“化工原理實(shí)驗(yàn)”作為化工原理課程的重要組成部分,它不僅加深了學(xué)生對(duì)化工原理基礎(chǔ)理論的理解及強(qiáng)化了動(dòng)手能力，還通過(guò)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生掌握實(shí)際工程問(wèn)題的研究方法，提高解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。而流體流動(dòng)規(guī)律作為化工原理的重要基礎(chǔ)，也是實(shí)際單元操作中zui常見(jiàn)的部分，無(wú)庸置疑成為化工專(zhuān)業(yè)學(xué)生必須掌握的知識(shí)。目前，“化工原理實(shí)驗(yàn)”主要用2 套不同裝置來(lái)完成流體實(shí)驗(yàn)，即流體阻力測(cè)定和離心栗特性曲線(xiàn)測(cè)定。實(shí)驗(yàn)功能單一，流程相似而重復(fù)。為了滿(mǎn)足擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)范圍，加深實(shí)驗(yàn)深度的需要，依據(jù)教學(xué)要求及2 套裝置的共性及，在原有裝置的基礎(chǔ)上做了一系列改進(jìn)。
使原有裝置不僅可以完成“流體阻力測(cè)定”和“離心栗特性曲線(xiàn)測(cè)定”，還增添了“流量計(jì)系數(shù)校正”實(shí)驗(yàn)。這三個(gè)實(shí)驗(yàn)均屬流體力學(xué)范疇,將三個(gè)實(shí)驗(yàn)合三為一，不僅節(jié)省了實(shí)驗(yàn)室占地空間與設(shè)備經(jīng)費(fèi)，而且使學(xué)生對(duì)流體力學(xué)中管路、流量計(jì)、栗之間的更加了解，對(duì)系統(tǒng)的掌握流體力學(xué)的知識(shí)有積極的幫助作用。
1、實(shí)驗(yàn)裝置及流程
這套多功能流體實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)以水作為物料，集成了多個(gè)流體力學(xué)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，即流體阻力實(shí)驗(yàn)，包括直管（光滑管、粗糙管）阻力的測(cè)定，閥門(mén)（球閥、閘閥）、突然擴(kuò)大局部阻力的測(cè)定；孔板流量計(jì)校正實(shí)驗(yàn);離心泵特性曲線(xiàn)測(cè)定;管路特
性曲線(xiàn)測(cè)定等。裝置長(zhǎng)、寬、高總體尺寸為2000mmλ500mm×2000mm。直管測(cè)量段長(zhǎng)度為0.835m ，光滑管內(nèi)徑為20mm，粗糙管直徑為17mm;局部阻力測(cè)定的截止閥為DN12、突擴(kuò)管為16/41mm。孔板流量計(jì)的小孔直徑為13mm。栗型號(hào)為T(mén)YPEY2-80Mt- 2 ，吸人管直徑20mm，壓出管直徑20mm，兩測(cè)壓點(diǎn)間高度差為0.28m。

圖1多功能流體實(shí)驗(yàn)裝置圖
1.1管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
該裝置每套設(shè)備各設(shè)計(jì)一套獨(dú)立的管路系統(tǒng),兩套設(shè)備之間有管路相連。管路全部采用內(nèi)徑為20mm的不銹鋼管（測(cè)量段特殊的管路除外），用卡套式接頭相連接。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可通過(guò)各種閥門(mén)的控制,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的轉(zhuǎn)換和選擇。做離心栗特性曲線(xiàn)實(shí)驗(yàn)時(shí)，兩臺(tái)獨(dú)立的栗可根據(jù)需要通過(guò)調(diào)整閥門(mén)開(kāi)關(guān)做并聯(lián)連接。
1.2 測(cè)試項(xiàng)目的轉(zhuǎn)換
由于集成了較多測(cè)量項(xiàng)目，若項(xiàng)目間轉(zhuǎn)換方法設(shè)計(jì)不當(dāng)，將使整個(gè)管路系統(tǒng)復(fù)雜、繁瑣，不易操作。
該裝置設(shè)計(jì)思路清晰,在局部阻力測(cè)定實(shí)驗(yàn)中利用一個(gè)緩沖罐來(lái)實(shí)現(xiàn)各管路方便快捷的切換。緩沖罐與每個(gè)測(cè)壓點(diǎn)用塑料管相連，且有閥門(mén)控制開(kāi)關(guān)。
測(cè)量前將被測(cè)管路與緩沖罐聯(lián)通,其他管路關(guān)閉，利用緩沖罐進(jìn)行排氣，使待測(cè)管路內(nèi)充滿(mǎn)液體后，聯(lián)通到U型壓差計(jì)進(jìn)行測(cè)量。
2、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理
2.1 直管阻力測(cè)定實(shí)驗(yàn)
不同流量下的直管阻力測(cè)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 直管阻力測(cè)定原始數(shù)據(jù)表
根據(jù)表1得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到雷諾數(shù)Re與摩擦系數(shù)λ值見(jiàn)表2 。

表2 直管阻力測(cè)定數(shù)據(jù)處理結(jié)果
依據(jù)表2得出的結(jié)果，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上做摩擦系數(shù)λ與雷諾數(shù)Re的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖2 所示。
 

圖2 摩擦系數(shù)λ與雷諾數(shù)Re的關(guān)系曲線(xiàn)

由圖2可知，當(dāng)流體在湍流區(qū)流動(dòng)時(shí)（Re>2000時(shí)），摩擦系數(shù)λ會(huì)隨著雷諾數(shù)Re的增大而減小，當(dāng)雷諾數(shù)Re繼續(xù)增大時(shí)，摩擦系數(shù)λ逐漸趨于平緩,趨近于某一個(gè)極限值，其值不再隨雷諾數(shù)Re的變化而改變。該值僅取決于相對(duì)粗糙度s/d。λ-Re曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)基本符合在湍流區(qū)直管內(nèi)摩擦系數(shù)λ隨雷諾數(shù)Re變化的規(guī)律。
2.2 離心泵的特性曲線(xiàn)測(cè)定實(shí)驗(yàn)
不同轉(zhuǎn)速下離心栗的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。
固定離心栗轉(zhuǎn)速在1050r/min下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4 。
由表3得到的相關(guān)數(shù)據(jù),計(jì)算出離心栗在不同轉(zhuǎn)速下的揚(yáng)程H和流量Q的關(guān)系，即管路的特性曲線(xiàn)。由表4得到的相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算出離心泵在1050r/min轉(zhuǎn)速下?lián)P程H和流量Q的關(guān)系，即離心泵的特性曲線(xiàn)。并在直角坐標(biāo)系上繪制出兩條曲線(xiàn)，如圖3 所示。

表3 不同轉(zhuǎn)速下泵性能測(cè)定原始數(shù)據(jù)表

表4 固定轉(zhuǎn)速下泵性能測(cè)定原始數(shù)據(jù)表

圖3 離心泵揚(yáng)程H與流量Q的關(guān)系曲線(xiàn)
如圖3所示，離心栗的特性曲線(xiàn)是反映該栗的揚(yáng)程與流量間的關(guān)系。離心栗的揚(yáng)程H隨流量Q的增大而逐漸下降。當(dāng)離心栗轉(zhuǎn)速一定的情況下,在特定的管路中輸送液體時(shí)，管路所需要的壓頭H會(huì)隨液體流量Q的平方而變化。將此關(guān)系標(biāo)在相應(yīng)坐標(biāo)圖中，即是圖3的管路特性曲線(xiàn)。此線(xiàn)表示特定管路中，于固定操作條件下，流體流經(jīng)該管路時(shí)所需要的壓頭與流量的關(guān)系。此線(xiàn)的形狀由管路布局與操作條件來(lái)確定，與栗性能無(wú)關(guān)。將離心泵特性曲線(xiàn)與其所在管路特性曲線(xiàn)繪于同一坐標(biāo)圖上,兩線(xiàn)的交點(diǎn)為栗在該管路上的工作點(diǎn)。該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的流量和壓頭既能滿(mǎn)足管路系統(tǒng)的要求，又能滿(mǎn)足泵的要求。而在實(shí)際工作中，由于生產(chǎn)任務(wù)的變化和輸送任務(wù)的要求，常常需要改變泵的工作點(diǎn)。一種方法是改變泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)質(zhì)上就是改變泵的特性曲線(xiàn)，這種方法雖然減少了動(dòng)力的消耗，從能量消耗來(lái)看比較合理,但是難以做到流量的連續(xù)調(diào)節(jié)，生產(chǎn)中較少采用。而一般常采用調(diào)節(jié)管路上的閥門(mén)，即改變管路特性曲線(xiàn)的方法調(diào)節(jié)流量,這種方法操作更為簡(jiǎn)便,使流量可以連續(xù)變化，更適合化工連續(xù)生產(chǎn)的特點(diǎn)。
2.3 孔板流量計(jì)系數(shù)校正實(shí)驗(yàn)
不同流量下測(cè)量孔板流量計(jì)的壓差值見(jiàn)表5 。

表5 孔板流量計(jì)校正原始數(shù)據(jù)表
由表5得到的相關(guān)數(shù)據(jù),計(jì)算出孔板流量計(jì)的流量系數(shù)Co和雷諾數(shù)Re ,見(jiàn)表6 。依據(jù)Re 和Ao/A1,的數(shù)值，提供的孔板流量計(jì)的Co與Re、Ao/A1的關(guān)系曲線(xiàn)。查得Co=0.78,與實(shí)驗(yàn)
所得基本一致。

表6 孔板流量計(jì)校正原始數(shù)據(jù)處理結(jié)果