流动阻力的测定.doc

目录第一章 前言11.1 流体11.2 流体力学11.2.1 流体力学简介11.2.2 流体力学的应用领域11.2.3 流体力学的发展21.2.4 流体力学的基本假设31.2.4 流体力学的展望31.3 流动阻力的测定对流体力学的意义32.1 实验原理42.2 实验方法62.2.1 实验装置62.2.2 实验流程72.2.3 实验步骤8第三章 结果与讨论93.1 直管阻力数据93.2 局部阻力数据93.3 摩擦系数如雷洛数的关系103.4 局部阻力系数的计算113.5 直管阻力系数的计算12致谢14参考文献152011.1 论文 15第一章 前言1.1 流体流体是液体和气体的总称，是由大量的、不断地作热运动而且无固定平衡位置的分子构成的，它的基本特征是没有一定的形状和具有流动性。流体都有一定的可压缩性，液体可压缩性很小，而气体的可压缩性较大，在流体的形状改变时，流体各层之间也存在一定的运动阻力（即粘滞性）。当流体的粘滞性和可压缩性很小时，可近似看作是理想流体，它是人们为研究流体的运动和状态而引入的一个理想模型。1.2 流体力学1.2.1 流体力学简介流体力学，是研究流体(液体和气体)的力学运动规律及其应用的学科。主要研究在各种力的作用下，流体本身的状态，以及流体和固体壁面、流体和流体间、流体与其他运动形态之间的相互作用的力学分支。流体力学是力学的一个重要分支，它主要研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律。在生活、环保、科学技术及工程中具有重要的应用价值。流体力学中研究得最多的流体是水和空气。它的主要基础是牛顿运动定律和质量守恒定律，常常还要用到热力学知识，有时还用到宏观电动力学的基本定律、本构方程和物理学、化学的基础知识。1738年伯努利出版他的专著时，首先采用了水动力学这个名词并作为书名；1880年前后出现了空气动力学这个名词；1935年以后，人们概括了这两方面的知识，建立了统一的体系，统称为流体力学。1.2.2 流体力学的应用领域除水和空气以外，流体还指作为汽轮机工作介质的水蒸气、润滑油、地下石油、含泥沙的江水、血液、超高压作用下的金属和燃烧后产生成分复杂的气体、高温条件下的等离子体等等。气象、水利的研究，船舶、飞行器、叶轮机械和核电站的设计及其运行，可燃气体或炸药的爆炸，以及天体物理的若干问题等等，都广泛地用到流体力学知识。许多现代科学技术所关心的问题既受流体力学的指导，同时也促进了它不断地发展。1950年后，电子计算机的发展又给予流体力学以极大的推动。1.2.3 流体力学的发展流体力学是在人类同自然界作斗争和在生产实践中逐步发展起来的。古时中国有大禹治水疏通江河的传说；秦朝李冰父子带领劳动人民修建的都江堰，至今还在发挥着作用；大约与此同时，古罗马人建成了大规模的供水管道系统等等。对流体力学学科的形成作出第一个贡献的是古希腊的阿基米德，他建立了包括物理浮力定律和浮体稳定性在内的液体平衡理论，奠定了流体静力学的基础。17世纪，力学奠基人牛顿研究了在流体中运动的物体所受到的阻力，得到阻力与流体密度、物体迎流截面积以及运动速度的平方成正比的关系。他针对粘性流体运动时的内摩擦力也提出了牛顿粘性定律。但是，牛顿还没有建立起流体动力学的理论基础，他提出的许多力学模型和结论同实际情形还有较大的差别。之后，法国皮托发明了测量流速的皮托管；达朗贝尔对运河中船只的阻力进行了许多实验工作，证实了阻力同物体运动速度之间的平方关系；瑞士的欧拉采用了连续介质的概念，把静力学中压力的概念推广到运动流体中，建立了欧拉方程，正确地用微分方程组描述了无粘流体的运动；伯努利从经典力学的能量守恒出发，研究供水管道中水的流动，精心地安排了实验并加以分析，得到了流体定常运动下的流速、压力、管道高程之间的关系伯努利方程。欧拉方程和伯努利方程的建立，是流体动力学作为一个分支学科建立的标志，从此开始了用微分方程和实验测量进行流体运动定量研究的阶段。从18世纪起，位势流理论有了很大进展，在水波、潮汐、涡旋运动、声学等方面都阐明了很多规律。法国拉格朗日对于无旋运动，德国赫姆霍兹对于涡旋运动作了不少研究在上述的研究中，流体的粘性并不起重要作用，即所考虑的是无粘流体。1.2.4 流体力学的基本假设流体力学有一些基本假设，基本假设以方程的形式表示。例如，在三维的不可压缩流体中，质量守恒的假设的方程如下：在任意封闭曲面（例如球体）中，由曲面进入封闭曲面内的质量速率，需和由曲面离开封闭曲面内的质量速率相等。（换句话说，曲面内的质量为定值，曲面外的质量也是定值）以上方程可以用曲面上的积分式表示。流体力学假设所有流体满足以下的假设：质量守恒动量守恒连续体假设在流体力学中常会假设流体是不可压缩流体，也就是流体的密度为一定值。液体可以算是不可压缩流体，气体则不是。有时也会假设流体的黏度为零，此时流体即为非粘性流体。气体常常可视为非粘性流体。若流体黏度不为零，而且流体被容器包围（如管子），则在边界处流体的速度为零。1.2.4 流体力学的展望从阿基米德到现在的二千多年，特别是从20世纪以来，流体力学已发展成为基础科学体系的一部分，同时又在工业、农业、交通运输、天文学、地学、生物学、医学等方面得到广泛应用。今后，人们一方面将根据工程技术方面的需要进行流体力学应用性的研究，另一方面将更深入地开展基础研究以探求流体的复杂流动规律和机理。后一方面主要包括：通过湍流的理论和实验研究，了解其结构并建立计算模式；多相流动；流体和结构物的相互作用；边界层流动和分离；生物地学和环境流体流动等问题；有关各种实验设备和仪器等。1.3 流动阻力的测定对流体力学的意义在化工过程设计过程中，流体流动组里的测定或计算，对于确定流体输送所需推动力的大小，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。本实验使用图解法测定流体流动阻力的阻力系数。第二章 实验部分2.1 实验原理流体在管路中流动时,由于粘性剪应力和涡流的存在,不可避免地引起流体压力的损失。流体在流动时所产生的阻力有直管摩擦阻力(又称沿程阻力)和管件的局部阻力。这两种阻力，一般都是用流体的压头损失hf或压强降DPf表示。 1.直管阻力 直管摩擦阻力hf与摩擦系数之间关系(范宁公式)如下:（1）式中，hf为直管阻力损失，J/kg；l为直管长度，m；d为直管内径，m；u为流体平均速度，m/s；为摩擦系数，无因次。 其中摩擦系数是雷诺数Re和管壁相对粗糙度/d的函数，即=f(Re,/d)。对一定相对粗糙度而言，=f(Re)；随/d和Re的变化规律与流体流动的类型有关。层流时，仅随Re变化，即=f(Re)；湍流时，既随Re变化又随相对粗糙度/d改变，即=f(Re,/d)。 据柏努利方程式可知阻力损失hf的计算如下： （2） 当流体在等直径的水平管中流动时，产生的摩擦阻力可由式(2)化简而得：（3） 式中，r为流体的平均密度,kg/m3；p1为上游测压截面的压强，Pa；p2为下游测压截面的压强，Pa；Dp为两测压点之间的压强差，Pa；Dpf为单位体积的流体所损失的机械能，Pa。 其中压强差Dp的大小采用液柱压差计来测量，即在实验设备上于待测直管的两端或管件两侧各安装一个测压孔，并使之与压差计相连，便可测出相应压差Dp的大小。本实验的工作介质为水，在一定的管路中流体流动阻力的大小与流体流速密切相关。流速大，产生的阻力大，相应的压差大；流速小，阻力损失小，对应的压差也小。为扩大测量范围，提高测量的准确度，小流量下用水空气P型压差计；大流量下用水水银U型压差计。据流体静力学原理，对水空气P型压差计，压差Dp为Dp=(r-r空气)gDRrgDR（4）式中，DR为压差计的读数，mH2O；g为重力加速度，m/s2；r空气为空气在操作条件下的密度，Kg/m3。 对于水水银U型压差计，有Dp=(pHgp)gDR（5）式中，rHg为水银的密度，kg/m3。其余符号的意义同式(14)。 整理(11)和(13)两式得：（6） 而（7）式中，为流体的平均黏度，Pas。 在实验设备中，管长l与管内径d已固定，用水进行实验，若水温不变，则r与m也是定值。所以该实验即为测定直管段的流动阻力引起压强降DP与流速的关系。流量Vh的测定用转子流量计，据管内径的大小可算出流速u的值。调节一系列的流量就可测定和计算一系列的l与Re值，在双对数坐标中绘出lRe关系曲线。 2局部阻力 局部阻力是由于流体流经管件、阀门及流量计时，因流速的大小和方向都发生了变化，流体受到干扰和冲击，涡流现象加剧而造成的。局部阻力通常有两种表示方法，即当量长度法和阻力系数法。当量长度法是将流体流过管件或阀门而产生的局部阻力，用相当于流体流过与其具有相同管径的若干米长的直管阻力损失来表示，这个直管长度称为当量长度，用le表示。其特点是便于管路总阻力的计算。而局部阻力的测定通常采用阻力系数法。 据阻力计算通式：（8）式中，为局部阻力系数，无因次；u为在小截面管中流体的平均流速，m/s。 对于处在水平管路上的管件或阀门亦有式(3)这一关系，由此可知（9）即两测压点间的压强差Dp等于因流动阻力而引起的压强降Dpf。 (1)全开的截止阀 式(9)中Dpf为两测压点间的局部阻力与直管阻力之和。由于管件或阀门距测压孔的直管长度很短，引起的摩擦阻力与局部阻力相比可以忽略，Dpf可近似认为全部由局部阻力损失引起。 Dpf的大小通过测量Dp来获得。由于全开的截止阀的阻力系数较大，所以Dp采用水水银U型压差计来测量，原理同式(5)。可由式(3)和式(8)导出：（10）的大小与管径、阀门的材料及加工精度有关。 (2)突然扩大与突然缩小 在水平管的两测压点间列柏努力方程式（11） 局部阻力（12） 式中，p1为上游测压截面的压强，Pa；p2为下游测压截面的压强，Pa；u1为上游侧管内流体的流速，m/s；u2为下游侧管内流体的流速，m/s。由此可见，Dpf的大小除了包括局部阻力损失和可忽略的摩擦阻力损失之外，还包括动能和静压能之间能量转换值。由于突然扩大与突然缩小阻力系数x1，Dp可由水空气P型压差计来测量，而阻力系数x可由式(4)、式(8)、式(12)联立求得。特别注意Dp与动能变化的正负值。同样调节一系列的流量，可获取相应的阻力系数x值。2.2 实验方法2.2.1 实验装置2.2.2 实验流程 实验装置流程如图所示。水由离心泵从循环水槽中抽出，经两个并联的转子流量计计量后通过阀门控制流体流经不同的管路系统，最后流回水槽循环使用。管路系统中两根不同材料的直管用于测定直管阻力，第三根用于测定截止阀、突然扩大与突然缩小的局部阻力。 测压系统采用U型、P型两类压差计。本装置有三套水水银U型压差计，四套水空气P型压差计，根据流量大小选用不同的压差计来测量管件的压力降。所有压差计在使用前都需进行排气操作。大流量，用大转子流量计(LZB-80)测量；小流量，用小转子流量计(LZB-40)测量。设备尺寸如下： (1)DN25镀锌管：d内=27.5mm，l=3.5m； (2)DN25不锈钢管：d内=27.5mm，l=3.5m； (3)DN25不锈钢截止阀； (4)d1=27.5mm，d2=52.5mm的突然扩大；d1=52.5mm，d2=27.5mm的突然缩小，材质均为不锈钢。 (5)IST托架式单极单吸离心泵，规格：IST65-50-125； (6)不锈钢水槽：长1200mm宽600mm高800mm。2.2.3 实验步骤1熟悉实验装置，了解各阀门、旋塞的作用。 2检查水槽是否充满水，给水槽注水。 3关闭离心泵的出口阀，防止因启动电流太大而损坏电动机。同时关闭应该关闭的阀门，以防液体渗漏，影响流量和压强的测量。 4检查泵轴、叶轮是否转动。若转动灵活，接通电源，打开开关，启动离心泵。 5排气 (1)管路排气。在大流量下，使管内呈单相稳定流动。 (2)测压导管排气。对待测管路上的压差计的引压管依次排气：在大流量下，打开U型压差计上端的放气旋塞，排除引压管内的气泡；P型压差计的排气，将其上端的放气旋塞打开，直至连续出水为止，之后调整其液位为满刻度的1/2高度。 (3)检查排气是否完善。将水量开大后，再关闭离心泵的出口阀，观察压差计两端的液位是否平齐。若不平齐，继续排气操作。注意P型压差计的流量不得超过6m3/h。 6数据测量 测量阻力的顺序依次为光滑管、粗糙管、局部阻力(阀门、突然扩大、突然缩小同时测量)，实验数据记录在原始数据表中。 (1)直管阻力 用离心泵的出口阀来调节流量作实验。调节一个阀门开度，须经一定时间稳定后，记录一个流量，同时记录压差计的读数。实验从最小流量到最大流量依次测取1215组数据。为尽可能使实验数据在对数坐标中分布均匀，用小流量计测取56组数据，用大流量计测取79组数据。 (2)局部阻力 局部阻力的测定与直管阻力的测定步骤相同。在2.0m3/h6.0m3/h之间，按从小到大的顺序依次测5组数据。 7实验结束，关闭离心泵的出口阀，停泵。 8测量实验前和实验后的水温，取其平均值作为测量水温。第三章 结果与讨论3.1 直管阻力数据序号转速r/s左水银高右水银高R流速m/sReP摩擦系数直管阻力1596-3056873825.8017126543.5472280.0280647.37082534-342.4648.5306.15.1981113379.6378440.0280137.95863474-373.5617243.54.6141100640.3301050.0282830.19584414-402588.5186.54.030087901.04230580.0283923.12735347-431.5561.51303.377873675.51160720.0281716.12096307-445.4546.8101.42.988465182.66125360.0280712.57437270-456.5535.5792.628257326.779767.10.028279.796588236-465526.861.82.297350107.847640.60.028957.663669191-476.2516.2401.859240553.384945.40.028614.9602910162-481510.929.91.576934396.063696.60.029723.7078211136-485.4506.821.41.323828875.712645.70.030192.6537512107-490503131.041522718.391607.20.029621.612091378-493498.85.80.759216561.07717.080.024870.719241448-49549830.467210191.43370.900.033920.372021527-496497.51.50.26285732.677185.450.053690.186013.2 局部阻力数据序号转速r/s右管mm左管mmRu,m/SP直管阻力阻力系数1596-3017064052.26625007250.223019.556892534-347.5666.53192.03053943939.558319.188703474-380.4631.5251.11.80233104431.138219.170234414-408.6601192.41.57422378723.859019.254925347-437.9572134.11.31971657916.629319.103246307-452.5557.1104.61.16731293212.971119.036727270-463.8545.581.71.02661010110.131419.223478236-472.5535.763.20.89737813.77.8372719.463929191-483525.242.20.72625217.45.2331119.8418910162-489.2519.129.90.61603696.63.7078219.5424311136-493.551521.50.51712658.12.6661619.9387512107-497.5510.5130.40681607.21.6120919.476601378-500.5507.570.2965865.440.8680519.735411448-502.1505.83.70.1825457.450.4588227.545881527-503.6505.11.50.1026185.450.186