流体流动阻力实验的改进与提高

流体流动阻力实验的改进与提高2010级应化1班李茜201092064085摘要:流体流动阻力的测定实验是整个化工原理实验中非常重要的一项,该文针对目前所开设的流体流动阻力实验内容较为单一的情况,提出了增加实验内容的设想,并给出了可增加的实验内容。关键词:流动阻力;管壁粗糙度;改进方法ImprovementonthefluidflowresistanceexperimentAbstract:ExperimentoffluidflowresistancemeasurementisanimportantexperimentinthewholePrincipleofChemicalEngineeringExperimentscourse.Becausethecurrentexperimentalcontentsarerelativelysimple,theideaofaddingmoreexperimentalcontentsisproposedandtheaddingcontentsarelistedinthepaper.Keywords:flowresistance;canal-wallroughness;improvementmethod化工原理课程是化工类及其相关专业的基础课,是相关专业学生建立基本的工程概念的最重要的课程之一[1]。化工原理课程在教学中起着从基础理论课过渡到工程实际的桥梁作用[2],用自然科学的基本原理分析和处理化工生产中的动量、热量和质量传递问题。流体的流动是各个单元操作中普遍涉及的现象[3-5],而流体通过化工管路中必存在阻力,因此流体流动阻力的测定实验是整个化工原理实验中非常重要的一项。目前开设的该实验都是通过改变流体的流速测出不同的摩擦阻力(包括直管阻力和局部阻力),确定摩擦系数与流体Re的关系,以及计算出在闸阀全开时的局部阻力系数。但事实上流体在湍流时,除流体的粘性作用外,还包括管壁粗糙度的影响。同样局部阻力系数不仅受流体流动状态如流速的影响,闸阀的开度对其也有很大影响。本文设想在现有的实验装置下,增加两个内容,一是在流体为湍流时,改变流体的流速测出不同的摩擦阻力,得到摩擦系数与雷诺数Re的关系,然后通过经验公式推算出管道的粗糙度。二是改变闸阀的开度,算出局部阻力系数,从而让学生更深入的了解影响流体流动直管阻力和局部阻力的各种因素.1实验原理流体在管内流动时,由于粘性剪应力和涡流的存在,不可避免地要消耗一定的机械能,这种机械能的消耗包括流体流经直管的沿程阻力和因流体在通过管件、阀门等局部障碍时,流体运动方向和速度突然改变时引起的局部阻力。影响阻力损失的因素很多,层流时,流体流动主要靠克服流动粘性作用的内摩擦力,当流体Re2000时,利用计算直管压降的哈根)泊谡叶公式及直管阻力公式整理得K=64/Re,即层流时摩擦阻力系数K与管壁粗糙度无关,仅为雷诺数的函数。湍流时,除流体的粘性作用外,还包括涡流及管壁粗糙度的影响,流体流速及阀门开度对局部阻力的影响。目前我院该实验装置设有两组不同管壁粗糙度的管路,学生实验时,通过改变流体的流速测出不同流速下流体流经实验直管管路段压差,然后由范宁公式计算出摩擦阻力系数,按公式计算出雷诺数Re,通过在双对数坐标纸上绘制K与Re的关系曲线确定摩擦系数与流体Re的关系,然后将由不同管路测得的数据进行对比,从而了解在湍流时管壁粗糙度对摩擦阻力系数K的影响。本文通过实验验证,发现在流体为湍流时通过改变流体的流速测出不同的摩擦阻力,确定摩擦系数与Re的关系,最后通过经验公式能推算出管道的粗糙度。2实验装置实验装置如图1所示主要由高位槽,不同管径、材质的管子,各种阀门和管件、转子流量计等组成。第一根为不锈钢光滑管,第二根为镀锌铁管(粗糙管),分别用于光滑管和粗糙管湍流流体流动阻力的测定,第三根为不锈钢管,装有待测闸阀,用于局部阻力的测定。本实验的介质为水,经实验装置后的水通过地下管道流入水池。水流量采用装在测试装置尾部的转子流量计测量,直管段和闸阀的阻力分别用各自的倒U形差压计或1151差压传感器和数显表测得[6-7]。图1流体流动阻力测定实验装置图1.进水阀2、3、5.球阀4.闸阀6.流量调节阀7、8、9、10、11.光滑管12.粗糙管13.不锈钢管14.倒U形差压计(3个)15.1151差压传感器16.转子流量计17.仪表箱18.Pt100温度传感器19.温度计20.均压环21.测压导管3实验数据分析方法及处理公式3.1直管阻力系数的测定流体在水平等径圆管中稳定流动时,阻力损失表现为流体势能的降低。由此式可知,对于通常的管路,无论是直管阻力或是局部阻力,也不论是层流或是湍流,阻力损失均主要表现为流体势能的降低,即式中:hf)单位质量流体流经直管时产生的流动阻力p1,p2)流体分别在截面1,2处的压强。流体在直管内流动时由于流动阻力而产生的压降;流体密度;流体在管内流动的平均流速;截面1,2中心至基准平面的垂直距离;重力加速度。根据因次分析,影响阻力损失的因素有:流体的性质和粘度μ;管路的管径d、管长l和管壁粗糙度ε;流速u。可表示为:$p=f(d,l,μ,ρ,u,ε)式中:摩擦系数;d-直管内径;l-直管长度;流体粘度;管壁粗糙度。(2)湍流时的摩擦系数流体在直管中作湍流流动时摩擦系数即湍流时摩擦系数是Re和相对粗糙度的函数[8]。经验公式层流时,由于摩擦系数仅是雷诺数Re的函数,与管壁相对粗糙度无关,因此可由实验得到的数据通过公式:K=64/Re直接计算。湍流时,由于流体质点的不规则迁移、脉动和碰撞,使流体质点间的动量变换非常剧烈,产生了湍流应力,所以湍流流动中的总摩擦应力包括由粘性产生的内摩擦应力和湍流应力,因此总摩擦应力也与流体的涡流粘度有关。而涡流粘度不是流体的物理性质,其值不仅与流体的物性有关,还与其流动状况有关。由于流体在湍流时的流动状况复杂,目前还不能完全依靠理论导出一个表示涡流粘度的关系式,因此就不能像层流那样,完全用理论分析方法建立求算湍流时摩擦系数的公式[8]。摩擦系数是Re和相对粗糙度Ed的函数,只能通过实验研究,文献7介绍了一个简单的经验公式:由表1实验数据,根据经验公式计算所得到的(平均)=0.048(mm),而由莫狄摩擦因数图所查到的=0.049(mm),两值接近,证明测出不同的摩擦阻力,并计算出Re,如表2所示,通过验计算公式推算出管道粗糙度的方法是可行的3.2局部阻力系数的测定在湍流情况下,为克服局部阻力所引起的能量损失,是一个复杂的问题,而且管件种类繁多,规格不一,难于精确计算。通常采用阻力系数法或当量长度法。我院目前开设的实验采用的是阻力系数法。即流体通过某一管件或阀门时的阻力损失用流体在管路中的动能系数来表示式中:局部阻力;局部阻力系数阻力系数受流体在管内的流速影响,而阀门的开度是影响流速的因素之一[9]。即由上述局部阻力计算公式知,局部阻力系数与流量成反比关系。而由流体力学可知,在理想情况下,流量仅随阀门开度变化而变化,通过阀门的流量与阀门开度成正相关,即阀门通道越小,相对开度越小,相对流量越小,因此局部阻力系数与阀门的开度也呈反比关系,即开度越小,阻力系数越大。这种变化规律只能通过实验得出,在相关文献中查到[7]。由文献7可查到,闸阀在全开状态时的阻力系数为6.0,在半开状态时为9.5,阀门的开度对阻力系数的影响很大。但目前我院开设的实验内容仅为测定阀门在全开时的阻力系数,即实验在固定阀门为全开状态时,通过改变若干次流量,测定流体在流经阀门前后不同的压差,可以通过计算出局部阻力系数,但这样的实验内容,学生只能了解到在一定阀开度下,流量改变对局部阻力系数的影响,而无法了解阀门开度改变对局部阻力系数的影响,因此可以在现有的/流体流动阻力测定实验0中增加不同阀全开、1/2和1/4三个开度,在不同开度时测定相同流量下流体在流经阀门前后的压差,并计算局部阻力系数,从而使学生能更好的了解阀门的开度对阻力系数的影响4结论在现有的”流体流动阻力测定实验”中增加由实验测出的不同摩擦阻力,通过经验公式推算管道数二项内容,不仅方法可行,而且能丰富实验内容,让学生通过实验更好的了解和验证影响直管阻力和局部阻力的各种因素,巩固理论知识[10]。参考文献(References):[1]王会君,袁中凯.化工原理实验教学改革与实践[J].实验室科学,2005(6):20-21.[2]范明霞,龙毅.提高化工原理实验教学质量浅探[J].实验室科学,2008(6):44-45.[3]王丽华,夏雪伟.干燥速率曲线测定实验设备改进的一点设想[J].实验室科学,2009(1):177-178.[4]王会君,袁中凯.化工原理实验装置的设计与实践[J].实验室科学,2006(1):46-47.[5]陈广美.提高化工原理实验教学质量的思考[J].科技创新导报,2009(27):211-212.[6]王丽华.化工原理实验(补充讲义)[M].苏州:苏州大学,2007.[7]谭天恩,麦本熙,丁惠华.化工原理(上册)第二版[M].北京:化学工业出版社,1990.[8]夏清,陈常贵.化工原理(上册)修订版[M].天津:天津大学出版社,2005.[9]史贤林.化工原理实验[M].上海:华东理工大学出版社,2005.[10]冯晖,居沈贵,夏毅.化工原理实验[M].南京:东南大学出版社,2003.收稿日期:2013-04-30修改日期:2010-04-30作者简介:李茜(化学化工学院2010级应化1班)