化工原理實驗-流體流動阻力測定實驗

目錄實驗一流體流動阻力的測定實驗一、實驗內(nèi)容1.測定流體在特定材質(zhì)和εd的直管中流動時的阻力摩擦系數(shù)λ，并確定λ和Re之間2.測定流體通過閥門時的局部阻力系數(shù)。二、實驗?zāi)康?.了解測定流體流動阻力摩擦系數(shù)的工程定義，掌握測定流體阻力的實驗方法。2.測定流體流徑直管的摩擦阻力和流經(jīng)管件或局部阻力，確定直管阻力摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)之間的關(guān)系。3.熟悉壓差計和流量計的使用方法。4.認識組成管路系統(tǒng)的各部件、閥門并了解其作用。三、實驗基本原理流體管路是由直管、管件（如三通、肘管、彎頭）、閥門等部件組成。流體在管路中流動時，由于黏性剪應(yīng)力和渦流的作用，不可避免地要消耗一定的機械能，流體在直管中流動的機械能損失為直管阻力；而流體通過閥門、管件等部件時，因流動方向或流動截面的突然改變導(dǎo)致的機械能損失稱為局部阻力。在化工過程設(shè)計中，流體流動阻力的測定或計算，對于確定流體輸送所需推動力的大小，例如泵的功率、液位或壓差，選擇適當(dāng)?shù)妮斔蜅l件都有不可或缺的作用。1.直管阻力流體在水平的均勻管道中穩(wěn)定流動時，由截面1流動至截面2的阻力損失表現(xiàn)為壓力的降低，即hf由于流體分子在流動過程中的運動機理十分復(fù)雜，影響阻力損失的因素眾多，目前尚不能完全用理論方法來解決流體阻力的計算問題，必須通過實驗研究掌握其規(guī)律。為了減少實驗工作量，簡化實驗工作難度，并使實驗結(jié)果具有普遍應(yīng)用意義，可采用因次分析方法來規(guī)劃實驗。將所有影響流體阻力的因素按以下三類變量列出流體性質(zhì)密度ρ，黏度μ；管路幾何尺寸管徑d，管長l，管壁粗糙度ε；流動條件流速u；可將阻力損失hfΔp=f根據(jù)因次分析法，可將上述變量之間的關(guān)系轉(zhuǎn)化為無因次準數(shù)之間的關(guān)系Δp其中duρμ=Re稱為雷諾準數(shù)（ld是表示相對長度的因次幾何εd將式③改寫為Δpρ引入λ=φRe,εd則hf=Δ式⑥即為通常計算直管阻力的公式，其中λ稱為直管阻力摩擦系數(shù)。直管段兩端的壓差若用水銀U型壓差計測定，則Δp=RρHg-其中R為U型壓差計兩側(cè)的液注高度差。由式⑤可知，不管何種流體，直管摩擦系數(shù)λ僅與Re與εd有關(guān)。因此，只要在實驗室規(guī)模的小裝置上，用水作實驗物系，進行有限量的實驗，確定λ與Re和εd的關(guān)系，即可由式⑥計算任一流體在管路中的流動阻力損失。這也說2.局部阻力局部阻力通常用當(dāng)量長度法或局部阻力系數(shù)法來表示。當(dāng)量長度法：流體通過管件或閥門的局部阻力損失，若與流體流這一定長度的相同管徑的直管阻力相當(dāng)，則稱這一直管長度為管件或閥門的當(dāng)量長度，用符號le表示。這樣，就可用直管阻力的公式來計算局部阻力的損失。在管路計算時，可將管路中的直管長度與管件閥門的當(dāng)量長度合并在一起計算，如管路系統(tǒng)中直管長度為l，各種局部阻力的當(dāng)量長度之和為ilhf=λl+i局部阻力系數(shù)法：流體通過某一管件或閥門的阻力損失用流體在管路中的動能系數(shù)來表示，這種計算局部阻力的方法，稱為阻力系數(shù)法，即h一般情況下，由于管件和閥門的材料及加工精度不完全相同，每一制造廠及每一批產(chǎn)品的阻力系數(shù)是不盡相同的。四、實驗設(shè)計1.實驗方案用自來水做實驗物料；由實驗原理及式hf=λ?ld?u22和Δpρ=ξu22知，當(dāng)實驗裝置確定后，只要改變管路中流體流速u或流量V，測定相應(yīng)的直管阻力壓差2.測試點及測試方法原始數(shù)據(jù)有流速u（或流量V），直管段壓差Δp1和局部段壓差Δp2，流體溫度t（據(jù)此確定ρ、測試點需在直管段兩端和局部兩端各設(shè)一對測壓點，分別用以測定Δp1和Δp測試方法直管段和局部段壓差的測定：采用水銀U型壓差計流速或流量的測定：工程上測量流量較測流速更為方便，如用渦輪流量計測定流量，則Q其中f——渦輪流量計的轉(zhuǎn)子頻率，其數(shù)值用數(shù)顯儀表顯示；ξ——渦輪流量計的儀表系數(shù)；Q——流量，L/s。溫度的測定：用水銀玻璃溫度計測定，℃。3.控制點及調(diào)節(jié)方法實驗中需控制調(diào)節(jié)的參數(shù)是流體流量Q，可以在管路系統(tǒng)出口端設(shè)置一控制調(diào)節(jié)閥門，用以調(diào)節(jié)流量并保證整個管路系統(tǒng)滿灌。4.實驗裝置和流程設(shè)計主要設(shè)備和部件離心泵、循環(huán)水箱、渦輪流量計、閥門、直管及管件、玻璃水銀U型壓差計、溫度計實驗裝置流程圖實驗裝置流程如圖1-1所示，由管子、管件、閘閥（用于局部阻力測定）、控制閥、流量計及離心泵等組成一個測試系統(tǒng)。測試系統(tǒng)的前半部分為局部阻力測試段，后半部分為直管阻力測試段。為了節(jié)約用水，配置水箱供水，循環(huán)使用。為了防止臟物進入系統(tǒng)造成堵塞，在泵的入口加裝過濾器。為了保證系統(tǒng)滿灌，裝置的出口端應(yīng)高于測試段或?qū)⒖刂崎y安裝在出口端。為了排除管路的殘留氣體，在裝置的最高處裝設(shè)排氣閥。為了實驗結(jié)束排空系統(tǒng)中的液體或定期更換水箱中的水，在循環(huán)水箱底部設(shè)排泄閥。渦輪流量計在安裝時須保證前后有足夠的直管穩(wěn)定段和水平度。五、實驗操作要點1.實驗正式開始前，關(guān)閉流體出口控制閥門，打開水銀壓差計平衡閥。（為什么）見思考題12.啟動離心泵。（注意什么）是否需要灌泵，泵在液面下，不需要灌泵。3.分別進行管路系統(tǒng)、引壓管、壓差計的排氣工作，排出可能積存在系統(tǒng)內(nèi)的空氣，以保證數(shù)據(jù)測定穩(wěn)定，可靠。管路系統(tǒng)排氣：打開出口調(diào)節(jié)閥，讓水流動片刻，將管路中的大部分空氣排出。然后將出口閥關(guān)閉，打開管路出口端上方的排氣閥，使管路中殘余空氣排出。引壓管和壓差計排氣：依次打開并迅速關(guān)閉壓差計上方的排氣閥，反復(fù)操作幾次，將引壓管和壓差計內(nèi)的空氣排出。排氣時要注意嚴防U型管壓差計中水銀沖出。4.排氣結(jié)束后，關(guān)閉平衡閥。5.將出口控制閥開至最大，觀察最大流量范圍或最大壓差變化范圍，據(jù)此確定合理的實驗布點。6.流量調(diào)節(jié)后，須穩(wěn)定一段時間，方可測取有關(guān)數(shù)據(jù)。7.實驗結(jié)束后，先打開平衡閥，關(guān)閉出口控制閥，再關(guān)閉離心泵和總電源。六、實驗數(shù)據(jù)處理和結(jié)果討論分析實驗數(shù)據(jù)處理1.實驗數(shù)據(jù)記錄表表1-1實驗數(shù)據(jù)記錄表渦輪流量變送器編號990884渦輪流量變送器儀表常數(shù)332.66管子材料鍍鋅白鐵管管子長度（直管）2m管子內(nèi)徑（直管）20mm管子內(nèi)徑（局部）32mm水溫22℃水的密度997.8kg/m3水的黏度0.9579mPa·s序號渦輪流量計頻率f直管阻力壓差Δ局部阻力壓差Δ左側(cè)水銀柱高h（mm）右側(cè)水銀柱高h（mm）左側(cè)水銀柱高h（mm）右側(cè)水銀柱高h（mm）1563792.5211.5338.2743.62494776.1275.8382.4696.33398648.7351.5435.0640.54356618.8379.3455.6622.75322597.4401.5469.7606.26301586.2412.3477.1598.27252566.2435.1494.8580.48237554.7443.2499.4575.99215545.7452.6506.2569.210191536.5461.7512.5563.011162526.4469.2519.0556.012120514.6482.3526.9548.81382507.3488.2532.0543.51444502.3494.6535.1540.0150497.6497.6537.8537.82.流體直管阻力測定實驗數(shù)據(jù)整理表表1-2流體直管阻力測定序號q（流量）（m3/s）u（流速）（m/s）Re雷諾數(shù)R（壓差計讀數(shù)）（mmHg）W（直管阻力）（J/kg）λ×（摩擦系數(shù)）11.69245.387111.2231581.071.9864.96121.48504.72699.8476500.361.9875.54831.19643.80837.9339297.236.8235.07841.07023.40647.0966239.529.6745.11550.96803.08116.4189195.924.2725.11460.90482.88026.0003173.921.5465.19570.75752.41135.0235131.116.2435.58780.71242.26784.7245111.513.8155.37290.64632.05734.285993.111.5355.451100.57421.82763.807574.89.2685.549110.48701.55013.229457.27.0875.899120.36071.14822.392132.34.0026.071130.24650.78461.634619.12.3667.688140.13230.42100.87717.70.95410.764150.00000.00000.00000.00.0003.流體局部阻力測定實驗數(shù)據(jù)整理表表1-3流體局部阻力測定實驗數(shù)據(jù)整理表序號q（流量）（m3/s）u（流速）（m/s）R（壓差計讀數(shù)）（mmHg）W（局部阻力）（J/kg）ξ（局部阻力系數(shù)）11.69242.1044405.450.22922.68621.48501.8464313.938.89222.81531.19641.4876205.525.46123.01041.07021.3306167.120.70423.38650.96801.2036136.516.91223.35160.90481.1251121.115.00423.70870.75750.941985.610.60623.90980.71240.885876.59.47824.15790.64630.803663.07.80624.174100.57420.713950.56.25724.553110.48700.605537.04.58425.006120.36070.448521.92.71326.975130.24650.306511.51.42530.336140.13230.16454.90.60744.892150.00000.00000.00.000ξ的平均值：24.466（舍棄序號為14的數(shù)據(jù)）4.計算示例。①流體直管阻力實驗數(shù)據(jù)計算示例公式：qV=fξuWf=Δ計算：（取表1-1中序號為1的數(shù)據(jù)為例）qV=fξ=563332.u=qVRe=duρμ=0.02×5.3871×997.8R=HΔp=RρHg-ρH2Wfλ=2×②流體局部阻力實驗數(shù)據(jù)計算示例公式：qV=fξu=q計算：（取表1-1中序號為1的數(shù)據(jù)為例）qV=fξ=563332.u=qVR=HΔp=RρHg-ρH2Wfξ=2×結(jié)果討論分析在雙對數(shù)坐標紙上關(guān)聯(lián)λ和Re之間的關(guān)系。取鍍鋅白鐵管的絕對粗糙度ε=0.2mm，則εd=0.220=0.01。由實驗數(shù)據(jù)處理后，所得摩擦系數(shù)圖1-2摩擦系數(shù)λ與雷諾準數(shù)Re根據(jù)資料顯示，摩擦系數(shù)λ與雷諾準數(shù)Re的關(guān)系應(yīng)該是隨著Re的增大，λ的值逐漸減小。因此應(yīng)該舍棄表1-2中序號為2、7、11的三組數(shù)據(jù)。得到如上圖所示的關(guān)系曲線。2.對實驗結(jié)果進行分析討論，例如：討論一下λ和Re之間的關(guān)系，根據(jù)所標繪的曲線引申推測一下管路的粗糙程度，論述所得結(jié)果的工程意義等等，并從中得出若干結(jié)論。答：摩擦系數(shù)λ與雷諾準數(shù)Re的關(guān)系應(yīng)該是隨著Re的增大，λ的值逐漸減小。根據(jù)所得到的曲線圖，可以推測管路的粗糙程度ε=0.2mm。①根據(jù)Re的不同，可以將流體流動分為四個區(qū)域，層流區(qū)、過渡區(qū)、湍流區(qū)、完全湍流區(qū)。根據(jù)要輸送的液體的性質(zhì)，可以根據(jù)上圖的關(guān)系，算出摩擦系數(shù)，即可根據(jù)流速、管徑等要求選擇相對應(yīng)的管材。②在化工生產(chǎn)中的管路，根據(jù)其材質(zhì)和加工情況，大致可以分為兩類，即光滑管和粗糙管。管路壁面凸出部分的平均高度稱為絕對粗糙度，以ε表示。絕對粗糙度與管徑的比值即εd3.對實驗數(shù)據(jù)進行必要的誤差分析，評價一下數(shù)據(jù)和結(jié)果的誤差，并分析其原因。答：由實驗所求得的數(shù)據(jù)可以看出，計算直管阻力的時候，序號為2、7、11的三組數(shù)據(jù)明顯不符合隨著Re的增大，λ的值逐漸減小的變化規(guī)律。應(yīng)該舍棄。計算局部阻力時，序號為14的局部阻力系數(shù)明顯比其它數(shù)據(jù)大很多，也應(yīng)該舍棄。局部阻力系數(shù)明顯偏大。原因：管路中水流不穩(wěn)定，導(dǎo)致U型管水銀壓差計兩端的水銀面不穩(wěn)定，讀數(shù)的偏差較大。導(dǎo)致算出的數(shù)據(jù)與原定的曲線有偏差，和個別數(shù)據(jù)的極不合理。減少誤差：①盡量在U型管水銀壓差計兩端的水銀面穩(wěn)定之后再讀數(shù)；②讓同一個人讀數(shù)，這樣能減少偶然誤差。七、思考題1.U型壓差計上裝設(shè)的“平衡閥”有何作用？在什么情況下它是開著的，在什么情況下它應(yīng)該是關(guān)閉著的？答：平衡閥是為了保持U型壓差計兩側(cè)管中水銀液面相平，防止在排氣時水銀溢出。打開平衡閥時間：實驗之前、排氣的過程中，及最后實驗結(jié)束時。關(guān)閉平衡閥時間：排氣之后至實驗結(jié)束之前。為什么要將實驗數(shù)據(jù)在對數(shù)坐標紙上標繪？答：=1\*GB3①對數(shù)坐標適用于冪函數(shù)，而平流時λ和Re成λ=KRe關(guān)系（K為常數(shù)），λ和Re的負一次方成正比，是冪函數(shù)。=2\*GB3②橫坐標和縱坐標在數(shù)值上均變化了幾個數(shù)量