文丘里流量计实验

1、文丘里流量计实验(新) 一、实验目的和要求、1、掌握文丘里流量计的原理。2、学习用比压计测压差和用体积法测流量的实验技能。3、利用量测到的收缩前后两断面1-1和2-2的测管水头差，根据理论公式计算管道流量，并与实测流量进行比较，从而对理论流量进行修正，得到流量计的流量系数，即对文丘里流量计作出率定。 一、实验装置1. 仪器装置简图图一 文丘里流量计实验装置图1. 自循环供水器 2. 实验台 3. 可控硅无级调速器 4. 恒压水箱5. 溢流板 6. 稳水孔板 7. 文丘里实验管段 8. 测压计气阀9. 测压计 10. 滑尺 11. 多管压差计 12. 实验流量调节阀说明 1. 在文丘里流量计7的

2、两个测量断面上, 分别有4个测压孔与相应的均压环连通, 经均压环均压后的断面压强，由气水多管压差计9测量, 也可用电测仪测量。2. 功能(1) 训练使用文丘里管测量管道流量和采用气水多管压差计测量压差的技术;(2) 率定流量计的流量系数m, 供分析m与雷诺数Re的相关性;(3) 可供实验分析文氏流量计的局部真空度, 以分析研究文氏空化管产生的水力条件与构造条件及其他多项定性、定量实验。3. 技术特性(1) 由可控硅无级调速器控制供水流量的自循环台式装置实验仪;(2) 恒压供水箱、文丘里管及实验管道采用丘明有机玻璃精制而成。文丘里管测压断面上设有多个测压点和均压环;(3) 配有由有机玻璃测压管精

3、制而成的气水多管压差计, 扩充了测压计实验内容;(4) 为扩充现代量测技术, 配有压差电测仪, 测量精度为0.01;(5) 供电电源: 220V、50HZ; 耗电功率:100W;(6) 流量: 供水流量0300ml/s, 实验管道过流量0200ml/s;(7) 实验仪专用实验台: 长×宽=150cm×55cm 。二、安装使用说明:1. 安装 仪器拆箱以后, 按图检查各个部件是否完好, 并按装置图所示安装实验仪, 各测点与测压计各测管一一对应,并用连通管联接, 调速器及电源插座可固定在实验台侧壁或图示位置, 调速器及电源插座位置必须高于供水器顶;2. 通电试验 加水前先接上2

4、20V交流市电, 顺时针方向打开调速器旋钮, 若水泵启动自如, 调速灵活, 即为正常。请注意, 调速器旋钮逆时针转至关机前的临界位置, 水泵转速最快, 即出水流量最大;3. 加水(1) 供水器内加水 加水前,需先把供水器及水箱等擦干净, 水质要求为洁净软水, 经过滤净化更佳,若水的硬度过大, 最好采用蒸馏水。加水量以使水位刚接近自循环供水器与回水管接口为宜，并检查供水器是否漏水。(2) 多管压差计内加水 做实验之前需对多管压差计内加水, 先打开气阀8, 在测管2、3内注水至h2h3 » 24.5cm, 并检查测压计管1与管2、管3与管4之间是否连通, 再检查管2、3之间底部，若有气泡

5、, 也需排除。4. 排气 开启水泵供水, 待水箱溢流后, 来回开关实验流量调节阀数次, 待实验管道内无气泡后, 关闭调节阀, 松开气阀8, 调节调速器3使测压计读数h1h4 » 28.5cm, 并抖动连通软管, 将连通管内气泡排出后, 拧紧气阀8。若配有文丘里电测仪, 还需对连接电测仪传感器端的连通管进行排气和调压筒注水，方法是在上述状态下松开调压筒顶部气阀, 待筒内充水2/3后拧紧, 再松开传感器上气阀排气, 待气阀处无气泡、连续出水、连通管内无气泡后，拧紧气阀，即可。排气后关闭阀门、气阀, 检查水箱、实验管道、测压计及各接口处密封状况, 应无漏水, 且稳定后, 测压计上读数h1h

6、2h3h4 £ 2mm(毛细高度), 不然需查明故障原因(如连通管受阻、破损、夹气泡、漏气等);5. 采用文丘里电测仪测压差,； 图1.2 电测仪及连接示意图 1、压力传感器；2、排气旋钮；3、连通管；4、主机。6、稳压筒 为了简化排气，并防止实验中再进气，在传感器前连接由2只充水（不顶满）之密封立筒构成。7、电测仪 由压力传感器和主机两部分组成。经由连通管将其接入测点（图1.2）。压差读数（以厘米水柱为单位）通过主机显示。6. 保养、维修 (1) 仪器保养 a. 做完实验后, 请松开测压计底座螺栓, 排尽测压计各测管内积水, (若用电测仪, 还需排尽调压筒内积水), 以防结垢粘污;

7、 b. 仪器切勿置于阳光照射之下; c. 不使用时, 请加防尘罩, 以防尘埃; d. 学期末实验结束时, 须排尽储水系统中的水, 并拔下连通软管的一个端头，排净积水; e. 北方寒冷地区, 冬季需做好防寒工作, 以防水冻结损坏仪器。(2) 仪器维修a. 测点接头损坏或渗漏, 可更换不锈钢针咀处密封软塑管;b. 若实验管道断裂, 将断裂处对接上, 并在外面套一有机玻璃套箍固定, 用氯仿粘结即可恢复原样; 若断裂在螺旋处, 在原管道上截去一管段，并取等长度带螺纹有机玻璃管替换, 再用上述方法修复;c. 若水箱、实验管道、漏斗等有机玻璃胶结处有脱胶现象, 待脱胶处干燥后用氯仿粘合, 过510分钟后即

8、可正常使用;d. 若测压计各测管底部不锈钢细管处发生松动、渗漏, 将测压架倒置, 待干燥后,在渗漏、松动处滴上502胶合剂, 数分钟后即可正常使用;e. 若测压计(调压筒、传感器)等各气阀、螺栓处有渗水、漏气现象, 在气阀、螺栓上换上新橡皮圈即可;f. 供水器线路如图二所示, 供水发生故障, 一般检修方法如下: 先接通220V交流市电, 短接B、C两点, 若水泵不转, 而A、B二点电压正常(为220V), 则表明水泵坏, 需更换之; 若水泵转动正常, 则表明是调速器损坏, 需更换调速器; 换下来的调速器一般经检修后可再用, 例如更换可控硅(6A, 双向)或其他已损坏的元器件即可; 做完实验后,

9、 必须检查调速器有否关闭, 切勿将其调至最小流量处, 否则, 长时间易损坏调速器。 图二 供水器供电线路简图三、教学指导1. 设计思想根据能量方程, 在有压管路中，如果有可以引起(静)压强变化的局部管件, 则局部管件该处的(静)压强的改变与流量之间(对一定管径而言)存在着一定关系, 运用这种关系, 只要测得局部管件的压强变化值, 便可算出流量。文丘里管就是这种类型的管件, 它由光滑的渐缩段、喉道及渐扩段三部分组成(如图三所示), 在收缩段进口断面与喉道处分别安装一根测压管(或是连接两处的水银压差计)。 文丘里管测流量。这种方法在十九世纪末即已提出。由于文丘里管能量损失小、对水流干扰较少和使用方

10、便等优点, 在生产上及实验室中均被广泛采用。因此, 作为一名工科专业的学生, 有必要熟知文丘里管流量计的结构及其使用方法。图三 文丘里管结构图然而, 传统的文丘里管实验仪器, 在设计选材方面存在一定缺陷: 其一, 设计结构偏大, 供水、量水设备庞大复杂; 其二, 往往采用铜等金属材料来制作, 由于金属材料不丘明性, 无法让学生看清文丘里管的内部结构; 其三, 测压孔内表面难以处理, 常影响实验精度; 其四,采用高位水箱供水, 引水供多组实验共用, 造成实验组间互相干扰。鉴于以上原因, 我们对原有文丘里实验仪器在结构选材上进行了重新设计与改造。在材料方面, 一改原有的金属材料, 为丘明的有机玻璃

11、, 使其内部结构可视化,且便于测点光滑处理; 将其结构进行缩小, 采用独立自循环供水系统, 布置在专用实验台上, 恒压水箱提供稳压水头, 并在测压断面上设有多个测压点和均压环, 从而降低了因制作误差对实验的影响, 提高了实验精度; 同时, 可方便地用体积法或重量法测量流量, 这比以往的实验仪器更能满足实验教学要求, 经过多年来的不断完善、改进, 现已在国内众多高等院校中广泛使用。2. 实验原理我们知道, 如果能求得任一断面的流速v, 然后乘以面积A, 即可求得流量Q¢。如图三所示, 对于文丘里管前断面及喉管处, 处于该两处面积分别为A1、A2只要测得该两处流速v ,便可测得流量Q&#

12、162;。为此, 我们可根据能量方程式和连续性方程式对该两断面立方程求解。取管轴线为基准, 并且不计阻力作用时 (1) 即 (2)由式(1)、(2)可解得 因此 Q (3) (4)(3)、(4)式中：Dh为两断面测压管水头差; k为文丘里流量计常数, 对给定管径是常数。然而，由于阻力的存在, 实际通过的流量Q恒小于实验所测得的流量Q。今引入一个无量纲系数m = Q / Q(m 称为流量系数), 对计算所得流量值进行修正。即 (5)另由静水力学基本方程可得气水多管压差计的Dh 为 Dh = h1h2h3h4在做本实验时, 通过实验测得流量Q及水头差Dh , 据此, 我们便可以测得此时文丘里管的流

13、量系数 m 3. 实验内容定量分析实验请参考实验报告解答。以下仅介绍定性分析实验，测定文丘里管内真空度。实验时, 将电测仪传感器低压端用连通管通过三通连接于文丘里管喉颈处, 电测仪传感器高压(即带红点)端接通大气。待实验管道及连通管内的空气排净后, 在恒定水位下关闭阀门, 使流量为零, 此时对电测仪调零。调零后，开启阀门，调节流量, 这时电测仪读数即相应流量下管内真空度(喉颈处允许最大真空值分析，请参看成果分析)。4. 成果分析(1) 本实验中, 影响文丘里管流量系数大小的因素分析。由式： 可见本实验(水为流体)的m值大小与Q、d1、d2、Dh有关。其中d1、d2影响最敏感。如实验的文氏管d1

14、=1.4cm, d2=0.71cm, 通常在切削加工中d1比d2测量方便, 容易掌握好精度, d2不易测量准确, 从而不可避免的要引起实验误差。例如实验最大流量时 m 值为0.976, 若d2的误差为0.01cm, 那么 m 值将变为1.006, 显然不合理。(2) 验证气水多管压差计的关系: 图四如图四所示： hhh ，h2h3h4 因为 所以 (3) 应用量纲分析法, 阐明文丘里流量计的水力特性。运用量纲分析法得到文丘里流量计的流量表达式, 然后结合实验成果, 便可进一步搞清流量计的量测特性。对于平置文丘里管,影响u1的因素有: 文氏管进口直径d1、喉径d2、流体的密度r、动力粘滞系数 m

15、 及两个断面间的压强差Dp。根据p定理有: f(u2、d1、d、p、m、Dp)=0 (6)从中选取三个基本量, 分别为: 共有6个物理量, 有3个基本物理量, 可得3个无量纲p数, 分别为: 根据量纲和谐原理, p1的量纲式为 分别有 L: 1 = a1b13c1 T: 0 = b1 M: 0 = c1 联解得: a1=1， b1=0， c1=0 则同理可解得： 将各p值代入式(6)得无量纲方程为： 或写成 、=、进而可得流量表达式为 、Re1) (7)式(7)与不计损失时理论推导得到的 (8)相似。为计及损失对流量的影响, 实际流量在式(3)中引入流量系数mQ计算, 变为 (9)比较(7)、

16、(9)两式可知, 流量系数与Re一定有关, 又因为式(9)中 d2/d1的函数关系并不一定代表了式(7)中函数f3所应有的关系, 故应通过实验搞清与Re、d2/d1的相关性。通过以上分析, 明确了对文丘里流量计流量系数的研究途径, 只要搞清它与Re及d2/d1的关系就行了。由本实验所得在紊流过渡区的 Re关系曲线(d2/d1为常数), 可知 随Re的增大而增大, 因恒有m<1, 故若使实验Re增大, mQ 将渐趋向于某一小于1的常数。另外, 根据已有的很多实验资料分析, 与d1/d2也有关, 不同的d1/d2值, 可以得到不同的Re关系曲线, 文丘里管通常使d1/d2=2。所以实用上,

17、对特定的文丘里管均需实验率定Re的关系, 或者查用相同管径比时的经验曲线，以及实用上较适宜于被测管道中的雷诺数Re>2×105, 使值接近于常数0.98。流量系数的上述关系, 也正反映了文丘里流量计的水力特性。(4) 文丘里管构造、布置要求。丘过有机玻璃, 我们可以清晰观察到文丘里管的内部结构(如图三), 该种结构对水流干扰小, 能量损失少, 流量系数大。文丘里管的设计布置要求为：一在构造上,要求管径比 d2/d1在0.250.75之间, 通常采用d2/d1=0.5；二其扩散部分的扩散角a2也不宜太大, 一般以5°7°为宜; 三在布置上,要求文丘里管上游10

18、倍管径d1, 下游6倍管径d1的距离以内, 均不得有其他管件, 以免水流产生漩涡而影响其流量系数。(5) 分析文丘里管的最大作用水头。文丘里管喉颈处容易产生真空,允许最大真空度为67mH2O。工程上应用文丘里管时, 应检验其最大真空度是否在允许范围之内。如图五分别以水箱液面文丘里管、喉颈、出水管口为11，22，33断面, 以轴线高程为基准, 以本室1#文丘里实验仪为例, 出水口低于轴线h= 10cm, 当水箱液面高于管轴线H0 = 28 cm时, 测得其最大流量为156.91cm3/s, 喉颈处最大真空度60.5 cm。图五 则立11, 33断面能量方程。 (10)立22, 33断面能量方程： (11) 解得: ； 。所以当22断面真空度达7m时，其值代入(10)、(11)式可测算出水箱水位高于管轴线5米左右。也就是说，当水箱内水位高于管线5m以上，则该文丘里管喉颈处的真空度将超过7m，超出其真空度允许范围。四、实验方法