化工原理流體滾動(dòng)阻力測(cè)定試驗(yàn)

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流體滾動(dòng)阻力測(cè)定的試驗(yàn)

一、試驗(yàn)?zāi)康募叭蝿?wù)

1．學(xué)習(xí)直管摩擦阻力ΔΡ?、直管摩擦系數(shù)λ的測(cè)定方法。

2．把握直管摩擦系數(shù)λ與雷諾數(shù)Re和相對(duì)粗糙度之間的關(guān)系及其變化規(guī)律。3．把握局部摩擦阻力ΔΡ?、局部阻力系數(shù)ζ的測(cè)定方法。

4．學(xué)習(xí)壓強(qiáng)差的幾種測(cè)量方法和提高其測(cè)量確切度的一些技巧。

二、基本原理

流體在管路中滾動(dòng)時(shí)，由于黏性剪應(yīng)力和渦流的存在，不可避免地會(huì)引起流體壓力損耗。這種損耗包括流體在滾動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的直管阻力損失和局部阻力損失。

1.直管阻力損失

流體流過(guò)直管時(shí)的摩擦系數(shù)與阻力損失之間的關(guān)系可用下式表示

式中d?管徑，m；l?管長(zhǎng)，m；u?流速，m/s；??摩擦系數(shù)。

在一定的流速下，測(cè)出阻力損失，按下式即可求出摩擦系數(shù)?

lu2hf????d2（1-1）

d2??hf??2lu阻力損失hf可通過(guò)對(duì)兩截面間作機(jī)械能衡算求出

hf?(z1?z2)g?（1-2）

p1?p2??u1?u2（1-3）2對(duì)于水平等徑直管，z1=z2，u1=u2，上式可簡(jiǎn)化為

hf?式中p1-p2—兩截面的壓強(qiáng)差，Pa；??流體的密度，kg/m3?pf?兩截面的壓強(qiáng)差，Pa。

由式（1-4）可知，對(duì)于水平等徑直管只要測(cè)出兩截面上靜壓強(qiáng)的差即可算出hf。兩截面上靜壓強(qiáng)的差可用壓差計(jì)測(cè)出。流速由流量計(jì)測(cè)得，在已知管徑d和平均流速u的狀況下，只需測(cè)出流體的溫度t，查出該流體的密度ρ和黏度μ，則可求出雷諾數(shù)Re，從而得出流體流過(guò)直管的摩擦系數(shù)λ與雷諾數(shù)Re的關(guān)系。

2.局部阻力損失

p1?p2???pf?（1-4）

閥門、突然擴(kuò)大、突然縮小、彎頭、三通等管件的局部阻力系數(shù)可用下式計(jì)算

??hf(三、試驗(yàn)裝置流程和主要設(shè)備

2)2（1-5）u1.試驗(yàn)裝置流程流體滾動(dòng)阻力試驗(yàn)流程如圖1-1所示。

圖1-1滾動(dòng)阻力試驗(yàn)流程示意圖

1-水箱；2-離心泵；3、4-放水閥；5、13-緩沖罐；6-局部阻力近端測(cè)壓閥；7、15-局部阻力遠(yuǎn)端測(cè)壓閥；8、20-粗糙管測(cè)壓回水閥；9、19-光滑管測(cè)壓閥；10-局部阻力管閥；11-U型管進(jìn)水閥；12-壓力傳感器；14-流量調(diào)理閥；15、16-水轉(zhuǎn)子流量計(jì)；17-光滑管閥；18-粗糙管閥；21-倒置U型管放空閥；22-倒置U型管；23-水箱放水閥；24-放水閥；

2.被測(cè)光滑直管段：管徑d—0.008m；管長(zhǎng)L—1.69m；材料—不銹鋼管

被測(cè)粗糙直管段：管徑d—0.010m；管長(zhǎng)L—1.69m；材料—不銹鋼管被測(cè)局部阻力直管段:管徑d—0.015m；管長(zhǎng)L—1.2m；材料—不銹鋼管3．壓力傳感器:

型號(hào):LXWY測(cè)量范圍:200KPa4．直流數(shù)字電壓表:

型號(hào):PZ139測(cè)量范圍:0～200KPa5．離心泵:

型號(hào):WB70/055流量:8(m／h)揚(yáng)程:12(m)電機(jī)功率:550(W)6．玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì):

型號(hào)測(cè)量范圍精度LZB—40100～1000(L／h)1.5LZB—1010～100(L／h)2.5

3

四、試驗(yàn)方法及步驟

1.向儲(chǔ)水槽內(nèi)注水，直到水滿為止。(有條件最好用蒸餾水，以保持流體清潔)2.直流數(shù)字表的使用方法請(qǐng)?jiān)敿?xì)閱讀使用說(shuō)明書(shū)。

3.大流量狀態(tài)下的壓差測(cè)量系統(tǒng)，應(yīng)先接電預(yù)熱10～15分鐘，調(diào)好數(shù)字表的零點(diǎn)，然后啟動(dòng)泵進(jìn)行試驗(yàn)。

4.光滑管阻力測(cè)定

⑴關(guān)閉粗糙管閥18、粗糙管測(cè)壓進(jìn)水閥20、粗糙管測(cè)壓回水閥8，將光滑管閥17全開(kāi)。⑵在流量為零條件下，開(kāi)啟光滑管測(cè)壓進(jìn)水閥19和回水閥9，旋開(kāi)倒置U型管進(jìn)水閥11，檢查導(dǎo)壓管內(nèi)是否有氣泡存在。若倒置U型管內(nèi)液柱高度差不為零，則說(shuō)明導(dǎo)壓管內(nèi)存在氣泡，需要進(jìn)行趕氣泡操作。導(dǎo)壓系統(tǒng)如圖2所示。

操作方法如下：

開(kāi)大流量，使倒置U型管內(nèi)液體充分滾動(dòng)，以趕出管路內(nèi)的氣泡；若認(rèn)為氣泡已趕凈，將流量閥關(guān)閉；漸漸旋開(kāi)倒置U型管上部的放空閥21，開(kāi)啟閥3、4，使液柱降至零點(diǎn)上下時(shí)馬上關(guān)閉，管內(nèi)形成氣-水柱，此時(shí)管內(nèi)液柱高度差應(yīng)為零。然后關(guān)閉放空閥21。

圖1-2導(dǎo)壓系統(tǒng)示意圖

3,4-排水閥;8-粗糙管測(cè)壓回水閥;9-光滑管測(cè)壓回水閥；11-U型管進(jìn)水閥；12-直管壓力傳感器；20-粗糙管測(cè)壓進(jìn)水閥；21-U型管放空閥;22-U型管

⑶該裝置兩個(gè)轉(zhuǎn)子流量計(jì)并聯(lián)連接，根據(jù)流量大小選擇不同量程的流量計(jì)測(cè)量流量。⑷差壓變送器與倒置U型管也是并聯(lián)連接，用于測(cè)量直管段的壓差，小流量時(shí)用倒置∪型管壓差計(jì)測(cè)量，大流量時(shí)用差壓變送器測(cè)量。應(yīng)在最大流量和最小流量之間進(jìn)行試驗(yàn)，一般測(cè)取15～20組數(shù)據(jù)。建議當(dāng)流量小于300L／h時(shí),只用倒置∪型管來(lái)測(cè)量壓差。5.粗糙管阻力測(cè)定

（1）關(guān)閉閥17、光滑管測(cè)壓進(jìn)水閥19、光滑管測(cè)壓回水閥9，全開(kāi)閥18，旋開(kāi)粗糙管測(cè)壓進(jìn)水閥20、粗糙管測(cè)壓回水閥8，逐漸調(diào)大流量調(diào)理閥，趕出導(dǎo)壓管內(nèi)氣泡。

（2）從小流量到最大流量，一般測(cè)取15~20組數(shù)據(jù)。（3）直管段的壓差用差壓變送器測(cè)量。

光滑管和粗糙管直管阻力的測(cè)定使用同一差壓變送器，當(dāng)測(cè)量光滑管直管阻力時(shí)，要把通向粗

糙管直管阻力的閥門關(guān)閉；同樣當(dāng)測(cè)量粗糙管直管阻力時(shí)，要把通向光滑管直管阻力的閥門關(guān)閉。6．局部阻力測(cè)定

關(guān)閉閥門17和18，全開(kāi)或半開(kāi)閥門10，改變流量，用差壓變送器測(cè)量遠(yuǎn)點(diǎn)、近點(diǎn)壓差。

遠(yuǎn)點(diǎn)、近點(diǎn)壓差的測(cè)量使用同一差壓變送器。當(dāng)測(cè)量遠(yuǎn)點(diǎn)壓差時(shí)，要把通向近點(diǎn)壓差的閥門關(guān)閉；同樣當(dāng)近點(diǎn)壓差時(shí)，要把通向遠(yuǎn)點(diǎn)壓差的閥門關(guān)閉。7．測(cè)取水箱水溫。

8．待數(shù)據(jù)測(cè)量完畢，關(guān)閉流量調(diào)理閥，停泵。

五、使用試驗(yàn)設(shè)備應(yīng)注意的事項(xiàng)

⒈直流數(shù)字表操作方法請(qǐng)細(xì)心閱讀說(shuō)明書(shū)后,方可使用。

⒉啟動(dòng)離心泵之前，以及從光滑管阻力測(cè)量過(guò)渡到其它測(cè)量之前，都必需檢查所有流量調(diào)理閥是否關(guān)閉。

⒊利用壓力傳感器測(cè)量大流量下△P時(shí),應(yīng)切斷空氣—水倒置∪型玻璃管的閥門18、20否則影響測(cè)量數(shù)值。

⒋在試驗(yàn)過(guò)程中每調(diào)理一個(gè)流量之后應(yīng)待流量和直管壓降的數(shù)據(jù)穩(wěn)定以后方可記錄數(shù)據(jù)。⒌較長(zhǎng)時(shí)間未做試驗(yàn)，啟動(dòng)離心泵之前應(yīng)先盤軸轉(zhuǎn)動(dòng)，否則易燒壞電機(jī)。

六、試驗(yàn)預(yù)習(xí)

1.預(yù)習(xí)流體滾動(dòng)中的守恒原理。

2.預(yù)習(xí)流體滾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生阻力的損失的原因，把握直管阻力損失和局部阻力損失的研究方法及計(jì)算方法。

3.熟悉試驗(yàn)裝置的流程、設(shè)備、儀表和操作方法，確定需查找的各種參數(shù)和需測(cè)定的各種參數(shù)，熟悉相關(guān)參數(shù)的測(cè)取方法和手段。七、試驗(yàn)報(bào)告要求

1.在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上繪制出湍流時(shí)??Re??d關(guān)系曲線。

2.在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上繪出層流時(shí)??Re關(guān)系曲線。3.計(jì)算局部阻力系數(shù)?。

4.將光滑管的??Re關(guān)系與Blasius公式進(jìn)行比較。

5.試驗(yàn)報(bào)告中的數(shù)據(jù)處理要有計(jì)算過(guò)程例如。6.對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析探討。八、思考題

1.為什么在對(duì)某一管路或管件測(cè)量時(shí)，其余各水路必需切斷？2.本試驗(yàn)中使用了哪些測(cè)定壓強(qiáng)差的方法？它們各有什么特點(diǎn)？3.在測(cè)量前為什么要將設(shè)備中的空氣排盡？怎樣才能迅速地排凈？

4.在不同設(shè)備（包括相對(duì)粗糙度一致而管徑不同）、不同溫度下測(cè)定的??Re數(shù)據(jù)能否關(guān)聯(lián)在一條曲線上？

附：試驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算及試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

⑴直管摩擦系數(shù)?與雷諾數(shù)Re的測(cè)定

直管的摩擦阻力系數(shù)是雷諾數(shù)和相對(duì)粗糙度的函數(shù)，即??f(Re,?/d)，對(duì)一定的相對(duì)粗糙度而言，??f(Re)。

流體在一定長(zhǎng)度等直徑的水平圓管內(nèi)滾動(dòng)時(shí)，其管路阻力引起的能量損失為：

hf?P1?P2???Pf?（1-5）

又由于摩擦阻力系數(shù)與阻力損失之間有如下關(guān)系（范寧公式）

hf?整理（1）（2）兩式得

?Pf?lu2??（1-6）

d22d?Pf?2（1-7）??lud?u??（1-8）

??Re?式中：d?管徑，m；

??Pf?直管阻力引起的壓強(qiáng)降，Pa；l?管長(zhǎng)，m；u?流速，m/s；

??流體的密度，kg/m3；??流體的粘度，N·s/m2。

在試驗(yàn)裝置中，直管段管長(zhǎng)l和管徑d都已固定。若水溫一定，則水的密度ρ和粘度μ也是定值。所以本試驗(yàn)實(shí)質(zhì)上是測(cè)定直管段流體阻力引起的壓強(qiáng)降△Pf與流速u（流量V）之間的關(guān)系。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和式（1-7）可計(jì)算出不同流速下的直管摩擦系數(shù)λ，用式（1-8）計(jì)算對(duì)應(yīng)的Re，從而整理出直管摩擦系數(shù)和雷諾數(shù)的關(guān)系，繪出λ與Re的關(guān)系曲線。

⑵局部阻力系數(shù)?的測(cè)定

h?f??P'f?u2（1-9）??2?2??P'f????????u2（1-10）

??式中：??局部阻力系數(shù)，無(wú)因次；?Pf'?局部阻力引起的壓強(qiáng)降，Pa；

h'f?局部阻力引起的能量損失，J／kg。

圖1-3局部阻力測(cè)量取壓口布置圖

局部阻力引起的壓強(qiáng)降?Pf'可用下面的方法測(cè)量：在一條各處直徑相等的直管段上，安裝待測(cè)局部阻力的閥門，在其上、下游開(kāi)兩對(duì)測(cè)壓口a-a’和b-b＇，見(jiàn)圖3，使ab＝bc；a＇b＇＝b＇c＇則△Pf，ab＝△Pf，bc；△Pf，a＇b＇=△Pf，b＇c＇在a~a＇之間列柏努利方程式：Pa－Pa＇=2△Pf，ab+2△Pf，a＇b＇+△P

＇

f（1-11）

在b~b＇之間列柏努利方程式：Pb－Pb＇=△Pf，bc+△Pf，b＇c＇+△Pf=△Pf，ab+△Pf，a＇b＇+△Pf（1-12）聯(lián)立式（1-11）和（1-12），則：

?Pf'＝2（Pb－Pb＇）－（Pa－Pa＇）

為了試驗(yàn)便利，稱（Pb－Pb＇）為近點(diǎn)壓差，稱（Pa－Pa＇）為遠(yuǎn)點(diǎn)壓差。用差壓傳感器來(lái)測(cè)量。

＇

＇

（3）試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

表一、直管阻力試驗(yàn)數(shù)據(jù)表光滑直管內(nèi)徑8.0mm、管長(zhǎng)1.69米

t=μ＝ρ＝RQΔPuReλ（L/h）（KPa）（mmH2O）（Pa）（m/s）序號(hào)1234567891011121314151617181920

表二、直管阻力試驗(yàn)數(shù)據(jù)表粗糙直管內(nèi)徑10.0mm、管長(zhǎng)1.69米

t=μ＝