实验一流体流动阻力的测定

化学实验教学中心实验报告实验名称：流体流动阻力的测定学生姓名：学号：院（系）：年级：级班指导教师：研究生助教：实验日期：2017.05.26交报告日期：2017.06.02化学测量与计算实验Ⅱ1一、实验目的1.学习直管摩擦阻力∆𝑃𝑓、直管摩擦系数λ的测定方法；2.掌握直管摩擦阻力系数λ与雷诺数𝑅𝑒和相对粗糙度之间的关系及其变化规律；3.掌握局部阻力的测量方法；4.学习压强差的几种测量方法和技巧；5.掌握坐标系的选用方法和对数坐标系的使用方法。二、实验原理化工管路是由直管和各种管阀件组合构成的，流体通过管内流动必定存在阻力。因此，在进行管路设计和流体机械造型时，阻力大小是一个十分重要的参数。流体流经直管时所造成机械能损失称为直管阻力损失。流体通过管件、阀门时因流体运动方向和速度大小改变所引起的机械能损失称为局部阻力损失。1.直管摩擦阻力系数𝛌与雷诺数𝑹𝒆的测定流体在管道内流动时，由于流体的粘性作用和涡流的影响会产生阻力。流体在直管内流动阻力的大小与管长、管径、流体流速和管道摩擦系数有关，对水平等径管道，它们之间存在如下关系：𝐻𝑓=Δ𝑃𝑓𝜌g=λ𝑙𝑑𝑢22g（1-1）λ=2𝑑𝜌𝑙∙Δ𝑃𝑓𝑢2=2𝑑g𝐻𝑓𝑙𝑢2（1-2）Re=𝑑𝑢𝜌𝜇（1-3）式中，𝐻𝑓为直管阻力引起的压头损失，𝑚；𝑑为管径，𝑚；Δ𝑃𝑓为直管阻力引起的压强降，Pa；𝑙为管长，𝑚；𝑢为流速，m/s；𝜌为流体密度，kg/𝑚3；𝜇为流体的粘度，Pa∙s。直管摩擦阻力系数λ与雷诺数𝑅𝑒之间的关系，一般可以用曲线来表示。在实验装置中，直管段长度𝑙与管径𝑑都已经固定。若水温一定，则水的密度𝜌和粘度𝜇也是定值。所以本实验实质上是测定直管段流体阻力引起的压强降Δ𝑃𝑓与流速𝑢（流量V）之间的关系。根据实验数据以及式（1-2）可以计算出不同流速下的直管摩擦系数λ，用式（1-3）计算对应的𝑅𝑒，从而整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系，绘出两者的关系曲线。2.局部阻力系数𝛏的确定𝐻𝑓′=∆𝑃𝑓′𝜌g=ξ∙𝑢22g（1-4）ξ=(2𝜌)∙∆𝑃𝑓′𝑢2（1-5）式中，∆𝑃𝑓′为局部阻力引起的压强降，Pa；ξ为局部阻力系数，无因次；𝐻𝑓′为局部阻力引起的压头损失，𝑚。图1-1局部阻力测量压口布置图2局部阻力引起的压强降∆𝑃𝑓′，可用下面的方法测量：在一条各处直径相等的直管段上，安装待测局部阻力的阀门，在其上、下游开两对测压a−a′和b−b′，使ab=bc，a’b’=b’c’，则∆Pf，ab=∆Pf，bc，∆Pf，a’b’=∆Pf，b’c’。在a−a′之间列伯努利方程式：Pa−Pa’=2∆Pf，ab+2∆Pf，a’b’+∆𝑃𝑓′（1-6）在b−b′之间列伯努利方程式：Pb−Pb’=∆Pf，bc+∆Pf，b’c’+∆𝑃𝑓′=∆Pf，ab+∆Pf，a’b’+∆𝑃𝑓′（1-7）联立式（1-6）和（1-7），则有∆Pf’=2(Pb−Pb’)−2(Pa−Pa’)为了实验方便，称Pb−Pb’为近点压差，称Pa−Pa’为远点压差，用差压传感器来测量。三、实验装置与设备主要参数1.流量测量：由转子流量计测量2.直管段压强降的测量：差压变送器或倒置U形管直接测取压差值。3.设备主要参数：光滑管直径（mm）8.0光滑管取压口间距（mm）1725.0粗糙管直径（mm）10.0粗糙管取压口间距（mm）1734.0局部阻力管直径（mm）16.0文丘里流量计喉管内径（mm）20.0离心泵进出口取压口间距（mm）320.0涡轮流量计仪表系数（次/升）774.设备流程图1.水箱；2.水泵；3.入口真空表；4.出口压力表；5、16.缓冲罐；6、14.测局部阻力近端阀；7、15.测局部阻力远端阀；8、17.粗糙管测压阀；9、21.光滑管测压阀；10.局部阻力阀；11.文丘里流量计；12.压力传感器；13.涡流流量计；18.阀门；20.粗糙管阀；22.小流量计；23.大流量计；24.阀门；25.水箱放水阀；26.倒U型管放空阀；27.倒U型管；28、30.倒U型管排水阀；29、31.倒U型管平衡阀图1-2流体综合设备流程图3四、实验方法1.按下电源的绿色按钮，通电预热数字显示仪表，记录差压数字表初始值，关闭调节流量阀，按一下变频器的启动按钮，启动离心泵。2.针对某一测试对象选择对应的流向导通阀，逆时针全开。3.在进行阻力测点之前，应先检查导压系统内有无气泡存在。当流量为0时，打开a、a′两阀门，若空气-水倒置U形管内两液柱的高度差不为0，则说明系统内有气泡存在，需赶净气泡方可测取数据。赶气泡的方法：将流量调至较大，排出导管内的气泡，直至排净为止；关闭a、a′两阀门，慢慢旋开倒置U型管上部的放空阀，打开b、b′两阀门，使液柱降至零点上下时马上关闭，使管内形成气-水柱，此时管内液柱高度差为零。4.测取数据顺序可从小流量到大流量，反之也可以，一般测15组数据。小流量时用倒U型管压差计测量，大流量时用差压数字表测量。在进行光滑管和粗糙管阻力测定时，流量在50L/h之内不少于4个点，以便得到滞留状态下λ−𝑅𝑒的关系。测定球阀局部阻力时，将球阀置于半开，在不同流量下测定近点压差和相应远点压差。在可用倒U型管测压差时，尽量不用差压数字表测压差。5.待数据测量完毕，关闭流量调节阀，核实差压数字表初始值，切断电源。五、注意事项1.应当在流量调节阀关闭的情况下启动泵，以及从光滑管阻力测量转到其它测量之前，都必须检查所有流量调节阀是否关闭。每次测定数据，须等流动稳定后方可读数。2.测数据时，必须关闭所有的平衡阀，并且在用差压数字表时，必须关闭倒U型管的阀门，防止形成并联管路。六、实验数据记录与处理1.将实验数据和数据整理结果列在表格中，并以其中一组数据为例写出计算过程。（1）数据列表（见下一页）表Ⅰ：光滑管和粗糙管摩擦阻力系数λ与雷诺数𝑅𝑒的数据计算列表表Ⅱ：局部阻力系数ξ的数据计算列表4表Ⅰ序号测量值计算值水流量L/h∆𝑃𝑓流速λRemmH2OkPam/s（无因次）（无因次）光滑管132200.1960.1770.05811577236240.2350.1990.05511774340280.2740.2210.05211971444310.3860.2430.06082168548390.3810.2650.05042365652480.4690.2880.0528256375658.50.5720.3100.0555276086063.50.6210.3320.05252957964740.7240.3540.053831541068830.8120.3760.053433511172930.9100.3980.0534354812761031.0070.4200.0531374513801121.0950.4420.0521394214841241.2130.4640.0523414015881351.3200.4870.05194337水温为25℃，𝜌水=997.05kg/m3，𝜇水=8.949×10−4Pa·s粗糙管132364048525660646872768084889290.0880.1130.063512622120.1170.1270.066914193140.1370.1420.063315774150.1470.1700.047118925170.1660.1840.045420506190.1860.1980.043822077210.2050.2120.042223658220.2150.2260.03882523926.50.2590.2410.0414268110300.2930.2550.0418283811330.3230.2690.041329961236.50.3570.2830.041231541338.50.3770.2970.0394331214410.4010.3110.0383346915440.4300.3260.03763627平均水温为25℃，𝜌水=997.05kg/m3，𝜇水=8.949×10−4Pa·s，5表Ⅱ测量值计算值水流量L/h左液面高度右液面高度压头损失H𝑓∆𝑃𝑓′流速局部阻力系数ζcmcmcmkPam/s（无因次）半开32-1.60-1.000.600.05860.044260.1736-1.70-0.800.900.08790.049771.3840-1.80-0.701.100.10750.055370.5148-1.95-0.601.350.13190.066360.1952-2.05-0.501.550.15150.071858.9456-2.15-0.401.750.17100.077457.2660-2.30-0.302.000.19540.082957.0364-2.40-0.202.200.21500.088455.1968-2.500.002.500.24430.093955.5872-2.600.102.700.26380.099553.4576-2.700.202.900.28340.105051.5680-2.800.303.100.30290.110549.7684-2.950.453.400.33220.116149.4488-3.100.603.700.36150.121649.0492-3.401.104.500.43970.127154.60平均水温为25℃，𝜌水=997.05kg/m3，局部阻力系数ζ的平均值为56.94（2）计算过程Ⅰ.直管摩擦系数𝛌的测定（以第1组数据为例）：水温25℃为定性温度，查得𝜌水=997.05kg/m3，𝜇水=8.949×10−4Pa·s，20mm水柱的压强为∆𝑃𝑓=𝜌水𝑔h=997.05×9.8×0.021000kPa=0.196kPa水流速𝑢=𝑞𝑣𝐴=0.0236003.14×0.0042m·s−1=0.177m·s−1然后即可求得直管摩擦系数λ和雷诺数Re：λ=2𝑑∆𝑃𝑓𝜌𝑙𝑢2=2×0.008×78997.05×1.725×0.1772=0.0581Re=𝑑𝑢𝜌𝜇=0.008×0.177×997.058.949×10−4=15776Ⅱ.局部阻力系数𝛇的测定（以半开的第1组数据为例）：以水温25℃为定性温度，查得𝜌水=997.05kg/m3局部阻力引起的压强降：Δ𝑃𝑓′=2Δ𝑃近−𝛥𝑃远=𝜌水gh=997.05×9.8×0.006=0.0586kPa水流速：𝑢=𝑞𝑣𝐴=0.03236003.14×0.0082m·s−1=0.0442m·s−1即可求得局部阻力系数：ζ=2𝛥𝑃𝑓′𝜌𝑢2=2×58.6997.05×0.04422=60.172.在合适的坐标系上标绘光滑直管和粗糙直管𝛌−𝑹𝒆曲线，估计相对粗糙度。光滑管：由于我们组测试的15个点的流量都较小，使得雷诺数都较小，基本小于4000，所以流体流动的形态主要是滞留和过渡态，湍流区只有三个点。根据图线我们可以得到光滑管的摩擦阻力系数λ与雷诺数Re的关系。(1)Re＜2000左右，λ与Re成线性关系。此时λ与管壁的粗糙度无关。(2)2000＜Re＜4000，流动形态处于过渡区。(3)Re＞4000，流动形态处于湍流区。经与《化学工程》P48上图2-28对比，估计光滑管的相对粗糙度ε=0.008粗糙管：由于我们组测试的15个点的流量都较小，使得雷诺数都较小，都小于4000，粗糙管无法估计相对粗糙度ε。七、实验误差分析：由λ−𝑅𝑒曲线图以及数据的处理结果可以显然看出，实验测量结果与理论结果有着误差，下面对可能引起实验误差的原因进行分析：1.调节流量的时候难以调节到准确值，导致实际流量与目标流量有差别，导致了实验误差。2.实验过程中出现了少量气泡，导致误差比较大。/通用格式/通用格式/通用格