流体阻力实验

中国地质大学实验报告课程名称：化工原理实验实验日期：2014.10.30班级：031123姓名：黄婉同组人：刘惠静、吴祖明、谭畅、胡方波装置：流体阻力实验装置流体阻力测定一．摘要本实验使用循环水，用流体阻力实验装置测定了水流经镀锌直管摩擦阻力系数λ和截止阀管道局部阻力系数ξ，验证了摩擦阻力系数λ是雷诺数Re和相对粗糙度的函数，并绘制出λ-Re-ε/d关系曲线。关键词:摩擦阻力系数雷诺数相对粗糙度二．实验目的1.掌握测定流体阻力的方法及测定镀锌直管摩擦阻力系数λ和截止阀的局部摩擦阻力系数ξ。2.学会使用计算机分析和处理数据。3.认识组成管路系统的各部件，并了解其作用。三．实验内容1.测定流体在镀锌直管中流动时的阻力摩擦系数与雷诺数的关系，确定两者之间的关系。2.测定流体通过截止阀时的局部阻力系数。四．实验原理流体管路是由直管、管件（三通、弯头等）、阀门等部件组成。流体在管路中流动时，由于粘性剪应力和涡流的作用，不可避免地要消耗一定的机械能，流体在直管中消耗的机械能损失称为直管阻力；流体通过阀门、管件等部件时，因流体流动方向或流体截面的突然改变所导致的机械能损失称为局部阻力。在化工过程设计中，流体流动阻力的测定或计算，对于确定流体运输所需要的最小推动力的大小，例如泵的功率、液位或压差，选择适当的运输条件起到重要的作用。1.直管阻力流体在水平均匀管道中稳定流动是，由截面1流动至截面2的阻力损失表现为压力的降低，即ppphf21①由于分子的流动过程的运动机理十分复杂，引起阻力损失的因素很多，目前仍不能用理论方法来解决流体阻力的运算问题，必须通过实验研究来掌握其规律。为了减少实验的工作量，化简工作难度，并使实验的结果具有普遍的应用意义，固采用因此分析法来规划实验。影响流体阻力的工程因素归纳为以下三类变量：（1）流体性质：密度，粘度（2）管路集合尺寸：管径d，管长l，管壁粗糙度（3）流动条件：流速u可将阻力损失hf与诸多变量之间的关系表示为uldfp,,,,,②根据因此分析法，将上式转换为无因次准数之间的关系式ddludp,,③其中Reud为雷诺准数（Reynoldsnumber），是表征流体流动形态影响的无因次准数；dl是表示相对长度的无因次几何准数；d为管壁相对粗糙度。将③改写为2Re,2udldp④引入dRe,⑤则22udlphf⑥上式为计算直管阻力的公式，其中称为直管阻力摩擦系数。直管段两端使用水银U型压差计来测量压差，则OHHgRgp2⑦R为U型管两侧液注的高度差。由式⑤可知，无论何种流体，直管摩擦系数仅与Re和有关。因此，只要在实验室的小规模装置上，利用水作实验物系，进行有限量的实验，就可以确定与Re和d的关系，即可以由⑥式计算任一流体在管路中的流动阻力损失，可见因此分析法的重要性。2.局部阻力局部阻力通常以当量长度法或局部阻力系数法表示。d当量长度法：流体通过阀门或管件的局部阻力损失，若与流体流过一定长度的相同管径的直管阻力相当，则称这一直管长度为管件或阀门的当量长度，用符号el表示。在管路计算时，可求出管路与阀门的当量长度之和el。如所计算的管路长度为l，则流体在管路中流动的总阻力损失为22udllhef⑧局部阻力系数：流体通过某一件阀门或管件的阻力损失用流体在管路中的动能系数来表示，这种计算局部阻力的方法，称为阻力系数法，即22uphe一般情况下，由于管件和阀门的材料及加工精度不完全相同，每一制造厂及每一批产品的阻力系数是不尽相同的。五．实验流程图六．实验步骤（1）开泵。打开各管路的切换阀门，关闭流量调节阀，按变频仪上绿色按钮启动泵。（2）排气。打开流量调节阀数十秒钟后再关闭，这时流量为零，等待一段时间，观察压差传感器指示读数是否为零（允许有误差），否则，要重新排气。（3）实验测取数据。打开镀锌管管路的切换阀和测压管线上的切换阀，其余管路的切换阀和测压管线上的切换阀都关闭。流量由大到小，测取数据。（4）测量截止阀数据。方法同上。（5）所有实验完成后，关闭阀门，停泵，切断电源，整理实验数据，清理实验台。七.原始实验数据及处理结果(一）.湍流镀锌钢管阻力实验序号流量（m3/h)压降（kPa）水温度（℃）雷诺数摩擦阻力系数100.1523.90020.680.4523.511732.290.05230.820.5523.514147.760.04441.110.8723.519151.240.03851.351.1223.523292.040.03362.102.4023.536232.070.02972.874.2323.549517.170.02783.606.5423.562112.130.02794.329.2123.674532.760.026105.1012.6723.687990.070.026115.8316.2623.7100585.030.026126.5320.4623.8112662.130.026137.3025.3924.2125946.950.026(二）.截止阀实验数据序号流量（m3/h)压降（kPa）水温度（℃）局部阻力系数ξ100.0524.3022.0112.8824.39.8033.2734.1424.49.8144.1354.4524.59.8154.9979.4724.69.81(三）.计算过程①湍流镀锌钢管阻力实验L=1.5m、d=22.00mm、∆Pqv=0=0.15kPa湍流阻力实验以镀锌钢管第二组数据为例，t水=23.5℃，查得ρ=997.4kg/m3μ=9.358×104Pa.s⑴雷诺数流速u=436002dqv=2022.0785.0360068.0=0.50m/s雷诺数Re=ud=410358.950.04.997022.0=11732.29⑵摩擦阻力系数λ摩擦阻力系数λ=pd2=250.05.14.997022.04502=0.052②局部阻力系数ξd=21.00mm、∆Pqv=0=0.05kPa截止阀实验以第二组数据为例t水=24.3，ρ=997.4kg/m3流速u=436002dqv=2021.0785.0360001.2=1.62m/s局部阻力系数ξ=22up=262.14.997128802=9.80八．实验结果做图及分析由图知，粗糙管的摩擦阻力系数均随雷诺数的增大而减小，当雷诺数增加到一定值后，摩擦阻力系数改变的程度减缓，当雷诺数增加到60000以上时，摩擦阻力系数基本不变。九．思考题1.在测量前为什么要把设备中的空气排尽？怎么才能快速排尽？答：设备中的空气会影响流体的流动，并且对压力的差值产生影响。启动离心泵用大流量水循环把残留在系统内的空气带走。压力值表接近0时可以判断空气排尽。2.在不同设备（包括相对粗糙度相同而管径不同）、不同温度下测定的λ-Re数据能否关联在一条曲线上？答：相对粗糙度相同时能关联在一条曲线上，否则不能3.以水为工作流体所测得λ−Re关系能否适用于其他种类的牛顿型流体？请说明原因。答：不能。因为其他牛顿型流体的物理性质，如密度、粘度等与水不同，而λ、Re与密度、粘度等都有关，所以不能适用于其他流体。4.测出的直管摩擦阻力与直管的放置状态有关吗？请说明原因。附图答：三种情况下的管径和管长是相同的，根据伯努利方程推出直管摩擦阻力hf=∆pfρ，而R1=R2=R3因此测出的直管摩擦阻力与设备的放置状态无关。5.如果要增加雷诺数的范围，可采取哪些措施?可知，要增加雷诺数的范围可以增大管径和流体流速，设备一定时，选用大密度或小粘度的流体；流体一定时，增大管径，二者均可通过调节流体流速得到较大范围雷诺数的状态6.若要实现计算机在线测控，应如何选用测试传感器和仪表答：本实验要求测量的值有压差，水温，和流量。使用计算机在线控制同样需要这三个数据，所以选用传感器和仪表需要选用能得到这三个数据的传感器和仪表。使用压力传感器可以得到压差值，温度传感器可以得到水温的温度，涡轮流量计可以得到水通过时的流量，所以选择上述三个传感器和仪表。