化工原理实验—流体流动阻力测定实验.docx

化工原理实验报告流体流动阻力测定实验班 级： 031112班 小 组： 第六组 指导老师： 刘慧仙 组 长： 陈 名 组 员： 魏建武 曹 然 实验时间： 2013年10月18日 目录目录一、实验内容1二、实验目的1三、实验基本原理11.直管阻力12.局部阻力3四、实验设计31.实验方案32.测试点及测试方法3原始数据3测试点4测试方法43.控制点及调节方法44.实验装置和流程设计4主要设备和部件4实验装置流程图4五、实验操作要点5六、实验数据处理和结果讨论分析6实验数据处理61.实验数据记录表62.流体直管阻力测定实验数据整理表73.流体局部阻力测定实验数据整理表84.计算示例。9结果讨论分析10七、思考题11中国地质大学（武汉） 031112班 化工原理实验报告实验一 流体流动阻力的测定实验一、实验内容1.测定流体在特定材质和d的直管中流动时的阻力摩擦系数，并确定和Re之间的关系。2.测定流体通过阀门时的局部阻力系数。二、实验目的1.了解测定流体流动阻力摩擦系数的工程定义，掌握测定流体阻力的实验方法。2.测定流体流径直管的摩擦阻力和流经管件或局部阻力，确定直管阻力摩擦系数与雷诺数之间的关系。3.熟悉压差计和流量计的使用方法。4.认识组成管路系统的各部件、阀门并了解其作用。三、实验基本原理流体管路是由直管、管件（如三通、肘管、弯头）、阀门等部件组成。流体在管路中流动时，由于黏性剪应力和涡流的作用，不可避免地要消耗一定的机械能，流体在直管中流动的机械能损失为直管阻力；而流体通过阀门、管件等部件时，因流动方向或流动截面的突然改变导致的机械能损失称为局部阻力。在化工过程设计中，流体流动阻力的测定或计算，对于确定流体输送所需推动力的大小，例如泵的功率、液位或压差，选择适当的输送条件都有不可或缺的作用。1.直管阻力流体在水平的均匀管道中稳定流动时，由截面1流动至截面2的阻力损失表现为压力的降低，即hf=p1-p2=p 由于流体分子在流动过程中的运动机理十分复杂，影响阻力损失的因素众多，目前尚不能完全用理论方法来解决流体阻力的计算问题，必须通过实验研究掌握其规律。为了减少实验工作量，简化实验工作难度，并使实验结果具有普遍应用意义，可采用因次分析方法来规划实验。将所有影响流体阻力的因素按以下三类变量列出 流体性质 密度，黏度； 管路几何尺寸 管径d，管长l，管壁粗糙度； 流动条件 流速u； 可将阻力损失hf与诸多变量之间的关系表示为p=fd,l,u, 根据因次分析法，可将上述变量之间的关系转化为无因次准数之间的关系pu2=du,ld,d 其中du=Re称为雷诺准数（Reynolds number），是表征流体流动形态影响的无因次准数；ld是表示相对长度的因次几何维数；d称为管壁相对粗糙度。将式改写为p=ldRe,du22 引入 =Re,d 则hf=p=ldu22 式即为通常计算直管阻力的公式，其中称为直管阻力摩擦系数。直管段两端的压差若用水银U型压差计测定，则p=RHg-H2Og 其中R为U型压差计两侧的液注高度差。由式可知，不管何种流体，直管摩擦系数仅与Re与d有关。因此，只要在实验室规模的小装置上，用水作实验物系，进行有限量的实验，确定与Re和d的关系，即可由式计算任一流体在管路中的流动阻力损失。这也说明了因次分析理论指导下的实验方法具有“由小见大，由此及彼”的功效。2.局部阻力局部阻力通常用当量长度法或局部阻力系数法来表示。当量长度法：流体通过管件或阀门的局部阻力损失，若与流体流这一定长度的相同管径的直管阻力相当，则称这一直管长度为管件或阀门的当量长度，用符号le表示。这样，就可用直管阻力的公式来计算局部阻力的损失。在管路计算时，可将管路中的直管长度与管件阀门的当量长度合并在一起计算，如管路系统中直管长度为l，各种局部阻力的当量长度之和为ilei，则流体在管路中流动的总阻力损失为hf=l+ieidu22 局部阻力系数法：流体通过某一管件或阀门的阻力损失用流体在管路中的动能系数来表示，这种计算局部阻力的方法，称为阻力系数法，即he=p=u22一般情况下，由于管件和阀门的材料及加工精度不完全相同，每一制造厂及每一批产品的阻力系数是不尽相同的。四、实验设计1.实验方案用自来水做实验物料；由实验原理及式hf=ldu22和p=u22知，当实验装置确定后，只要改变管路中流体流速u或流量V，测定相应的直管阻力压差p1和局部阻力压差p2，就能通过计算得到的和的值以及相应的Re的值；在安排实验点的分布时，要考虑到随Re的变化趋势，在小流量范围适当多布点。2.测试点及测试方法原始数据 有流速u（或流量V），直管段压差p1和局部段压差p2，流体温度t（据此确定、），此外还有管路直径d和直管长度l。测试点 需在直管段两端和局部两端各设一对测压点，分别用以测定p1和p2，在管路中配置一个流量（或流速）和温度测试点，共6个测试点。测试方法 直管段和局部段压差的测定：采用水银U型压差计流速或流量的测定：工程上测量流量较测流速更为方便，如用涡轮流量计测定流量，则Q=f其中f涡轮流量计的转子频率，其数值用数显仪表显示；涡轮流量计的仪表系数；Q流量，L/s。温度的测定：用水银玻璃温度计测定，。3.控制点及调节方法实验中需控制调节的参数是流体流量Q，可以在管路系统出口端设置一控制调节阀门，用以调节流量并保证整个管路系统满灌。4.实验装置和流程设计主要设备和部件离心泵、循环水箱、涡轮流量计、阀门、直管及管件、玻璃水银U型压差计、温度计实验装置流程图实验装置流程如图1-1所示，由管子、管件、闸阀（用于局部阻力测定）、控制阀、流量计及离心泵等组成一个测试系统。测试系统的前半部分为局部阻力测试段，后半部分为直管阻力测试段。为了节约用水，配置水箱供水，循环使用。为了防止脏物进入系统造成堵塞，在泵的入口加装过滤器。为了保证系统满灌，装置的出口端应高于测试段或将控制阀安装在出口端。为了排除管路的残留气体，在装置的最高处装设排气阀。为了实验结束排空系统中的液体或定期更换水箱中的水，在循环水箱底部设排泄阀。涡轮流量计在安装时须保证前后有足够的直管稳定段和水平度。五、实验操作要点1.实验正式开始前，关闭流体出口控制阀门，打开水银压差计平衡阀。（为什么）见思考题12.启动离心泵。（注意什么）是否需要灌泵，泵在液面下，不需要灌泵。3.分别进行管路系统、引压管、压差计的排气工作，排出可能积存在系统内的空气，以保证数据测定稳定，可靠。管路系统排气：打开出口调节阀，让水流动片刻，将管路中的大部分空气排出。然后将出口阀关闭，打开管路出口端上方的排气阀，使管路中残余空气排出。引压管和压差计排气：依次打开并迅速关闭压差计上方的排气阀，反复操作几次，将引压管和压差计内的空气排出。排气时要注意严防U型管压差计中水银冲出。4.排气结束后，关闭平衡阀。5.将出口控制阀开至最大，观察最大流量范围或最大压差变化范围，据此确定合理的实验布点。6.流量调节后，须稳定一段时间，方可测取有关数据。7.实验结束后，先打开平衡阀，关闭出口控制阀，再关闭离心泵和总电源。六、实验数据处理和结果讨论分析实验数据处理1.实验数据记录表表1-1 实验数据记录表涡轮流量变送器编号 990884 涡轮流量变送器仪表常数 332.66 管子材料 镀锌白铁管 管子长度（直管） 2 m 管子内径（直管） 20 mm 管子内径（局部） 32 mm水 温 22 水的密度 997.8 kg/m3 水的黏度 0.9579 mPas 序号涡轮流量计频率f直管阻力压差p1局部阻力压差p2左侧水银柱高hL（mm）右侧水银柱高hL（mm）左侧水银柱高hL（mm）右侧水银柱高hL（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.流体直管阻力测定实验数据整理表表1-2 流体直管阻力测定序号qV10-3（流量）（m3/s）u（流速）（m/s）Re10-4雷诺数R（压差计读数）（mmHg）Wf（直管阻力）（J/kg）102（摩擦系数）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.流体局部阻力测定实验数据整理表表1-3 流体局部阻力测定实验数据整理表序号qV10-3（流量）（m3/s）u（流速）（m/s）R（压差计读数）（mmHg）Wf（局部阻力）（J/kg）（局部阻力系数）11.69242.1044405.450.22922.68621.48501.8464313.938.89222.81531.19641.4876205.525.46123.01041.07021.3306167.120.70423.38650.96801.2036136.516.91223.35160.90481.1251121.115.00423.70870.75750.941985.610.60623.90980.71240.885876.59.47824.15790.64630.803663.07.80624.174100.57420.713950.56.25724.553110.48700.605537.04.58425.006120.36070.448521.92.71326.975130.24650.306511.51.42530.336140.13230.16454.90.60744.892150.00000.00000.00.000 的平均值：24.466 （舍弃序号为14的数据）4.计算示例。流体直管阻力实验数据计算示例公式：qV=f u=qV4d2 Re=du p=RHg-H2OgWf=pH2O=ldu22 R=HL-HR计算：（取表1-1中序号为1的数据为例）qV=f=563332.66=1.6924 L/s=1.692410-3 m3/su=qV4d2=1.692410-340.022=5.3871 m/sRe=du=0.025.3871997.80.957910-3=11.2231104R=HL-HR=792.5-211.5=581.0p=RHg-H2Og=581.010-313600-997.89.81=71.8276 kPaWf=pH2O=71827.6997.8=71.986 J/kg=2Wfdlu2=271.9860.0225.38712=0.04961流体局部阻力实验数据计算示例公式：qV=f u=qV4d2 p=RHg-H2Og Wf=p=u22 R=HR-HL计算：（取表1-1中序号为1的数据为例）qV=f=563332.66=1.6924 L/s=1.692410-3 m3/su=qV4d2=1.692410-340.0322=2.1044 m/sR=HR-HL=743.6-338.2=405.4p=RHg-H2Og=405.410-313600-997.89.81=50.1186 kPaWf=p=50118.6997.8=50.229 J/kg=2Wfu2=250.2292.10442=22.686结果讨论分析1. 在双对数坐标纸上关联和Re之间的关系。取镀锌白铁管的绝对粗糙度=0.2 mm，则d=0.220=0.01。由实验数据处理后，所得摩擦系数与雷诺准数Re的关系图形如下：图1-2 摩擦系数与雷诺准数Re的关系图根据资料显示，摩擦系数与雷诺准数Re的关系应该是随着Re的增大，的值逐渐减小。因此应该舍弃表1-2中序号为2、7、11的三组数据。得到如上图所示的关系曲线。2.对实验结果进行分析讨论，例如：讨论一下和Re之间的关系，根据所标绘的曲线引申推测一下管路的粗糙程度，论述所得结果的工程意义等等，并从中得出若干结论。答：摩擦系数与雷诺准数Re的关系应该是随着Re的增大，的值逐渐减小。根据所得到的曲线图，可以推测管路的粗糙程度=0.2 mm。根据Re的不同，可以将流体流动分为四个区域，层流区、过渡区、湍流区、完全湍流区。根据要输送的液体的性质，可以根据上图的关系，算出摩擦系数，即可根据流速、管径等要求选择相对应的管材。在化工生产中的管路，根据其材质和加工情况，大致可以分为两类，即光滑管和粗糙管。管路壁面凸出部分的平均高度称为绝对粗糙度，以表示。绝对粗糙度与管径的比值即d，称为相对粗糙度。根据上图可以查出摩擦系数，即可算出管壁的粗糙度。3.对实验数据进行必要的误差分析，评价一下数据和结果的误差，并分析其原因。答：由实验所求得的数据可以看出，计算直管阻力的时候，序号为2、7、11的三组数据明显不符合随着Re的增大，的值逐渐减小的变化规律。应该舍弃。计算局部阻力时，序号为14的局部阻力系数明显比其它数据大很多，也应该舍弃。局部阻力系数明显偏大。原因：管路中水流不稳定，导致U型管水银压差计两端的水银面不稳定，读数的偏差较大。导致算出的数据与原定的曲线有偏差，和个别数据的极不合理。减少误差：尽量