化工原理實驗報告

摘要：本實驗通過測定流體在不同管路中流動時的流量qv、測壓點之間的壓強差△P,結(jié)合已知的管路的內(nèi)徑、長度等數(shù)據(jù)，應(yīng)用機(jī)械能守恒式算出不同管路的入-Re變化關(guān)系及突然擴(kuò)大管的?-Re關(guān)系。從實驗數(shù)據(jù)分析可知，光滑管、粗糙管的摩擦阻力系數(shù)隨Re增大而減小，并且光滑管的摩擦阻力系數(shù)較好地滿足Blasuis關(guān)系式：人=0.3163Re0.25。突然擴(kuò)大管的局部阻力系數(shù)隨Re的變化而變化。―、目的及任務(wù)掌握測定流體流動阻力實驗的一般實驗方法。測定直管的摩擦阻力系數(shù)入及突然擴(kuò)大管和閥門的局部阻力系數(shù)&。驗證湍流區(qū)內(nèi)摩擦系數(shù)入為雷諾數(shù)Re和相對粗糙度的函數(shù)。將所得光滑管入-Re方程與Blasius方程相比較。二、基本原理直管摩擦阻力不可壓縮流體，在圓形直管中做穩(wěn)定流動時，由于黏性和渦流的作用產(chǎn)生摩擦阻力；流體在流過突然擴(kuò)大、彎頭等管件時，由于流體運動的速度和方向突然變化，產(chǎn)生局部阻力。影響流體阻力的因素較多，在工程上通常采用量綱分析方法簡化實驗，得到在一定條件下具有普遍意義的結(jié)果，其方法如下：流體流動阻力與流體的性質(zhì)，流體流經(jīng)處的幾何尺寸以及流動狀態(tài)相關(guān)，可表示為：△p二？(d,l,u,p,|d,e)引入下列無量綱數(shù)群。雷諾數(shù)Re=虹P相對粗糙度-d管子長徑比-d從而得到使=W(迪，號,-)pu2 日dd&令X=Q（Re,一）d可得到摩擦阻力系數(shù)與壓頭損失之間的關(guān)系，這種關(guān)系可用實驗方法直接測定。]邸、lu2h=——=K-^x~2式中hf 直管阻力，J/kg；l 被測管長，m；d——被測管內(nèi)徑，m；U 平均流速，m/s；K——摩擦阻力系數(shù)。當(dāng)流體在一管徑為d的圓形管中流動時，選取兩個截面，用U形壓差計測出這兩個截面間的靜壓強差，即為流體流過兩截面間的流動阻力。根據(jù)伯努利方程找出靜壓強差和摩擦阻力系數(shù)的關(guān)系式，即可求出摩擦阻力系數(shù)。改變流速科測出不同Re下的摩擦阻力系數(shù)，這樣就可得到某一相對粗糙度下的入-Re關(guān)系。湍流區(qū)的摩擦阻力系數(shù)￡在湍流區(qū)內(nèi)K=f(Re,-)。對于光滑管，大量實驗證明，當(dāng)Re在3x103-105d范圍內(nèi)，K與Re的關(guān)系式遵循Blasius關(guān)系式，即K=0.3163/Re0.25對于粗糙管，K與Re的關(guān)系均以圖來表示。層流的摩擦阻力系數(shù)—64KRe局部阻力式中，&為局部阻力系數(shù)，其與流體流過管件的集合形狀及流體的Re有關(guān),當(dāng)Re大到一定值后，&與Re無關(guān)，為定值。三、裝置和流程本實驗裝置如圖，管道水平安裝，實驗用水循環(huán)使用。其中管為層流管，管徑①(6Xmm，兩測壓管之間的距離1m；管安裝有球閥和截止閥兩種管件，管徑為①(27X3)mm；管為①(27Xmm不銹鋼管；為①(27Xmm鍍鋅鋼管，直管阻力的兩測壓口間的距離為1.5m；為突然擴(kuò)大管，管子由①(22X3)mm擴(kuò)大到①(48X3)mm；a、a為層流管兩端的兩測壓口；b、b為球閥的兩測壓口；c、c表示截止閥的兩測壓口；d、d表示不銹鋼管的兩測壓口；e、e表示粗糙管的兩測壓口；f、f表示突然擴(kuò)大管的兩測壓口。系統(tǒng)中孔板流量計以測流量。四、操作要點啟動離心泵，打開被測管線上的開關(guān)閥及面板上與其對應(yīng)的切換閥，關(guān)閉其他開關(guān)閥和切換閥，確保測壓點一一對應(yīng)。系統(tǒng)要排凈氣體使液體連續(xù)流動。設(shè)備和測壓管線中的氣體都要排凈，檢驗的方法是當(dāng)流量為零時，觀察U形壓差計的兩液面是否水平。讀取數(shù)據(jù)時，應(yīng)注意穩(wěn)定后再讀數(shù)。測定直管摩擦阻力時，流量由大到小，充分利用面板量程測取10組數(shù)據(jù)。測定突然擴(kuò)大管、球閥和截止閥的局部阻力時，各取3組數(shù)據(jù)。本次實驗層流管不做測定。測完一根管數(shù)據(jù)后，應(yīng)將流量調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，觀察壓差計的兩液面是否水平，水平時才能更換另一條管路，否則全部數(shù)據(jù)無效。同時要了解各種閥門的特點，學(xué)會使用閥門，注意閥門的切換，同時要關(guān)嚴(yán)，防止內(nèi)漏。五、數(shù)據(jù)處理（1）、原始數(shù)據(jù)水溫：°C密度：1000kg/m3粘度：|J=x10一32）、鍍鋅鋼管d=l二序號12345678910V/△P/kPa3）、突然擴(kuò)大d=l=140mmd=42.0mml=280mmV/ ' 1 2 2△P/kPa4）、層流管d=l=V/△P/kPa2、數(shù)據(jù)處理1）不銹鋼管，鍍鋅管以及層流管的雷諾數(shù)和摩擦阻力系數(shù)用以下公式計算雷諾數(shù)Re=四巳]邸、lu2h=——=K-^x~2式中hf 直管阻力，J/kg；l 被測管長，m；d——被測管內(nèi)徑，m；U 平均流速，m/s；K——摩擦阻力系數(shù)。2）突然擴(kuò)大管的雷諾數(shù)及摩擦阻力系數(shù)由以下公式計算雷諾數(shù)Re=蛭P摩擦阻力系數(shù)3、數(shù)據(jù)處理結(jié)果如下表所示直管阻力數(shù)據(jù)處理記錄表不銹鋼管序號V/m3/h-1hfv/m/s-1Re入BX142345678910鍍鋅管序號V/m3/h-1P/kPav/m/sRehf入142345678910層序號V(mL/s)T/°C△P/kPav(m/s)Re入1

流管23456突然擴(kuò)大管序號v1(m/s)v2(m/s)Rehfg123數(shù)據(jù)處理示例：1、光滑管：T=20.0°C時水的密度p=1000Kg/m3，粘度h=1.005mPa?s以光滑管第4組數(shù)據(jù)為例：qv=m3/h AP=d=21.0mml=1.50mhKfp4qU=4qU=v兀d2dupRe=—P=2.4954543.14x0.02120.021x2.495454x1000_1.005x10-3.2dAP人= lP1.005x10-3.2dAP人= lPU20.3163人 1.50"*42-0-8390.31630.020934Re0.25 52117.430.252、粗糙管：以粗糙管第4組數(shù)據(jù)為例:qv=3?1m3/h d=2L5mmi=1.50m4qU= v-兀d24x3.13.14x0.0021522.373081「dup0.0215x2.373081x1000Re- 50741.72P 1.005x10-3a 2dAp 2x0.0215x6.39x103人— — —0.032528lpu2 1.50x1000x2.37308123、突然擴(kuò)大管：以第1組數(shù)據(jù)為例：q-3.80m3hAP-4.1036kpd-15.5mml-140mmd-42.0mml-280mmRe=性P匕2AP+p(u2-u2)2X4.1036x103x1000x(5.5940692—0.7618912)u= 1 = =0.720168pu2 1000x5.594069214、層流管：以第4組數(shù)據(jù)為例：qv=3.\3mLIs AP=1.6406kPav=0.474374m/sd=|=「dup0.0029x0.474374x1000Re= = =1368.841P 1.005x10-3. 2dAp2x0.0029x1.6406x103人=——-= =0.046755lpu2 1x1000x0.4743742由上述數(shù)據(jù)可以得到以下圖形:七、實驗結(jié)果分析:由上面圖表中的數(shù)據(jù)信息可以得出以下結(jié)論：1、 當(dāng)Re>4000時，流動進(jìn)入湍流區(qū)，摩擦阻力系數(shù)入隨雷諾數(shù)Re的增大而減小。至足夠大的Re后，入-Re曲線趨于平緩；2、 實驗測出的光滑管入-Re曲線和利用Blasius關(guān)系式得出的入-Re曲線比較接近，說明當(dāng)Re在3x103?105范圍內(nèi)，入與Re的關(guān)系滿足Blasius關(guān)系式，即X=0.3163/Re0.25；3、 突然擴(kuò)大管的局部阻力系數(shù)隨流量的減小而增大；4、 在Re<2000范圍內(nèi)，流體流動為層流，實驗所得層流管的摩擦阻力系數(shù)入隨Re的變化趨勢與公式―堡特性曲線相差較遠(yuǎn)，可能原因是在調(diào)節(jié)Re流量和時間控制中未把握好，人為造成了實驗誤差，并且流量過大，導(dǎo)致流體并非層流狀態(tài)。八、思考題在測量前為什么要將設(shè)備中的空氣排凈？怎樣才能迅速地排凈？答：排氣是為了保證流體的連續(xù)流動。先打開出口閥排除管路中的氣體，然后關(guān)閉出口閥，打開U形壓差計下端的排氣閥。在不同設(shè)備、不同溫度下測定的入-Re數(shù)據(jù)能否關(guān)聯(lián)在一條曲線上？答：只要相對粗糙度相同，入-Re數(shù)據(jù)就能關(guān)聯(lián)到一條曲線上。以水為工作流體所測得的摩擦阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系是否適用于其他流體答：不適用，粘度不同。測出的直管摩擦阻力與設(shè)備的放置狀態(tài)有關(guān)嗎？為什么？答：無關(guān)。根據(jù)機(jī)械能守恒有h=[(4