。
(一) 学会提问与回答
1.这套设备或工艺最关键的特征是什么？包含的基本原理是什么?这些
原理如何应用于此？自己是否掌握?
2.能否找到操作的平衡状态、稳定状态，如何达到这些状态及操作的独
立变量有哪些?如何测量控制它们？仪器的检测范围有多大?有没有其它方
式来测量和控制这些变量？误差产生的原因有哪些?误差有多大？如何控制
或减少误差？
3.装置中测量出的参数的真实意义是什么？装置或过程为什么要如此
设计？
4.如果要达到此实验目的有没有其它途径?在设备中完成指定的工艺要
求最佳设计方案是什么?
(二）为了培养学生独立思考的习惯，使学生通过实验提高甩所学技能解
决实际问题的能力，还必须注意以下几方面：
1.认真理解实验的目的、原理，学会为达到实验目的去设计装置来测量
所需数据。
2.深入理解测量参量的物理意义、包括定义、测量时的误差、精度和准
确性。
3.养成仔细观察、详细记录真实实验数据的习惯、并以表格或草图表示
之。
4. 培养组织能力、责任心，创造性思维能力和互助合作精神。
5. 培养处理、分析实验数据的能力、认真撰写工程实验报告的能力，仔
细描述重要的、有学术价值的现象和结果。
(三)实验前应注意的事项
1.认真预习要做的实验内容，弄清实验的目的、基本原理、基本流程、
操作方法，在实验前写出预习报告；
2.认真学习实验室基本守则、安全制度、及预防意外事故发生的措施；
3.做实验时应带好实验讲义、预习报告、原始记录本、计算器、坐标纸；
4.分组实验时应明确个人分工负责的内容，做到互相帮助，密切配合。
(四)实验过程中应注意以下几点：
1.按时进入指定位置，参照实验讲义熟悉本次实验需使用的仪器、装置、
基本流程，使用方法以及需要测定哪些数据。
2.准备工作做好后报告指导老师，经指导老师同意后方可进行试做，认
真读取并记录有关测试数据于相应的表格中，实验结束前应检查实验数
据有无错记或遗漏之处。
3.仔细观察并记录实验中的一些现象，发现异常情况应及时报告报导老
师，切勿擅自动手拆卸修理，若有故障或损坏仪器设备应及时做好现场
记录并报告指导老师。
4.严肃认真、实事求是、一丝不苟是正确完成实验应具备的工作作风，
认真撰写实验报告是提高实验教学质量的重要环节。
二、流体力学与流体机械实验的基础知识
流体力学与流体机械实验包括预习，操作，测定，记录和整理数据，实
验报告编写等环节。各个环节,要求如下:
(一) 对实验前预习的要求
1.认真阅读实验指导书或任务书，复习课程教材及参考书目有关内
容，根据实验的目的要求明确任务，掌握实验依据的原理。
2.到实验室现场熟悉设备装置的结构和流程。
3.明确操作程序与所测参数项目，了解相应所用仪表类型和使用方法
以及参数的调整、实验点的分配。
(二) 实验操作注意事项：
1. 实验设备启动前必须检查：
(1) 泵、风机、压缩机、真空泵等转动及运动的设备，启动前先
盘车检查，看能否正常转动。
(2) 设备、管道上各个阀门的开、闭状态是否合乎流程要求。上
述两点皆为正常时才可合上电闸，使设备运转。
2. 仪器使用前须注意:
(1) 掌握电气仪表的线路联接方法操作步骤。
(2) 看清量程范围，掌握正确的读数方法。
(3) 接通电源前须经指导人员检查。
3. 操作过程中注意分工配合，既要严守自己岗位，又要关心整个实验
的进行。随时观察仪表指标值的变动，保证操作过程在稳定条件下
进行。出现不符合规律现象时及时观察研究，分析其原因，不要轻
易放过。
4. 操作过程中设备及仪表有异常情况时，应立即按停车步骤停车，报
告指导人员，同时自己分析原因供指导人员参考，对问题的处理应
了解其全过程，这是分析问题和处理问题的极好机会。
5. 停车前应先后将有关气源、水源、热源，测试仪表的连通阀门以及
电源关闭，然后切断主设备电机电源，调整各阀门在应处的开或关
位置。
(三)测定、记录和整理实验数据
1.确定要测量哪些数据
凡是对实验结果有关或是整理数据时必需的参数都应一一测定。包
括工作介质性质、操作条件、设备几何尺寸及大气条件等。有些数据是由某一参数导出或根据某一参数由手册查得，就不必直接测定。如流体的粘度、密度可测其温度、压力进行计算或从手册查得。
2.读数与记录
(1)根据实验目的要求，拟定要测取的参数及划好数据表格。
(2)待设备各部份运转正常，操作稳定后才能读取数据。如何判断是否
已达稳定?一般是相邻两次读数相同或十分相近。当变更操作条件
后各项参数达到稳定亦需一定时间，因此也要待其稳定方可读数，
否则易造成实验结果无规律甚至反常。
(3)同一操作条件下，不同参数最好是数人同时读取，若操作者同时兼
读几个数据时，应尽可能动作敏捷。
(4)稳定的同一操作条件下至少读取两次数据，记录后立即进行初步整
理，只有当两次数据相近时才能变更条件做下一点。每次读数都应
与其它有关数据及前一点数据对照、相互关系是否合理?如不合理
应查找原因，是现象反常还是读错了数据，同时在记录上注明。
(5)读取数据必须充分利用仪表的精度、读至仪表最小分度以下一位
数，这下一位数为估计值。如水银温度表最小分度为0.1℃，若水
银柱拾指22.4℃时，应记为22.40℃注意过于多取估计值的位数是
无意义的。
碰到有些参数在读数过程中波动较大，首先要设法减小其波动。在
波动不能完全消除的情况下，可取一次波动的最高点与最低点两个
数据，然后取平均值，在波动不很大时可取一次波动的高、低点之
间的读数来估计中间值。
(6)记录完毕即检查一遍，有无漏记或记错之处，发现问题及时解决。
3. 数据的整理及标绘
(1)原始记录数据只可进行整理，绝不可修改。经判断确系过失误差所
造成的不正确数据可于注明后不计入结果。
(2)同一实验点的几个有波动的数据可先取其平均值，然后进行整理。
(3)采用列表法整理数据清晰明了，便于比较，在表格之后应附计算示
例，以说明各项之间的关系。
(4)运算中尽可能利用常数归纳法。如计算固定管路中不同流速下的Re准数时，
Re=du
其中d、μ、ρ为定植（水温不变或变化甚小时），可归
纳为Re=Aμ，常数A=d 可使计算简捷，减少错误。
(5)实验结果用列表、绘制图线或方程式的形式表达。
三、本课程预习报告和实验报告的写作要求
在做实验之前每一位同学都认真阅读实验指导书，切实弄懂所做实验的原理；详细了解试验装置的流程和操作步骤以及实验过程中的安全注意事项。在预习的基础上认真写好预习报告是十分必要的。一份完整的预习报告应包括以下几项内容：
1.实验名称
2.实验目的
3.实验原理
4.实验装置流程及说明
本课程的预习报告和实验报告组合起来就是一份完整的技术报告，必须十分重视这一环节的训练。实验完成后，必须以严格的科学态度，按指导书、任务书的不同要求认真写好实验报告。实验报告应写得简明扼要、一目了然，数据完整，交待清楚，结论明确，有讨论、有分析、得出的图线或公式有确定的适用条件。一份完整的试验报告应包括以下几项内容：
1. 实验名称，实验日期，报告人班级和姓名，同组实验人，指导教师。
实验地点。
2. 实验的目的和内容。
3. 实验的理论依据(实验原理)。
4. 实验装置的流程示意图和测试点控制点位置，主要设备、仪表的名
称、类型或尺寸。
5. 实验操作和仪表使用的注意事项。
6. 原始记录数据表(数据多时，此表格宜作为附录放在报告的后面)。
7. 整理计算数据表。应包括与最后的实验结论有关的全部数据。若数
据不多，则计算数据表可与原始记录数据表合在一起。
8. 数据整理计算过程举例(列出一组数据的计算过程，作为计算示例)。
9. 实验结论。逐条列出实验结果。
10. 实验结果的分析和讨论。内容有:
(1) 分析误差的大小和原因。
(2) 影响实验的根本因素。
(3) 提高与扩大实验结果的途径。
(4) 实验中异常现象的分析讨论。
(5) 将实验结果与前人和他人的结果对比。说明结果的异同，并解释
这种异同。
(6）本实验结果的推广和应用效果的预测。
(7）提高测量精度和研究水平的设想。
11. 附录:原始记录数据表格，公式推导等。
在以上11项内容中，第1-6项内容应在实验前写出，称预习报告。
第7项以下的内容在实验完成后再接着写。其中第9、第10项是整个报告的主体，是最实质性的内容，应尽力写好，总之，实验报告必须写得简单、明了、确切，并且有实验者个人的见解。
12．实验报告必须注意，原始数据纪录应该完整，详尽，不准随意涂改以保证实验数据能真正反映实验的结果；实验报告的书写应该整洁，切忌糊涂潦草。
实验一 流体流动形态及临界雷诺系数的测定
一、实验目的
研究流体流动的形态，对于化学工程的理论和工程实践都具有决定性的意义。1883年雷诺(Reynolds)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：层流和紊流，以及两种不同型态的转变过程。
本实验的目的，是通过雷诺试验装置，观察流体流动过程的不同流型及其转变过程，测定流型转变时的临界雷诺数。
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数(或雷诺数)，即 Re=du
(l)
式中: d一导管直径，m；
－3 －流体密度，kg·m ；
一流体粘度，Pa ·s ；
u－流体流速，m·s 。
大量实验测得:当雷诺准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，流体流型恒为紊流。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，即可形成紊流。
应当指出，层流与紊流之间并非是突然的转变，而是两者之间相隔一个不稳定过渡区域，因此，临界雷诺数测定值和流型的转变，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
雷诺试验装置主要由稳压溢流槽、试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水槽。稳压溢流水槽的水流经试验导管和流量计，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。水流量由调节阀调节。
－1
图1 雷诺试验装置及流程
1．示踪剂瓶 2．稳压溢流水槽 3．试验导管 4．转子流量计 V01 示踪剂调节阀；V02上水调节阀；V03水流量调节阀V04，V05泄水阀；V06放风阀
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，并排尽贮瓶与针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，保持稳压溢流水糟有一定的溢流量，以保证试验
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型，再精细地调节示踪剂管路阀，使示踪荆(红墨水)的注水流速与试验导管内主体流
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，使水通过试验导管的流速平稳地增
大。直到试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，使水流量平稳地增加。这时，导管内
的流体的流型逐步由层流向紊流过渡。当流量增大到某一数据值后，示踪剂(红墨水)一进入试验导管，立即被分散呈烟雾状，这时标明流体的流型己进入紊流区域。记下水的流量和温度数据以以供计算zzzzzz上临界雷诺数。 这样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
头注入试验导管。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，防止稳压水槽内液面下降或泛滥事故的发生。
(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，调节流量过程切勿操之过急，状态确定稳定之后，再继续调节或记录数据。
五、实验结果整理
(1)实验设备基本参数：
试验导管内径 d＝φ mm
(2)实验数据记录及整理
列出上表中各项的计算公式
六、思考题
(1)影响流动形态的因素有哪些?
(2)如果说可以只用流速来判断管中流动形态，流速低于某一具体数值时是层流，否则就是紊流，你认为这种看法对否?在什么条件下可只由流速的数值来判断流动形态?
实验二 伯努利实验
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以相互转换。当流体在导管内作定常流动时，在导管的各截面之间的各种形式机械能的变化规律，可由机械能衡算基本方程来表达。这些规律对于解决流体流动过程中的管路计算，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试验仪的简单装置，实验现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化现象，并验证机械能衡算方程(伯努利方程)。通过实验，加深对流体流动过程基本原理的理解。
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衡算基准，则对确定的系统即可列出机械能的衡算
方程， gz1
p1
p112
u12gz22u2hf 22
-1
J·Kg (1)
若以单位重量流体为衡算基准时，则又可表达为 z1
p1p1212
u1Z22u2Hf m液柱 (2) g2gg2g
式中:z一－流体的位压头， m液柱
p一－流体的压强,Pa
－1
u－－流体的平均流速，m·s
－3
ρ――流体的密度，kg·m
-1
Σhf－一流动系统内因阻力造成的能量损失，J·kg ΣHf－一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衡算方程，应用于各种具体情况下可作适当简化，例如:
(1)当液体为理想液体时，于是式(1)和(2)可简化为
gz1
p1
p112-1
J·Kg (3) u12gz22u2
22
z1
p1p1212
u1Z22u2 m液柱 (4) g2gg2g
该式即为伯努利方程（Bernoulli）。 (2) 当液体流经的系统为一水平装置的管道时，则（1）和（2） 又可以简化为：
p1
p112
u122u2hf J·Kg-1 (5) 22p112p212
u1u2Hf m液柱 (6) g2gg2g
（3）当流体处于静止状态时，则（1）和（2）又可以简化为
gz1
p1
gz2
p2
（7）
z1
p1p
z22 （8） gg
或者将上式改写为p2p1g(z1z2) (9)
三、实验装置
本实验装置主要由试验导管、稳压溢流水槽和三对测压管所组成。试验
导管为一水平放置的变径圆管，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动压头。
实验装量的流程如图2所示。液体由稳压水槽流入试验导管，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之。
图2 伯努利试验装置流程
1.稳压水槽 2.试验导管 3.出口调节阀 4.静压头测量管 5.动压头测量管
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糟，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。 实验按如下步骤进行:
(1) 关闭试验导管出口调节阀，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) 开启试验导管出口调节阀，观察比较液体在流动情况下的各测试点
的压头变化。
(3) 缓慢开启试验导管的出口调节阀，测量流体在不同流量下的各测试
点的静压头、动压头和损失头。
实验过程中必须注意如下几点，
(1)实验前一定要将试验导管和测压管中的空气泡排除千净，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，或开关试验导管出口调节阀时，一定要
缓慢调节开启程度，并随时注意设备内的变化。
(3)试验过程中需根据测压管量程，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：
试验导臂内径：
dA=φ mm
dB=φ mm dC=φ mm
分系统的总压头，H= mmHgO 2、非流动体系的机械能分布及其转换
(2)验证流体静力学方程
3、流动体系的机械能分布及其转换
(2)验证流体流动的机械能衡算方程
六、思考题
（1）为什麽各测压管液位下降？下降的液位高度代表什麽能？ （2）如何根据测压管量程来确定最小和最大流量？
实验三 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，就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。 本实验的目的，是以实验方法直接测定摩擦系数λ和局部阻力系数ζ. 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衡算方程为
2
u12p2u2
gz1gz2hf J·kg-l (1)
22
p1
或
2p1u12p2u2
z1z2Hf m液柱 (2)
g2gg2g
式中:z一流体的空压头 m液柱·
p一流体的玉强，Pa
-1
u—流体的平均流速,m.s
-l
hf一单位质量流体因流体阻力所趋成的能量损失， 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)水作为试验物系，则水可视为不可压缩流体 (2)试验导管是按水平装置的，则z1=z2
(3)试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
p1p2
J·kg (3)
-l
Hf
p1p2
m水柱 (4) g
大量实验研究表明:摩擦系数λ与流体的密度ρ和粘度μ，管径d,流速
u和管壁粗糙度ε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ε∕d存在函数关系，
即 λ＝ƒ（Re,
） (7) d
通过实验测得λ和Re的数据，可以在双对数坐标纸上标绘出实验
曲线。当Re
局部阻力，所造成的能量损失(压头损失)，有如下一般关系式：
u2-1
hf= J.Kg
2
u2
或 Hf= m 液柱
2g
式中：u――连接管件等的直管中的平均流速。
――局部阻力系数（无因次)。
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
实验装置主要是由循环水系统(或高位稳压水槽)、试验管路系统和高位排气水糟串联组合而成。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5所示。
试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、孔板流量计和阀门,每根试验管测试段长度，即两测压口距离均为0.06m。流程图中标出的符号G和D分别表示上游上游测压口(高压侧)和下游测压口 (低压侧)。测压口位置的配置，以保护上游测压口距U形弯管接口的距离，以及下游测压口距造成局部阻力处的距离，均大于50倍管径。 作为试验用水，用循环水泵或直接用自来水由循环水槽送入试验管路系统，由下而上依次流经各种流体阻力试验管，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. 水在试验管中的流速，通过调节阀加以调节。流量由试验管路中的孔板流量计测量，并由压差计显示读数。
图3 管路流体阻力实验装置流程
1．循环水泵 2．光滑试验管 3．粗糙试验管 4．扩大与缩小试验管 5．孔板流量计 6．阀门 7．转换阀组 8．高位排气水槽 9．倒置U形管水压差计 10．储水池 四、实验方法
实验前准备工作须按如下步骤颇序进行操作:
(1)先将水灌满循环水槽，然后关闭试验导管入口的调节阀，再启动循环水泵。待泵运转正常后，先将试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，然后缓慢开启试验导管的入口调节阀。当水流充满整个试验导管，并在高位排气水槽中有溢流水排出时，关闭调节阀，并停止泵运行。
(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)逐一检查并排除试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，直到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，再缓馒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)先检查试验导管中旋塞是否置于全开位置，其余测压旋塞和试验系统入口调节阀是否全部关闭。检查完毕后启动循环水泵.
(2)待泵运转正常后，根据需要缓慢开启调节阀调节流量，流量大小由孔饭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的压强降。
(4)当需要改换测试部位时，只需将转换阀组由一组旋塞切换至另一组旋塞。例如，将G1和 Dl一组旋塞关闭,打开另一组G2和D2旋塞,这时，压差计与Gl和Dl测压口断开。而与G2和D2测压口接通，压差计显示的读数即为第二支测试管的压强降。以此类推。
(5)改变流量,重复上述操作:测得各试验导管中不同流速下的压强降。 (6)当测定旋塞处在同一流量不同开度的流体阻力时，由于旋塞开度变小，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。 实验注意事项，
(1)实验前务必将系统内存留的气泡排除千净，否则实验不能达到预期效果。
(2)若实验装量放置不用时，尤其是冬季，应将管路系统和水槽内的水排放干净。
五. 实驻数据记录及整理
(1)实验基本参数
试验导管的内径 d= mm 试验导观的测试段长度L= mm
粗糙管的粗糙度ε= mm 粗糙管的相对粗糙度ε/d= 孔板流量计的孔径 d。= mm 孔板系数Co= 旋塞的孔径 d= mm
(2)流量标定曲线
(5)标绘Re—λ实验曲线 六、思考题
(1)为什麽实验数据测定前要赶尽设备和测压管中的空气?怎麽赶?
(2)不同管径、不同水温下测定的Re—λ数据能否关联在同一条曲线上? (3)如果测压口孔边缘有毛刺或安装不正,对静压测量有何影响?
实验四 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输送流体。根据不同使用场合和操作要求来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。离心泵的特性由生产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，进而加深对离心泵的性能和操作原理的理解。 二、实验原理
离心泵主要特性参数有流量、扬程、功率和效率。这些参数不仅表征泵的性能，也是选择和正确使用泵的主要依据。 1.泵的流量
泵的流量即泵的输送流体的能力，是指单位时间内泵所输出的流体体积。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。 即 : Vs=
V3-1
m·s (1) t
或 : Vs=
m3-1
m·s (2) t
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=C0·S0·2gR m·s (3)
3
-1
式中：C0-----孔板流量系数；
2
S0一---孔板的锐孔面积，m ， 2.泵的扬程
泵的扬程即总压头，表示单位重量流体从泵中所获得的机械能
如果以泵的压出管路中装有压力表处为B截面，以吸入管路装有真空表处为A截面，并在此两截面之间列机械能衡算式，则可得出离心泵的扬程He 的计算公式：
22
pBpAuBuA
HH0
g2g
(4)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两截面之间的垂直距离，m；
-1
uA---A截面处的流体流速， m·s
-1
uB---B截面处的流体流速， m·s 3.泵的功率
在单位时间内，流体从泵中实际所获得的功，即为泵的有效功率。若测
3-1-1
得泵的流量为 Vs(m·S)，扬程为He(m)，被输送流体的密度为(Kg·m)，则泵的有效功率可按下式计算：
Ne=VsHeg w (5) 泵轴所作的实际功率不可能全部为被输送流体所获得，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 W (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并不是孤立的，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:H。、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3所示。离心泵特性曲线全面完整地表达了离心泵的操作性能，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Vs、扬程He和有效功率Ne与转速n之间，大致存在如下比例关系:
Vsn ；Hen2 ；Nen
()()3 (8) nHeVsnNen
三、实验装置
实验装置的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。电动机直接连接半敝式叶轮。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4 所示
图5 离心泵实验装置流程图
1.循环水槽 2.底阀 3.离心泵 4.真空表 5.注水槽 6.压力表 7.调节阀 8.孔板流量计9.分流槽 10.电流表 11.调压变压器 12.电压表
13.测量U形管压差计 泵将循环水槽中的水，通过汲入导管汲入泵体，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，其中一路的水可流出用以计量，另一路的水可流回循环水糟。根据实验内容不同可用转向弯臂进行切换。 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。当从透明端盖申观察到泵内已灌满水后，将注水阀门关闭。
(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，即可进行实验。
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糟的回流格拔向排水格同时，用秒
表计取时间，甩容器接取一定水量。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、实骏数据记录及整理 1.基本参数 (1)离心泵
流量:Vs= 扬程:He= 功率,N= 转速:n= (2)管道
吸入导管内径：d= mm 压出导管内径：d= mm
A、B两截面间垂直距离,H。= mm (3)孔板流量计
锐孔直径:do= mm 导臂内径:d1= mm 2.实验数据
实验测得的数据，可参考下表进行记录
3.实验数据整理
(2)用实验数据绘制孔板流量计的流量标定曲线，并求取孔板流量计的孔流系数。
(3)将实验数据整理结果标绘成离心泵的特性曲线。
六、思考题
(1)为什么启动离心泵前要引水灌泵?为什么启动时要关闭出口阀和功率表并关?
(2)随着流量变化，泵的出口压力表及入口真空表读数按什么规律变化，为什么?
(3)正常工作的离心泵，在其进口管上安装阀门是否合理?为什么?
流体力学与流体机械
实验指导书
（环境工程专业）
主编：王 玫
南昌航空大学环境与化学工程系环工教研室
二零零八年四月
绪 论
本实验指导书是为环境工程专业本科学生使用的。
一、流体力学与流体机械实验的教学目的和要求
流体力学与流体机械课是化工、环境工程、生物化工等专业的重要基础
课程。它有完整的教学内容和教学体系。
流体力学与流体机械实验的目的主要是为了验证流体力学与流体机械
的基本理论、加深对课堂教学内容的了解。同时也是对学生进行实验方法、
实验技能的基本训练。培养学生独立组织完成实验的能力、严肃认真的工作
作风，实事求是的科学态度，为将来从事科学研究与解决工程实际问题打好
基础。
(一) 学会提问与回答
1.这套设备或工艺最关键的特征是什么？包含的基本原理是什么?这些
原理如何应用于此？自己是否掌握?
2.能否找到操作的平衡状态、稳定状态，如何达到这些状态及操作的独
立变量有哪些?如何测量控制它们？仪器的检测范围有多大?有没有其它方
式来测量和控制这些变量？误差产生的原因有哪些?误差有多大？如何控制
或减少误差？
3.装置中测量出的参数的真实意义是什么？装置或过程为什么要如此
设计？
4.如果要达到此实验目的有没有其它途径?在设备中完成指定的工艺要
求最佳设计方案是什么?
(二）为了培养学生独立思考的习惯，使学生通过实验提高甩所学技能解
决实际问题的能力，还必须注意以下几方面：
1.认真理解实验的目的、原理，学会为达到实验目的去设计装置来测量
所需数据。
2.深入理解测量参量的物理意义、包括定义、测量时的误差、精度和准
确性。
3.养成仔细观察、详细记录真实实验数据的习惯、并以表格或草图表示
之。
4. 培养组织能力、责任心，创造性思维能力和互助合作精神。
5. 培养处理、分析实验数据的能力、认真撰写工程实验报告的能力，仔
细描述重要的、有学术价值的现象和结果。
(三)实验前应注意的事项
1.认真预习要做的实验内容，弄清实验的目的、基本原理、基本流程、
操作方法，在实验前写出预习报告；
2.认真学习实验室基本守则、安全制度、及预防意外事故发生的措施；
3.做实验时应带好实验讲义、预习报告、原始记录本、计算器、坐标纸；
4.分组实验时应明确个人分工负责的内容，做到互相帮助，密切配合。
(四)实验过程中应注意以下几点：
1.按时进入指定位置，参照实验讲义熟悉本次实验需使用的仪器、装置、
基本流程，使用方法以及需要测定哪些数据。
2.准备工作做好后报告指导老师，经指导老师同意后方可进行试做，认
真读取并记录有关测试数据于相应的表格中，实验结束前应检查实验数
据有无错记或遗漏之处。
3.仔细观察并记录实验中的一些现象，发现异常情况应及时报告报导老
师，切勿擅自动手拆卸修理，若有故障或损坏仪器设备应及时做好现场
记录并报告指导老师。
4.严肃认真、实事求是、一丝不苟是正确完成实验应具备的工作作风，
认真撰写实验报告是提高实验教学质量的重要环节。
二、流体力学与流体机械实验的基础知识
流体力学与流体机械实验包括预习，操作，测定，记录和整理数据，实
验报告编写等环节。各个环节,要求如下:
(一) 对实验前预习的要求
1.认真阅读实验指导书或任务书，复习课程教材及参考书目有关内
容，根据实验的目的要求明确任务，掌握实验依据的原理。
2.到实验室现场熟悉设备装置的结构和流程。
3.明确操作程序与所测参数项目，了解相应所用仪表类型和使用方法
以及参数的调整、实验点的分配。
(二) 实验操作注意事项：
1. 实验设备启动前必须检查：
(1) 泵、风机、压缩机、真空泵等转动及运动的设备，启动前先
盘车检查，看能否正常转动。
(2) 设备、管道上各个阀门的开、闭状态是否合乎流程要求。上
述两点皆为正常时才可合上电闸，使设备运转。
2. 仪器使用前须注意:
(1) 掌握电气仪表的线路联接方法操作步骤。
(2) 看清量程范围，掌握正确的读数方法。
(3) 接通电源前须经指导人员检查。
3. 操作过程中注意分工配合，既要严守自己岗位，又要关心整个实验
的进行。随时观察仪表指标值的变动，保证操作过程在稳定条件下
进行。出现不符合规律现象时及时观察研究，分析其原因，不要轻
易放过。
4. 操作过程中设备及仪表有异常情况时，应立即按停车步骤停车，报
告指导人员，同时自己分析原因供指导人员参考，对问题的处理应
了解其全过程，这是分析问题和处理问题的极好机会。
5. 停车前应先后将有关气源、水源、热源，测试仪表的连通阀门以及
电源关闭，然后切断主设备电机电源，调整各阀门在应处的开或关
位置。
(三)测定、记录和整理实验数据
1.确定要测量哪些数据
凡是对实验结果有关或是整理数据时必需的参数都应一一测定。包
括工作介质性质、操作条件、设备几何尺寸及大气条件等。有些数据是由某一参数导出或根据某一参数由手册查得，就不必直接测定。如流体的粘度、密度可测其温度、压力进行计算或从手册查得。
2.读数与记录
(1)根据实验目的要求，拟定要测取的参数及划好数据表格。
(2)待设备各部份运转正常，操作稳定后才能读取数据。如何判断是否
已达稳定?一般是相邻两次读数相同或十分相近。当变更操作条件
后各项参数达到稳定亦需一定时间，因此也要待其稳定方可读数，
否则易造成实验结果无规律甚至反常。
(3)同一操作条件下，不同参数最好是数人同时读取，若操作者同时兼
读几个数据时，应尽可能动作敏捷。
(4)稳定的同一操作条件下至少读取两次数据，记录后立即进行初步整
理，只有当两次数据相近时才能变更条件做下一点。每次读数都应
与其它有关数据及前一点数据对照、相互关系是否合理?如不合理
应查找原因，是现象反常还是读错了数据，同时在记录上注明。
(5)读取数据必须充分利用仪表的精度、读至仪表最小分度以下一位
数，这下一位数为估计值。如水银温度表最小分度为0.1℃，若水
银柱拾指22.4℃时，应记为22.40℃注意过于多取估计值的位数是
无意义的。
碰到有些参数在读数过程中波动较大，首先要设法减小其波动。在
波动不能完全消除的情况下，可取一次波动的最高点与最低点两个
数据，然后取平均值，在波动不很大时可取一次波动的高、低点之
间的读数来估计中间值。
(6)记录完毕即检查一遍，有无漏记或记错之处，发现问题及时解决。
3. 数据的整理及标绘
(1)原始记录数据只可进行整理，绝不可修改。经判断确系过失误差所
造成的不正确数据可于注明后不计入结果。
(2)同一实验点的几个有波动的数据可先取其平均值，然后进行整理。
(3)采用列表法整理数据清晰明了，便于比较，在表格之后应附计算示
例，以说明各项之间的关系。
(4)运算中尽可能利用常数归纳法。如计算固定管路中不同流速下的Re准数时，
Re=du
其中d、μ、ρ为定植（水温不变或变化甚小时），可归
纳为Re=Aμ，常数A=d 可使计算简捷，减少错误。
(5)实验结果用列表、绘制图线或方程式的形式表达。
三、本课程预习报告和实验报告的写作要求
在做实验之前每一位同学都认真阅读实验指导书，切实弄懂所做实验的原理；详细了解试验装置的流程和操作步骤以及实验过程中的安全注意事项。在预习的基础上认真写好预习报告是十分必要的。一份完整的预习报告应包括以下几项内容：
1.实验名称
2.实验目的
3.实验原理
4.实验装置流程及说明
本课程的预习报告和实验报告组合起来就是一份完整的技术报告，必须十分重视这一环节的训练。实验完成后，必须以严格的科学态度，按指导书、任务书的不同要求认真写好实验报告。实验报告应写得简明扼要、一目了然，数据完整，交待清楚，结论明确，有讨论、有分析、得出的图线或公式有确定的适用条件。一份完整的试验报告应包括以下几项内容：
1. 实验名称，实验日期，报告人班级和姓名，同组实验人，指导教师。
实验地点。
2. 实验的目的和内容。
3. 实验的理论依据(实验原理)。
4. 实验装置的流程示意图和测试点控制点位置，主要设备、仪表的名
称、类型或尺寸。
5. 实验操作和仪表使用的注意事项。
6. 原始记录数据表(数据多时，此表格宜作为附录放在报告的后面)。
7. 整理计算数据表。应包括与最后的实验结论有关的全部数据。若数
据不多，则计算数据表可与原始记录数据表合在一起。
8. 数据整理计算过程举例(列出一组数据的计算过程，作为计算示例)。
9. 实验结论。逐条列出实验结果。
10. 实验结果的分析和讨论。内容有:
(1) 分析误差的大小和原因。
(2) 影响实验的根本因素。
(3) 提高与扩大实验结果的途径。
(4) 实验中异常现象的分析讨论。
(5) 将实验结果与前人和他人的结果对比。说明结果的异同，并解释
这种异同。
(6）本实验结果的推广和应用效果的预测。
(7）提高测量精度和研究水平的设想。
11. 附录:原始记录数据表格，公式推导等。
在以上11项内容中，第1-6项内容应在实验前写出，称预习报告。
第7项以下的内容在实验完成后再接着写。其中第9、第10项是整个报告的主体，是最实质性的内容，应尽力写好，总之，实验报告必须写得简单、明了、确切，并且有实验者个人的见解。
12．实验报告必须注意，原始数据纪录应该完整，详尽，不准随意涂改以保证实验数据能真正反映实验的结果；实验报告的书写应该整洁，切忌糊涂潦草。
实验一 流体流动形态及临界雷诺系数的测定
一、实验目的
研究流体流动的形态，对于化学工程的理论和工程实践都具有决定性的意义。1883年雷诺(Reynolds)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：层流和紊流，以及两种不同型态的转变过程。
本实验的目的，是通过雷诺试验装置，观察流体流动过程的不同流型及其转变过程，测定流型转变时的临界雷诺数。
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数(或雷诺数)，即 Re=du
(l)
式中: d一导管直径，m；
－3 －流体密度，kg·m ；
一流体粘度，Pa ·s ；
u－流体流速，m·s 。
大量实验测得:当雷诺准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，流体流型恒为紊流。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，即可形成紊流。
应当指出，层流与紊流之间并非是突然的转变，而是两者之间相隔一个不稳定过渡区域，因此，临界雷诺数测定值和流型的转变，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
雷诺试验装置主要由稳压溢流槽、试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水槽。稳压溢流水槽的水流经试验导管和流量计，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。水流量由调节阀调节。
－1
图1 雷诺试验装置及流程
1．示踪剂瓶 2．稳压溢流水槽 3．试验导管 4．转子流量计 V01 示踪剂调节阀；V02上水调节阀；V03水流量调节阀V04，V05泄水阀；V06放风阀
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，并排尽贮瓶与针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，保持稳压溢流水糟有一定的溢流量，以保证试验
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型，再精细地调节示踪剂管路阀，使示踪荆(红墨水)的注水流速与试验导管内主体流
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，使水通过试验导管的流速平稳地增
大。直到试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，使水流量平稳地增加。这时，导管内
的流体的流型逐步由层流向紊流过渡。当流量增大到某一数据值后，示踪剂(红墨水)一进入试验导管，立即被分散呈烟雾状，这时标明流体的流型己进入紊流区域。记下水的流量和温度数据以以供计算zzzzzz上临界雷诺数。 这样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
头注入试验导管。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，防止稳压水槽内液面下降或泛滥事故的发生。
(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，调节流量过程切勿操之过急，状态确定稳定之后，再继续调节或记录数据。
五、实验结果整理
(1)实验设备基本参数：
试验导管内径 d＝φ mm
(2)实验数据记录及整理
列出上表中各项的计算公式
六、思考题
(1)影响流动形态的因素有哪些?
(2)如果说可以只用流速来判断管中流动形态，流速低于某一具体数值时是层流，否则就是紊流，你认为这种看法对否?在什么条件下可只由流速的数值来判断流动形态?
实验二 伯努利实验
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以相互转换。当流体在导管内作定常流动时，在导管的各截面之间的各种形式机械能的变化规律，可由机械能衡算基本方程来表达。这些规律对于解决流体流动过程中的管路计算，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试验仪的简单装置，实验现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化现象，并验证机械能衡算方程(伯努利方程)。通过实验，加深对流体流动过程基本原理的理解。
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衡算基准，则对确定的系统即可列出机械能的衡算
方程， gz1
p1
p112
u12gz22u2hf 22
-1
J·Kg (1)
若以单位重量流体为衡算基准时，则又可表达为 z1
p1p1212
u1Z22u2Hf m液柱 (2) g2gg2g
式中:z一－流体的位压头， m液柱
p一－流体的压强,Pa
－1
u－－流体的平均流速，m·s
－3
ρ――流体的密度，kg·m
-1
Σhf－一流动系统内因阻力造成的能量损失，J·kg ΣHf－一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衡算方程，应用于各种具体情况下可作适当简化，例如:
(1)当液体为理想液体时，于是式(1)和(2)可简化为
gz1
p1
p112-1
J·Kg (3) u12gz22u2
22
z1
p1p1212
u1Z22u2 m液柱 (4) g2gg2g
该式即为伯努利方程（Bernoulli）。 (2) 当液体流经的系统为一水平装置的管道时，则（1）和（2） 又可以简化为：
p1
p112
u122u2hf J·Kg-1 (5) 22p112p212
u1u2Hf m液柱 (6) g2gg2g
（3）当流体处于静止状态时，则（1）和（2）又可以简化为
gz1
p1
gz2
p2
（7）
z1
p1p
z22 （8） gg
或者将上式改写为p2p1g(z1z2) (9)
三、实验装置
本实验装置主要由试验导管、稳压溢流水槽和三对测压管所组成。试验
导管为一水平放置的变径圆管，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动压头。
实验装量的流程如图2所示。液体由稳压水槽流入试验导管，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之。
图2 伯努利试验装置流程
1.稳压水槽 2.试验导管 3.出口调节阀 4.静压头测量管 5.动压头测量管
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糟，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。 实验按如下步骤进行:
(1) 关闭试验导管出口调节阀，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) 开启试验导管出口调节阀，观察比较液体在流动情况下的各测试点
的压头变化。
(3) 缓慢开启试验导管的出口调节阀，测量流体在不同流量下的各测试
点的静压头、动压头和损失头。
实验过程中必须注意如下几点，
(1)实验前一定要将试验导管和测压管中的空气泡排除千净，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，或开关试验导管出口调节阀时，一定要
缓慢调节开启程度，并随时注意设备内的变化。
(3)试验过程中需根据测压管量程，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：
试验导臂内径：
dA=φ mm
dB=φ mm dC=φ mm
分系统的总压头，H= mmHgO 2、非流动体系的机械能分布及其转换
(2)验证流体静力学方程
3、流动体系的机械能分布及其转换
(2)验证流体流动的机械能衡算方程
六、思考题
（1）为什麽各测压管液位下降？下降的液位高度代表什麽能？ （2）如何根据测压管量程来确定最小和最大流量？
实验三 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，就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。 本实验的目的，是以实验方法直接测定摩擦系数λ和局部阻力系数ζ. 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衡算方程为
2
u12p2u2
gz1gz2hf J·kg-l (1)
22
p1
或
2p1u12p2u2
z1z2Hf m液柱 (2)
g2gg2g
式中:z一流体的空压头 m液柱·
p一流体的玉强，Pa
-1
u—流体的平均流速,m.s
-l
hf一单位质量流体因流体阻力所趋成的能量损失， 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)水作为试验物系，则水可视为不可压缩流体 (2)试验导管是按水平装置的，则z1=z2
(3)试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
p1p2
J·kg (3)
-l
Hf
p1p2
m水柱 (4) g
大量实验研究表明:摩擦系数λ与流体的密度ρ和粘度μ，管径d,流速
u和管壁粗糙度ε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ε∕d存在函数关系，
即 λ＝ƒ（Re,
） (7) d
通过实验测得λ和Re的数据，可以在双对数坐标纸上标绘出实验
曲线。当Re
局部阻力，所造成的能量损失(压头损失)，有如下一般关系式：
u2-1
hf= J.Kg
2
u2
或 Hf= m 液柱
2g
式中：u――连接管件等的直管中的平均流速。
――局部阻力系数（无因次)。
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
实验装置主要是由循环水系统(或高位稳压水槽)、试验管路系统和高位排气水糟串联组合而成。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5所示。
试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、孔板流量计和阀门,每根试验管测试段长度，即两测压口距离均为0.06m。流程图中标出的符号G和D分别表示上游上游测压口(高压侧)和下游测压口 (低压侧)。测压口位置的配置，以保护上游测压口距U形弯管接口的距离，以及下游测压口距造成局部阻力处的距离，均大于50倍管径。 作为试验用水，用循环水泵或直接用自来水由循环水槽送入试验管路系统，由下而上依次流经各种流体阻力试验管，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. 水在试验管中的流速，通过调节阀加以调节。流量由试验管路中的孔板流量计测量，并由压差计显示读数。
图3 管路流体阻力实验装置流程
1．循环水泵 2．光滑试验管 3．粗糙试验管 4．扩大与缩小试验管 5．孔板流量计 6．阀门 7．转换阀组 8．高位排气水槽 9．倒置U形管水压差计 10．储水池 四、实验方法
实验前准备工作须按如下步骤颇序进行操作:
(1)先将水灌满循环水槽，然后关闭试验导管入口的调节阀，再启动循环水泵。待泵运转正常后，先将试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，然后缓慢开启试验导管的入口调节阀。当水流充满整个试验导管，并在高位排气水槽中有溢流水排出时，关闭调节阀，并停止泵运行。
(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)逐一检查并排除试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，直到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，再缓馒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)先检查试验导管中旋塞是否置于全开位置，其余测压旋塞和试验系统入口调节阀是否全部关闭。检查完毕后启动循环水泵.
(2)待泵运转正常后，根据需要缓慢开启调节阀调节流量，流量大小由孔饭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的压强降。
(4)当需要改换测试部位时，只需将转换阀组由一组旋塞切换至另一组旋塞。例如，将G1和 Dl一组旋塞关闭,打开另一组G2和D2旋塞,这时，压差计与Gl和Dl测压口断开。而与G2和D2测压口接通，压差计显示的读数即为第二支测试管的压强降。以此类推。
(5)改变流量,重复上述操作:测得各试验导管中不同流速下的压强降。 (6)当测定旋塞处在同一流量不同开度的流体阻力时，由于旋塞开度变小，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。 实验注意事项，
(1)实验前务必将系统内存留的气泡排除千净，否则实验不能达到预期效果。
(2)若实验装量放置不用时，尤其是冬季，应将管路系统和水槽内的水排放干净。
五. 实驻数据记录及整理
(1)实验基本参数
试验导管的内径 d= mm 试验导观的测试段长度L= mm
粗糙管的粗糙度ε= mm 粗糙管的相对粗糙度ε/d= 孔板流量计的孔径 d。= mm 孔板系数Co= 旋塞的孔径 d= mm
(2)流量标定曲线
(5)标绘Re—λ实验曲线 六、思考题
(1)为什麽实验数据测定前要赶尽设备和测压管中的空气?怎麽赶?
(2)不同管径、不同水温下测定的Re—λ数据能否关联在同一条曲线上? (3)如果测压口孔边缘有毛刺或安装不正,对静压测量有何影响?
实验四 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输送流体。根据不同使用场合和操作要求来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。离心泵的特性由生产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，进而加深对离心泵的性能和操作原理的理解。 二、实验原理
离心泵主要特性参数有流量、扬程、功率和效率。这些参数不仅表征泵的性能，也是选择和正确使用泵的主要依据。 1.泵的流量
泵的流量即泵的输送流体的能力，是指单位时间内泵所输出的流体体积。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。 即 : Vs=
V3-1
m·s (1) t
或 : Vs=
m3-1
m·s (2) t
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=C0·S0·2gR m·s (3)
3
-1
式中：C0-----孔板流量系数；
2
S0一---孔板的锐孔面积，m ， 2.泵的扬程
泵的扬程即总压头，表示单位重量流体从泵中所获得的机械能
如果以泵的压出管路中装有压力表处为B截面，以吸入管路装有真空表处为A截面，并在此两截面之间列机械能衡算式，则可得出离心泵的扬程He 的计算公式：
22
pBpAuBuA
HH0
g2g
(4)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两截面之间的垂直距离，m；
-1
uA---A截面处的流体流速， m·s
-1
uB---B截面处的流体流速， m·s 3.泵的功率
在单位时间内，流体从泵中实际所获得的功，即为泵的有效功率。若测
3-1-1
得泵的流量为 Vs(m·S)，扬程为He(m)，被输送流体的密度为(Kg·m)，则泵的有效功率可按下式计算：
Ne=VsHeg w (5) 泵轴所作的实际功率不可能全部为被输送流体所获得，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 W (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并不是孤立的，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:H。、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3所示。离心泵特性曲线全面完整地表达了离心泵的操作性能，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Vs、扬程He和有效功率Ne与转速n之间，大致存在如下比例关系:
Vsn ；Hen2 ；Nen
()()3 (8) nHeVsnNen
三、实验装置
实验装置的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。电动机直接连接半敝式叶轮。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4 所示
图5 离心泵实验装置流程图
1.循环水槽 2.底阀 3.离心泵 4.真空表 5.注水槽 6.压力表 7.调节阀 8.孔板流量计9.分流槽 10.电流表 11.调压变压器 12.电压表
13.测量U形管压差计 泵将循环水槽中的水，通过汲入导管汲入泵体，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，其中一路的水可流出用以计量，另一路的水可流回循环水糟。根据实验内容不同可用转向弯臂进行切换。 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。当从透明端盖申观察到泵内已灌满水后，将注水阀门关闭。
(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，即可进行实验。
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糟的回流格拔向排水格同时，用秒
表计取时间，甩容器接取一定水量。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、实骏数据记录及整理 1.基本参数 (1)离心泵
流量:Vs= 扬程:He= 功率,N= 转速:n= (2)管道
吸入导管内径：d= mm 压出导管内径：d= mm
A、B两截面间垂直距离,H。= mm (3)孔板流量计
锐孔直径:do= mm 导臂内径:d1= mm 2.实验数据
实验测得的数据，可参考下表进行记录
3.实验数据整理
(2)用实验数据绘制孔板流量计的流量标定曲线，并求取孔板流量计的孔流系数。
(3)将实验数据整理结果标绘成离心泵的特性曲线。
六、思考题
(1)为什么启动离心泵前要引水灌泵?为什么启动时要关闭出口阀和功率表并关?
(2)随着流量变化，泵的出口压力表及入口真空表读数按什么规律变化，为什么?
(3)正常工作的离心泵，在其进口管上安装阀门是否合理?为什么?