流体力学综合实验流体流动阻力测定

-1-实验报告课程名称：过程工程原理实验（甲）I指导老师：成绩：_________________实验名称：流体力学综合实验——流体流动阻力测定实验类型：___同组学生姓名：一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得一、实验目的和要求⑴掌握测定流体流经直管、管件（阀门）时阻力损失的一般实验方法。⑵测定直管摩擦系数λ与雷诺准数Re的关系，验证在一般湍流区内λ与Re的关系曲线。⑶测定流体流经管件（阀门）时的局部阻力系数ξ。⑷识辨组成管路的各种管件、阀门，并了解其作用。二、实验装置与流程实验对象部分由贮水箱，离心泵，不同材质的水管，各种阀门、管件，流量计和压差计等所组成。通过两条并联长直管分别测定光滑和粗糙管的直管阻力系数。同时在粗糙管直管和光滑管直管上分别装有闸阀和截止阀，用于测定不同种类阀门的局部阻力系数。实验装置如图1所示，装置参数如表1所示。图1装置流程示意图专业：姓名：学号：日期：地点：-2-表1装置参数表名称材质管内径/mm测量段长度/mm光滑管不锈钢管211000粗糙管镀锌铁管221000光滑管局部阻力截止阀21660粗糙管局部阻力闸阀22680三、基本原理流体通过由直管、阀门等组成的管路系统时，由于粘性应力和涡流应力的存在，要损失一定的机械能。流体流经直管所造成的机械能损失称为直管阻力损失，流体通过阀门等引起的机械能损失称为局部阻力损失。⑴直管阻力摩擦系数λ的测定流体在水平等径直管中稳定流动时，阻力损失为：2122ffpppluhd⑴即22fdplu⑵Redu⑶采用涡轮流量计测流量V2900Vud⑷用压差传感器测量流体流经直管的压力降fp。根据实验装置结构参数l、d，流体温度T（查流体物性ρ、μ），及实验时测定的流量V、压力降Δpf，求取Re和λ，再将Re和λ标绘在双对数坐标图上。⑵局部阻力系数ζ的测定流体通过某一管件或阀门时的机械能损失表示为流体在小管径内流动时平均动能的某一倍数，这种计算方法称为阻力系数法。即：'2'2ffpuhgg⑸故'22fpu⑹根据连接管件或阀门两端管径中小管的直径d，流体温度T（查流体物性ρ、μ），及实验时测定的流量V、压力降Δpf’，通过式⑸或⑹，求取管件（阀门）的局部阻力系数ζ。四、实验步骤⑴打开仪表柜总电源、仪表电源。首先对水泵进行灌水，然后关闭出口阀、灌泵口，启动水泵电机，待电机转动平稳后，把泵的出口阀缓缓开到最大。⑵全开流量调节阀，依次打开各个压差传感器的引压管阀门对压差传感器进行排气，完成后关闭排-3-气阀门，使压差传感器处于测量状态。⑶缓慢调节流量调节阀，让流量从最大值到1m3/h的范围内变化，并且让流量按等比变化。每次改变流量，待流动达到稳定后，分别记下流量值、直管压差和阀门压差。⑷实验结束，关闭泵出口阀，停止水泵电机，关闭电源开关。注意：本实验的流量调节阀安装在管路出口处，是因为流体流动时有位能升高的过程，若将阀门安在泵出口处，则当流量过小、流速过小时，流体在低位能处即损失大量机械能，可能没有足够的机械能走完管路，并且可能会混入空气。五、实验数据记录及处理1.装置参数装置号：3名称管内径（mm）直管测量段长度（mm）局部阻力测量段长度（mm）光滑管211000660粗糙管2210006802.数据处理水温t=30.7℃，查表得：ρ=995.7kg/；μ=0.801Pa·s；取流量V大于1m3/h的数据组进行计算，结果见表2，表3：表2光滑管实验数据处理序号流量V/(m3/h)直管压差△pf1/kPa含阀门直管压差/△pf2/kPa截止阀压/Δpf'/kPa平均流速u/(m/s)雷诺数Re直管阻力摩擦系数λ局部阻力系数ξ15.218.0795.0089.674.181090740.0195010.3224.175.4062.1558.593.34873010.0203710.5233.313.4439.5037.232.65692970.0205910.6142.642.3126.4024.882.12552700.0217411.1552.081.4016.4515.531.67435460.0212211.2161.700.9511.3110.681.36355900.0215611.5471.360.587.737.351.09284720.0205712.4181.100.345.445.220.88230290.0184313.46表3粗糙管实验数据处理序号流量V/(m3/h)直管压差△pf1/kPa含阀门直管压差/△pf2/kPa闸阀压差/Δpf'/kPa平均流速u/(m/s)雷诺数Re直管阻力摩擦系数λ局部阻力系数ξ15.1624.9824.987.994.141080270.061530.9424.1320.2624.8611.083.31864640.077902.0333.2712.8615.706.962.62684590.078872.0342.638.549.563.752.11550600.080971.6952.045.215.702.161.64427090.082101.6261.703.573.841.411.36355900.081011.5371.352.022.070.701.08282630.072691.1981.111.251.210.360.89232380.066530.91-4-计算示例（取光滑管第一组）：223322'21'325.21u4.18(/)9009000.021995.74.180.0211090740.80110220.0218.07100.01950995.714.1810.66095.008.0789.67()12289.6710995.7efffffVmsdudRdplulpppkPalpu210.324.18六、实验结果与分析⑴根据光滑管、粗糙管实验结果，在双对数坐标上分别标绘出λ~Re曲线得图2图2λ-Re图对照Moody图，估算得到：光滑管：相对粗糙度ε/d=0.0002，绝对粗糙度ε=0.0002*21mm=0.0042mm粗糙管：相对粗糙度ε/d=0.02，绝对粗糙度ε=0.02*22mm=0.44mm光滑管截止阀ξ=11.4；粗糙管闸阀ξ=1.49。⑵分析：由上图可以看出，本实验所绘制的λ~Re图与课本的Moody图差别较大，原因除了操作不当外，还可能是当流速过低时，压力传感器的测量值偏小，导致较小的数据的偏移也会产生很大的相对误差，因此分析时应把Re过小的点舍去。对于光滑管来说，当流体流过光滑管时，因为管的粗糙峰很小，粗糙峰都处在湍流的层流底层之下，故ε/d对流动阻力不产生任何影响，这时λ只是Re的函数，那么，光滑管的图像应与课本里的Moody图完全一致，然而上图并没有这个趋势，原因可能是实验所选用的光滑管本身光滑度就不是很好，在实验过程中由于操作不精细也会引入误差，因此其粗糙度不可忽略。0.015000.030000.060002000080000λRe粗糙管光滑管-5-对于粗糙管，流体在管内湍流流动时，Re、ε/d对流动阻力均有影响，且随着Re的增大，ε/d对λ的影响越来越重要，相反，Re的影响却越来越弱。这是因为，ε/d一定时，Re越大，则暴露在湍流主体区的粗糙峰就越多，ε/d对λ的影响就越大；当Re增大到一定程度后，几乎所有的粗糙峰都暴露在湍流主体区内，此时流动进入了阻力平方区，该区域的曲线趋近于水平线。这时粗糙管的摩擦损失hf∝u2。查看图表可知，实验结果与理论基本上吻合，在曲线的中部斜率逐渐趋于水平。但是粗糙管中第一组的数据（即最后一个点）算出的λ和ξ偏小，导致曲线趋势出现较大偏差。猜测原因是一开始流量较大压差不稳定，并且第一个数据没有在停留足够长时间使示数稳定后才读数，导致压差计读数有偏差，从而造成λ和ξ偏小。工程实验的实验结果受实际情况的影响较大。误差主要有下面几个方面：（1）水含有杂质。由于实验装置已经重复使用多次，而贮水箱里面的水却没有及时更换，导致水中杂质很多，影响水的密度和粘度，影响实验结果的计算。（2）装置中的光滑管和粗糙管无法做到真正水平，使流体水平流动时有位能的损失，也会导致实验结果的偏离。（3）在读取仪表显示器数据时，由于数值不断波动且长时间不能稳定，难以确定具体数值，尤其在流量小压力小的情况下误差更大。（4）实验所用管道内壁经过流体长时间的腐蚀可能会生锈等，使管径不准确，造成实验误差。（5）流体流动时与管内壁发生摩擦会产生热量，使流体温度升高，改变了流体的密度和粘度，而实验数据处理时是将实验过程始末流体温度的平均值当做流体恒定温度，这样也就引入了误差。七、思考题⑴在对装置做排气工作时，是否一定要关闭流程尾部的出口阀？为什么？答：对装置做排气工作时，先打开流程尾部的出口阀，使流体进入大流量的稳定流动，这时再关闭流程尾部的出口阀，就可以使管中产生较大的压力，从而让管路中中的气体排出，否则排气不充分会影响实验结果的稳定性和准确性。⑵如何检测管路中的空气已经被排除干净？答：对于整条管路，当观察到管路的出口水流均匀，无突突声，则可以判断空气已排尽。对压差计，先检查连接软管以及传感器的出口管中有没有气泡，若没有，关闭流量调节阀使水流停止，看压差计的读数是否为零，如果为零，则说明气体已经排空。然而事实上，由于实验装置本身的误差，即使空气已经排除干净，压差也不一定为0，此时要记录下压差数值，在数据处理时将此数值作为零点计算。⑶以水作介质所测得的λ~Re关系能否适用于其他流体？如何应用？答：能适用于其他流体，Re是无因次准数，其数值已经包括流体的密度、粘度等性质，对水及其他流体都适用，处理时只要计算出相应的雷诺数即可。⑷在不同设备上（包括不同管径），不同水温下测定的λ~Re数据能否关联在同一条曲线上？答：不同设备上，只要规定一定的相对粗糙度ε/d，就可以将不同的水温下测定的λ~Re数据关联在同一曲线上。