化学原理论文1[1].doc

流体在突扩与突缩管路中的局部阻力损失摘 要本文对流体流动产生局部阻力的实验做了分析讨论，并进行了结果总结，提出了改进设想。通过本次实验加深对流体流动阻力基本理论的认识。关键词:局部阻力损失;雷诺数;阻力系数1 前言在化工生产中，需要将流体从一台设备送到另一台设备，从一个位置送到另一个位置，这就牵涉到流体输送、流体计量、流体输送机械的选择等问题。因此，为了能更符合现代化工生产的实际情况，培养我们的工程观念，福州大学化工原理教研室与北京化工大学化工原理教研室联合研制了：流体流动阻力及离心泵联合实验装置。流体流动阻力实验中，我们的实验任务是测定流体在突扩管中流动的局部阻力损失有关的一些参数。用牛顿型流体流动阻力及离心泵联合实验装置，测出水在突扩管中流动的局部阻力系数及压头损失，来验证与Re的关系。在实验过程中我们测得孔板流量计与压降管的压降及水的温度。2 实验部分2.1 实验原理流体在管内层流状态(Re4000)时，流体内部充满了大小涡流，流体质点运动速度和方向都发生改变，质点之间不断相互碰撞引起质点之间动量交换，使之产生湍动阻力。因此流体在流动过程中不可避免的都要消耗一定的机械能。管件造成的机械能损失称为局部阻力损失，是指流体通过管路中的管件（如三通、弯头、大小头等）、阀门、管子出入口及流量计等局部障碍处而发生的阻力。由于在局部障碍处，流体流动方向或流速发生突变，产生大量旋涡，加剧了流体质点间的内摩擦。因此，局部障碍造成的流体阻力比等长的直管造成的阻力大得多。流体在流动中遇到突然扩大管或突然收缩管时造成的也是局部阻力损失。突然扩大时产生阻力损失的原因在于边界层脱体。流道突然扩大，下游压强上升，流体在逆压强梯度下流动，极易发生边界层而产生旋涡，如图1-33a所示。 流道突然缩小时，见图1-33b，流体在顺压强梯度下流动，不致发生边界层脱体现象。因此，在收缩部分不发生明显的阻力损失。但流体有惯性，流道将继续收缩至0-0面，然后流道重又扩大。这是，流体转而在逆压强梯度下流动，也就产生边界层分离和旋涡。可见，突然缩小造成的阻力主要还在于突然扩大。由柏努利方程可知，对于水平放置的不可压缩流体流动局部阻力造成的能量损失(压头损失)，可由管路系统两截面的压力差(压头差)来测定，柏努利方程可简化为：hf=(P1-P2)/+（u12-u22）/2 (J/kg)-(1-1)或 Hf=(P1-P2)/g+（u12-u22）/2g (m液柱)-(1-2) 式中：hf-单位质量流体因流动阻力所造成的能量损失。J/kg;Hf-单位重量流体因流动阻力所造成的能量损失(压头损失)，m液柱； P1-流体在1-1截面的压强，Pa或N/m2;P2-流体在2-2截面的压强，Pa或N/m2;-流体密度，kg/m3;u1-流体在1-1截面的流速，m/s;u2-流体在2-2截面的流速，m/sg-重力加速度，9.81m/s2。流体在突扩管流动的情况下，流体因所造成的能量损失或压头损失一般有如下的关系式：hf=(P1-P2)/（u12-u22）/2=u12/2 (J/kg)-(1-3)或 Hf=(P1-P2)/g+（u12-u22）/2g =u12/2g (m液柱)-(1-4) 式中：-局部阻力系数，(无因次)；值一般由实验测定，它与Re准数、管件阀体的种类几何形状、结构尺寸有关，当Re准数大到一定值以后，即与Re数无关。2.3试验装置与流程：简要装置流程如图所示。在设备中有3条横向排布的管路，自上而下分别为：No1粗糙管，为26.5*2.75mm的镀锌管，测压点间距l=1.5m；No2 突然扩大管，为22*3mm 48*3mm的不锈钢管；No3 孔板流量计管路，为48*3mm 的不锈钢管，其孔径d0=21.0mm,测压点间距l=1.5m.本实验装置及流程原实验装置是由低位水槽、循环水泵、试验导管和高位稳压水槽组成,每个测试管的测压口通过转换阀组与压力计连通。转换阀组由数对旋塞组成,压力计为一倒置U型水柱压力计。孔板流量计则直接与U型压力计相连,用以测量管路中流体的流量。泵先将水由低位水槽送至试验管路,由下而上流动,最后流入高位稳压水槽;由高位稳压水槽溢流出来的水,可直接返回低位水槽;并用实验管路流量控制阀调节管路中流体的流量。离心泵将水箱内的清水打入系统中，经孔板流量计计量后，通过管路切换阀进入相应的测量管路，在管内的流动压头损失，可由倒U型压差计测量。试验中，可以通过调节流量调节阀测定不同流量下的压头损失。利用本试验装置可进行如下项目的测定：1、利用No1管进行湍流区镀锌管（粗糙管）摩擦系数的测定并利用流体流动阻力的数据测定管壁粗糙度；2、 利用No2管进行突扩管局部阻力系数的测定；3、利用No3管进行不同流量下孔板流量计永久压强降的测定。2.4实验步骤：1.检查各有关阀门(包括测压口阀门)是否符合直管阻力和弯头局部阻力测定的要求，是否符合安全操作的要求；2.关闭水泵出口阀，启动水泵电源；3.开启泵水口阀，排除管路中的空气，测定数据；4.实验结束，先关闭泵出口阀，然后切断电源。2.5实验结果： 251原始数据：（镀锌管见附表）附录表1突扩管局部阻力实验原始数据记录表1序号水温t/孔板压降左/mm 右/mm R/mm 突扩管压降左/mm 右/mm R/mm 12345678910111226.126.226.526.626.726.827.026.927.027.027.026.9-131 399 530-92 378 470-56 357 413-20 331 35912 318 30650 296 24662 288 22680 277 197110 262 152112 259 147146 244 98175 234 59235 -420 657238 -358 596246 -282 528241 -213 454233 -151 384225 -84 309221 -62 283213 -28 241208 21 187205 25 180195 83 112190 129 612.5.2数据处理一、水的密度和粘度计算公式：1、 密度：=-0.003589285t2-0.0872501t+1001.44式中：t水的平均温度 2.粘度 =0.000001198EXP(1972.53/(273.15K+t)式中：t水的平均温度二、孔板流量计计算公式与参数1、 计算公式 V = C1PC2式中：V流量，m3/hP孔板压差，kPaC1、C2孔板流量计参数 2、参数第二套设备: C1=1.59 C2=0.51三、孔板压降与突扩管压降计算公式1、 孔板压降: R=| R(左)- R(右)|(mm) P=gR*10-6式中：R倒U型压差计的刻度,mm2、 突扩管压降: R=|R(左)- R(右)|(mm) P=gR*10-6式中：R倒U型压差计的刻度,mm P突扩管压降, kPa四、突扩管阻力系数的计算公式由hf=(P1-P2)/（u12-u22）/2=u12/2,在本实验中可简化为P/=gR=u12/2所以 =2gR/u12=2*10-3*0.7852*36002gRd14/V2其中d1为突扩管的小管直径.五、雷诺数Re的计算公式 Re= d1u/式中：Re雷诺数,无因次图1 阻力系数与雷诺数的关系附录表2突扩管局部阻力实验数据处理记录表1序号孔板压降P/kPa突扩管压降P/kPa流量V/m3/h突扩管阻力系数Re*10 -4lgRe密度/kg/m3粘度*10415.18226.4243.67960.49839.30874.9689998.90778.732624.59545.82743.46090.5118.75464.9422996.69028.713434.03785.16213.23990.51658.24964.9146996.60738.656143.50974.43843.01640.51247.67164.8849996.57958.66652.99153.7542.78040.51017.11054.8519996.55178.618262.40493.02082.48740.51296.3754.8044996.52378.599372.20922.76642.38210.50276.13164.7876996.46778.561781.92582.35592.2210.50175.70454.7562996.49578.580591.48591.8281.94580.50725.00854.6997996.46778.5617101.4371.75961.91290.50524.92384.6923996.46778.5617110.9581.09481.55560.47534.00414.6025996.46778.5617120.57680.59641.20090.43442.99164.4759996.49578.58052.5.3计算举例取突扩管局部阻力实验的第三组数据为例：温度t=26.5 1.密度=-0.003589285t2-0.0872501t+1001.44 =-0.003589285*26.52-0.0872501*26.5+1001.44 =996.6073kg/m3 2.粘度 =0.000001198EXP(1972.53/(273.15K+t) =0.000001198 EXP(1972.53/(273.15K+26.5) =8.6561*10-4 Pa*s3.孔板流量计：R(左)=-56mm R(左)=357mm R=413mm 孔板流量压差P=gR=996.6073 kg/m3*9.81m/s2*0.413m=4037.7844Pa=4.0378 kPa压 降 计：R(左)=246mm R(右)=-282mm R=528mm4.压降计压差: P=gR =996.6073 kg/m3*9.81m/s2*0.528m=5162.1069Pa =5.1621 kPa第二套设备 C1=1.59 C2=0.515.流 量：Vs=C1*PC2=1.59*4.03780.51=3.2399 m3/h 6.流 速：u=4* Vs/(3600*d2) =4*3.2399 /(3600*3.14*(0.016)2) =4.4761m/s 7.雷 诺 数：Re=du/=(0.016*4.4761*996.6073)/0.00086561=82455.86698.阻力系数: P/=*u2/2 =2*P/*u2=2*10-3*0.7852*36002gRd14/V2 =2*10-3*0.7852*36002*9.81*528*0.0164/3.23992=0.5165同理可算出其他11组数据,即上表效果。取镀锌管直管阻力的第三组数据: 温度t=24.51.密度=-0.003589285t2-0.0872501t+1001.44 =-0.003589285*33.3*33.3-0.0872501*33.3+1001.44 =997.1479kg/m3 2.粘度 =0.000001198EXP(1972.53/(273.15+t) =0.000001198 EXP(1972.53/(273.15+24.5) =9.0476*10-4 Pa*s3.孔板流量计：R(左)=-83mm R(右)=372mm R=455mm 孔板流量压差P=gR=997.1479 kg/m3*9.81m/s2*0.455m=4.4508kPa5.第二套设备 C1=1.59 C2=0.51流量：V=C1PC2=1.59*4.54080.51=3.4049m3/h 6.雷诺数：Re=du/=V/(3600*0.785d)=4.8072*1047.阻力系数：P/=*(L/d)*u2/2 L（管长）=1.5米=2Rgd/Lu2=2.7977*10-2同理可算出其他11组数据,即附录表表2-2所示.3.结果讨论流体在遇到突然扩大时产生阻力损失的原因在于边界层脱体。要减小局部阻力,可以通过控制边界层来实现.控制边界层的方法:在会堆积回流的流体的地方,通过物体表面上的缝隙或小孔把流体吸入物体内部。假如由此防止了减速流体的堆积，则流动的分离就不会发生。抽吸流体还有降低紧靠缝口之前区域中的压力的作用，因而就防止了在那里出现分离。如果阻力已经是很小的话，这样做并不能减少阻力，但是我们可以对较短或教粗的物体得到几乎没有涡流的运动。在普朗特曾指出过的突然扩大渠道中，渠壁有抽吸的流动情况，流体附着与边界，由于截面积的增力，当流体贴壁流动时，速度迅速地滞缓。而在无抽吸时则形成射流。通过抽吸流体，可以使层流的稳定性在两方面得到改善。第一是边界层厚度变薄，因而雷诺数减小，第二是边界层剖面形状变得更丰满，抽吸对边界层剖面形状的影响与有压力降落的情况相似，因而使临界雷诺数提高，这种，即使在大雷诺数情况下也能保持边界层一