流體流動(dòng)阻力的測定實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、化 工 原 理 實(shí) 驗(yàn)流體流動(dòng)阻力的測定17321001 1120102761 王曉鴿一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握測定流體流經(jīng)直管、管件和閥門時(shí)阻力損失的實(shí)驗(yàn)方法。2. 測定直管摩擦系數(shù)與雷諾準(zhǔn)數(shù)Re的關(guān)系，驗(yàn)證在一般湍流區(qū)與Re的關(guān)系曲線。3. 測定流體流經(jīng)管件、閥門時(shí)的局部阻力系數(shù)。4. 學(xué)會(huì)流量計(jì)和壓差計(jì)的使用方法。5. 識(shí)辨組成管路的各種管件、閥門，并了解其作用。二、實(shí)驗(yàn)原理流體通過由直管、管件（如三通和彎頭等）和閥門等組成的管路系統(tǒng)時(shí)，由于粘性剪應(yīng)力和渦流應(yīng)力的存在，要損失一定的機(jī)械能。流體流經(jīng)直管時(shí)所造成機(jī)械能損失稱為直管阻力損失。流體通過管件、閥門時(shí)因流體運(yùn)動(dòng)方向和速度大小改變所引起的

2、機(jī)械能損失稱為局部阻力損失。1直管阻力摩擦系數(shù)的測定流體在水平等徑直管中穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，阻力損失為：hf=pf=p1-p2=ldu22即，=2dpflu2式中：直管阻力摩擦系數(shù)，無因次；d直管內(nèi)徑，m；pf流體流經(jīng)l米直管的壓力降，Pa；hf單位質(zhì)量流體流經(jīng)l米直管的機(jī)械能損失，J/kg；流體密度，kg/m3；l直管長度，m；u流體在管內(nèi)流動(dòng)的平均流速，m/s。層流流時(shí)，=64Re湍流時(shí)是雷諾準(zhǔn)數(shù)Re和相對粗糙度(/d)的函數(shù)，須由實(shí)驗(yàn)確定。欲測定，需確定l、d，測定pf、u、等參數(shù)。l、d為裝置參數(shù)（裝置參數(shù)表格中給出），、通過測定流體溫度，再查有關(guān)手冊而得，u通過測定流體流量，再由管徑計(jì)算得到

3、。pf可用U型管、倒置U型管、測壓直管等液柱壓差計(jì)測定，或采用差壓變送器和二次儀表顯示。求取Re和后，再將Re和標(biāo)繪在雙對數(shù)坐標(biāo)圖上。2局部阻力系數(shù)的測定局部阻力損失通常有兩種表示方法，即當(dāng)量長度法和阻力系數(shù)法。本實(shí)驗(yàn)采用阻力系數(shù)法。流體通過某一管件或閥門時(shí)的機(jī)械能損失表示為流體在小管徑內(nèi)流動(dòng)時(shí)平均動(dòng)能的某一倍數(shù)，局部阻力的這種計(jì)算方法，稱為阻力系數(shù)法。即：hf'=pf'=u22因此，=2pf'u2式中：局部阻力系數(shù)，無因次；pf'局部阻力壓強(qiáng)降，Pa；（本裝置中，所測得的壓降應(yīng)扣除兩測壓口間直管段的壓降，直管段的壓降由直管阻力實(shí)驗(yàn)結(jié)果求取。）流體密度，kg/m

4、3；u流體在管內(nèi)流動(dòng)的平均流速，m/s。根據(jù)連接閥門兩端管徑d，流體密度0，流體溫度t0 （查流體物性、），及實(shí)驗(yàn)時(shí)測定的流量Q、壓差計(jì)讀數(shù)，求取閥門的局部阻力系數(shù)。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 根據(jù)粗糙管實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在雙對數(shù)坐標(biāo)紙上標(biāo)繪出Re曲線，對照化工原理教材上有關(guān)曲線圖，即可估算出該管的相對粗糙度和絕對粗糙度。2. 根據(jù)光滑管實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對照柏拉修斯方程，計(jì)算其誤差。3. 測定閘閥在不同開度時(shí)的阻力系數(shù)。4. 對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析討論。四、實(shí)驗(yàn)裝置與流程1. 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖流體流動(dòng)阻力測定實(shí)驗(yàn)裝置流程示意圖 1水箱； 2管道泵；3渦輪流量計(jì)；4進(jìn)口閥；5均壓閥；6閘閥；7引壓閥；8壓力變送器；9出口閥；

5、10排水閥；11電氣控制箱2. 實(shí)驗(yàn)流程 實(shí)驗(yàn)對象部分是由貯水箱，離心泵，不同管徑、材質(zhì)的水管，各種閥門、管件，渦輪流量計(jì)和倒U型壓差計(jì)等所組成的。管路部分有三段并聯(lián)的長直管，分別為用于測定局部阻力系數(shù)，光滑管直管阻力系數(shù)和粗糙管直管阻力系數(shù)。測定局部阻力部分使用不銹鋼管，其上裝有待測管件(閘閥)；光滑管直管阻力的測定同樣使用內(nèi)壁光滑的不銹鋼管，而粗糙管直管阻力的測定對象為管道內(nèi)壁較粗糙的鍍鋅管。水的流量使用渦輪流量計(jì)測量，管路和管件的阻力采用差壓變送器將差壓信號(hào)傳遞給無紙記錄儀。3. 設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)測光滑直管段：管徑d=0.020 m，測壓點(diǎn)間距離L=1.00 m，材料為不銹鋼。被測粗糙

6、直管段：管徑d=0.021 m，測壓點(diǎn)間距離L=1.00 m，材料為鍍鋅鐵。被測局部阻力直管段：管徑d=0.020 m, 長度0.95 m。壓差傳感器：型號(hào)為3351DP4E22B3，測量范圍為015 kPa。離心泵：型號(hào)為MS60/37SS，流量為3.6 m3/h，揚(yáng)程為14.6 m，電機(jī)功率為370W，轉(zhuǎn)速2850rpm。渦輪流量計(jì)：型號(hào)為LWGY20。五、實(shí)驗(yàn)步驟1. 檢查儲(chǔ)水槽內(nèi)水位是否正常，若缺水須加水至滿，實(shí)驗(yàn)中注意保持水體清潔。2. 檢查所有閥門并將閥門關(guān)緊。3. 打開總電源和儀表開關(guān)，啟動(dòng)水泵至自動(dòng)檔，待電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)后，把出口閥開到最大。4. 排氣：選擇實(shí)驗(yàn)管路，把對應(yīng)的進(jìn)口閥

7、，引壓閥和差壓變送器8的兩個(gè)閥門打開，并在出口閥最大開度下，保持全流量流動(dòng)5min左右，直至連接差壓變送器的透明管路內(nèi)氣泡為止。5. 關(guān)閉差壓變送器8的兩個(gè)閥門，在計(jì)算機(jī)監(jiān)控界面點(diǎn)擊該對應(yīng)管路，則差壓變送器開始檢測該管路壓差。6. 流量調(diào)節(jié)：手動(dòng)狀態(tài)，調(diào)節(jié)流量，讓流量從15m3/h范圍內(nèi)變化，建議每次實(shí)驗(yàn)變化0.250.3m3/h。每次改變流量，待流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定后，記下對應(yīng)的壓差值，溫度，流量。7. 依次選擇光滑管、粗糙管以及局部阻力管路進(jìn)行測量，數(shù)據(jù)測量完畢，關(guān)閉所有閥門，關(guān)閉水泵和儀表電源。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理1原始數(shù)據(jù)記錄。(1)光滑管數(shù)據(jù)記錄序號(hào)123456789101112流量m3/

8、h5.004.644.313.913.633.232.912.622.322.041.631.23壓差kPa6.956.155.254.453.863.152.602.121.701.340.900.54溫度19.419.519.619.719.719.819.919.919.919.919.919.9(2) 粗糙管數(shù)據(jù)記錄序號(hào)123456789101112流量m3/h4.994.624.303.903.623.212.912.612.302.021.621.22壓差kPa9.608.207.155.805.124.013.302.702.061.641.090.60溫度20.020.019.

9、920.020.120.120.220.220.320.420.520.6(3) 局部阻力測量數(shù)據(jù)記錄類型半開全開序號(hào)1212流量m3/h2.041.242.011.23壓差kPa7.952.971.510.62溫度21.121.221.221.12根據(jù)粗糙管實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在雙對數(shù)坐標(biāo)紙上標(biāo)繪出Re曲線，對照化工原理教材上有關(guān)曲線圖，即可估算出該管的相對粗糙度和絕對粗糙度。經(jīng)計(jì)算知在實(shí)驗(yàn)測量過程中，平均溫度值為20.2，查表后由內(nèi)插法計(jì)算可知在此溫度下，=998.2kg/m3；=1.005×10-3Pas。欲測定，需確定l、d，測定pf、u、等參數(shù)。粗糙管中，管徑d=0.021 m，測壓

10、點(diǎn)間距離l=1.00 m。根據(jù)公式：u=Q900d2，Re=du，=2dpflu2對數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算后有：序號(hào)123456789101112流量m3/h4.994.624.33.93.623.212.912.612.32.021.621.22壓差kPa9.578.27.155.885.084.013.302.662.071.631.070.62u(m/s)4.003.713.453.132.902.572.332.091.841.621.300.98Re8347277283719306523960555536964867843660384743379027099204080.02510.02510.

11、02530.02530.02540.02550.02550.02550.02560.02610.02670.0272lnRe11.33211.25511.18311.08611.01110.89110.79310.68410.55810.42810.2079.924ln-3.683-3.684-3.677-3.677-3.675-3.671-3.669-3.667-3.665-3.645-3.624-3.603Re4000 ，因此判斷在管內(nèi)流體流動(dòng)方式為湍流。做出Re曲線如下圖所示，根據(jù)教材有關(guān)圖線，查表知相對粗糙度/d=0.002，可計(jì)算得絕對粗糙度=0.042mm。另外，從圖線可以看出，隨

12、Re的不斷增大，逐漸減小。摩擦系數(shù)Re曲線3. 根據(jù)光滑管實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對照柏拉修斯方程，計(jì)算其誤差。經(jīng)計(jì)算知在實(shí)驗(yàn)測量過程中，平均溫度值為19.8，查表后由內(nèi)插法計(jì)算可知在此溫度下，=998.2kg/m3；=1.005×10-3Pas。對數(shù)據(jù)進(jìn)行與粗糙管相同方法的計(jì)算，并根據(jù)Blasius方程計(jì)算在Re條件下的理論值，計(jì)算實(shí)驗(yàn)值與理論值的相對誤差（相對誤差公式為 理論值-實(shí)驗(yàn)值理論值×100%）。計(jì)算結(jié)果如下表所示：序號(hào)123456789101112流量m3/h5.004.644.313.913.633.232.912.622.322.041.631.23壓差kPa6.956

13、.155.254.453.863.152.602.121.701.340.900.54u(m/s)4.013.723.463.142.912.592.332.101.861.641.310.99Re8363977617720976540660722540314867843827388093412527266205750.01820.01870.01850.01900.01920.01980.02010.02020.02070.02110.02220.0233lnRe11.33411.26011.18611.08811.01410.89710.79310.68810.56610.43810.21

14、39.932ln-4.007-3.980-3.991-3.961-3.955-3.925-3.908-3.902-3.879-3.860-3.809-3.757理論0.01860.01900.01930.01980.02020.02080.02130.02190.02250.02330.02460.0264相對誤差2.25%1.42%4.25%3.76%4.92%4.82%5.71%7.61%8.34%9.52%10.00%11.62%分別對實(shí)驗(yàn)值和理論值做Re曲線如下圖所示讀圖可知，受某些因素影響，本次實(shí)驗(yàn)測得的摩擦系數(shù)比理論值偏小，但實(shí)驗(yàn)值與理論值都隨Re的增大而逐漸減小。另外，通過數(shù)據(jù)也

15、可看出，隨Re的增大，相對誤差逐漸減小。4. 閘閥在不同開度時(shí)的阻力系數(shù)。在實(shí)驗(yàn)條件下，平均溫度為21，查表后由內(nèi)插法得=998.4kg/m3。對于一段管路來說，其總阻力損失應(yīng)為直管的摩擦阻力損失與管件的局部阻力之和。計(jì)算式為：hf'=ld+u22=pf'，因此=2pf'u2-ld其中，由光滑管測量數(shù)據(jù)可知，流量為2.04m3/h時(shí)，其=0.0211；流量為1.23m3/h時(shí)，其=0.0233；u=Q900d2。分別帶入上述公式，可得到在不同開度下閥門的局部阻力系數(shù)如下表所示類型半開全開序號(hào)1212流量Q(m3/h)2.041.242.011.23壓差kPa7.952.

16、971.510.62u(m/s)1.640.991.610.994.954.910.160.17計(jì)算得半開時(shí)，閥門的局部阻力系數(shù)平均值為4.93，全開時(shí)為0.16。查教材表可知，閘閥在半開時(shí)的局部阻力系數(shù)理論值為4.5，全開時(shí)為0.17。因此半開時(shí)的相對誤差為9.56%，全開時(shí)的相對誤差為5.88%。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果評價(jià)與分析1. 在粗糙管實(shí)驗(yàn)中，測得的數(shù)據(jù)及曲線趨勢與理論曲線比較吻合，但求出的相對粗糙度（0.042mm）小于教材附表中查得同種材質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)絕對粗糙度（0.1-0.2mm），分析其原因可能是：（1）所用粗糙管在長期使用后粗糙度降低。（2）測量過程中所測壓差值小于實(shí)際值，或流量的測定偏小

17、，導(dǎo)致值偏小。（3）所使用的水已經(jīng)在蓄水池中存放多時(shí)，且并不純凈，不能保證其粘度、密度等參數(shù)與理想狀態(tài)相同。2. 由光滑管的誤差計(jì)算可以看出，隨Re的增大，相對誤差逐漸減小。說明隨流體流速的增加，其他因素的影響逐漸變小，測得的摩擦系數(shù)越來越接近于理論值。 3由局部阻力系數(shù)的測定結(jié)果可知，流體流速的變化對相同開度的閘閥下測得的局部阻力系數(shù)影響不大。從而可知局部阻力系數(shù)在實(shí)驗(yàn)條件變化下變化較小。 4實(shí)驗(yàn)中的誤差分析：（1）調(diào)解儀器狀態(tài)時(shí)儀器無法處于完全穩(wěn)定的狀態(tài)，讀數(shù)不準(zhǔn)確。（2）在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，由于流動(dòng)過程本身有一定的脈動(dòng)性，壓差不能保持穩(wěn)定，有上下波動(dòng)的情況，壓差計(jì)的數(shù)據(jù)不斷變化，讀取的數(shù)據(jù)是一個(gè)范圍內(nèi)的平均值，不穩(wěn)定，影響結(jié)果。（3）在實(shí)驗(yàn)過程中，由于液體流動(dòng)和管壁有摩擦，會(huì)產(chǎn)生熱量導(dǎo)致溫度變化，且該變化在管道中各部也不完全相同，屬分布參數(shù)，而溫度變送器僅檢測所在點(diǎn)溫度，不具有完全代表性。而我們在數(shù)據(jù)處理時(shí)，僅能取溫度平均值來查相關(guān)參數(shù)，造成一定誤差。七、思考題1. 以水為工作流體所測得-Re關(guān)系能否適用于其他種類的牛頓型流體？請說明原因。答：不能。因?yàn)槠渌ｎD型流體的物理性質(zhì)，如密度、粘度等與水不同，而、Re與密度、粘度等都有關(guān)，所以不能適用于其