实验一 流体流动阻力的测定实验.doc

实验一 流体流动阻力的测定实验报告实验一 流体流动阻力的测定实验报告一、实验内容1. 测定流体在特定材质和 的直管中流动时的阻力摩擦系数 ，并确定 和 之间的关系。2. 测定流体通过阀们时的局部阻力系数。二、实验目的1.了解测定流体流动摩擦阻力系数的工程定义，掌握测定流体阻力的实验组织方法。2.测定流体流经直管的摩擦阻力系数和流径管件的局部阻力，确定直管阻力摩擦系数和雷诺数之间的关系。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、实验及泵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称为直管阻力；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，有截面1流动至截面2的阻力损失表现为压力的降低，即 Wf=(P2-P1)/=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工程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 管路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=f(d,l,u,) 根据因次分析法，可将上述变量之间的关系转变为无因次准数之间的关系 P/(u2)=(du/, l/d, /d) 其中du/=Re称为雷诺数，是表征流体流动形态影响的无因次准数；l/d是表示相对长度的无因次几何准数；/d称为管壁相对粗糙度。将式改写为P/ =(l/d)（Re, /d）u2/2 引入 =（Re, /d） 则 Wf =P/=(l/d) u2/2 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。直管两端的压差若用U型压差计测定，则：P=R(HgH2O)g其中R为U型压差计两侧的液柱高度差。由式可知，不管何种流体，直管摩擦系数仅与Re和/d有关。因此，只要在实验室规模的小装置，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体阻力损失。这也说明了因此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。（1）当量长度法：流体通过管件或噶们的局部阻力损失，若与流体流过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。在管路计算式，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，如卷路系统中直管长度为l，各种局部阻力的当量长度之和为lei，则流体在管路中流动的总阻力损失为 Wf=(l+le)/du2/2（2）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 We=P/=(u2/2)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、实验装置流程及说明1.实验装置流程1-水泵;2-温度计;3-涡轮流量计;4-控制阀;5-排气瓶;6-测压导管;7-平衡阀;8-U型压差计;9-排气阀;10-水槽;流体流动阻力测定实验装置图2.实验方案用自来水做实验物料；由实验原理及式Wf =(l/d) u2/2和P/=(u2/2)知，当实验装置确定后，只要该表管路中流体流速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，就能通过计算得到一系列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。五、 实验操作步骤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。2. 启动离心泵。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，在关闭离心泵和总电源。 六、实验数据1.实验数据记录涡轮流量变送器编号：990433 涡轮流量变送器仪表常数：327.16管子材料：镀锌白铁管 管子长度（直管）：L=2m 管子内径（直管）：d1=20mm 管子内径（局部）：d2=32mm水温：11.5 水的密度：999.7kg/m3水的黏度：1.2713mPas序号涡轮流量计频率 f(r/s)直管压差计读数局部压差计读数左侧水银柱高度hl/mm右侧水银柱高度hr/mm左侧水银柱高度hl/mm右侧水银柱高度hr/mm1451378.5611.4627.5318.02389406.4584.2589.5354.03324431.2559.5556.0386.04281443.8545.9538.0404.05248453.9536.2524.5416.56219461.4528.8513.8426.07179470.4519.8501.5438.08151475.1515.1495.2444.39121481.1509.2487.5452.31088486.5503.8479.8459.61162492.5497.5472.3466.51226494.5495.6470.1468.92.实验数据整理流体局部阻力测定实验数据整理表序号qv*10-3(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）11.379 4.388 309.50 38.331 3.981 21.189 3.785 235.50 29.166 4.072 30.990 3.152 170.00 21.054 4.237 40.859 2.734 134.00 16.595 4.440 50.758 2.413 108.00 13.375 4.595 60.669 2.131 87.80 10.874 4.790 70.547 1.742 63.50 7.864 5.186 80.462 1.469 50.90 6.304 5.841 90.370 1.177 35.20 4.359 6.291 100.269 0.856 20.20 2.502 6.825 110.190 0.603 5.80 0.718 3.948 120.079 0.253 1.20 0.149 4.645 的平均值4.904 流体直管阻力测定实验数据整理表序号qv*10-3(流量)（m3/s）u(流速)(m/s)Re*10 雷诺数R（压差计读数）（mmHg）Wf(局部阻力)（J/kg）*10 （摩擦系数）11.379 4.388 69.020 232.90 28798.085 29.910 21.189 3.785 59.540 177.80 21984.970 30.690 30.990 3.152 49.580 128.30 15864.295 31.940 40.859 2.734 43.010 102.10 12624.665 33.780 50.758 2.413 37.960 82.30 10176.395 34.960 60.669 2.131 33.520 67.40 8334.010 36.700 70.547 1.742 27.400 49.40 6108.310 40.260 80.462 1.469 23.110 40.00 4946.000 45.840 90.370 1.177 18.510 28.10 3474.565 50.150 100.269 0.856 13.460 17.30 2139.145 58.390 110.190 0.603 9.490 5.00 618.250 34.010 120.079 0.253 3.980 1.10 136.015 42.500 3.莫狄摩擦系数图七、计算示例Q1=f1/s=451/327.16=1.3785*10-3/m3/s s=d2/4=3.14*(0.02/2)2=3.14*10-4u1= Q1/s=1.3785*10-3/(3.14*10-4 )=4.3901m/s Re=du1/u=0.02*4.3901*999.7/(1.2713*10-3)= 6.904*104R1=232.9mmHg Wf1=p/=R1（Hg-)g=232.9*（13600-999.7）=2.935*106S2=d22/4=8.04*10-4m2 =2 Wf1/u12=3.046*105八、实验结果及讨论曲线表明，在湍流区，粗糙管内的摩擦系数随着雷诺数增加而逐渐减小，进入完全湍流区即阻力平方区。雷诺数对摩擦系数的影响越来越弱，基本趋于不变，工程意义：1.计算能量消耗，确定需加入流动系统的外功。2.寻求减小阻力方法以减小耗能。九、思考题1. 在管内的流动阻力？为什么？解：可以。从=（Re，/d）可以看出摩擦系数与流体具体流动形态无关。2. 两段管线的管长、管径、相对粗糙及管内的流速均相同，一根水平放置，另一根倾斜放置。问流体流过这两段管线的阻力及管子两端的压差是否相同，为什么？解：阻力相同，压差不同。机械能守恒 水平 Wf=(P1-P2)/ =(Hg-)gR/ 倾斜 Wf=(P1-P2)/ +g(z1-z2)= g(z2-z1+Hg-)gR/ =(Hg-)gR/由于直管中 Wf=l/d*u2/(2g) 由于管长：管径、粗糙、流速相同，所以，流动阻力相同。由于水的流动阻力未发生改变，即U型压差计仅仅反映流体流动阻力的大小，因而读数R不变。水平时，P=p2-p1=(Hg-)gR；倾斜时，P=p2-p1=(Hg-)gR+g(z2-z1)。3. U型压差计上装设的“平衡阀”有何作用？在什么情况下它是开着的，在什么情况下它是关着的？解：作用是排除管路的残留气体，故设平衡阀。实验正式开始前排除系统中气体时打开，实验进行过程中要关闭4.