王秋红-阻力第一组-200911095.doc

北 京 化 工 大 学实 验 报 告课程名称： 化工原理实验 实验日期： 2011.10.27班 级： 化工0904 姓 名： 王秋红同 组 人： 方 晨 ，韦旭东，王秋红流体阻力实验一、摘要本实验以水为介质，使用FFRS-II型流体阻力实验装置,测定了水流经直管道、局部管道的阻力系数，Re104105。实验验证了湍流状态下直管摩擦阻力系数受Re和/d共同影响；层流状态下直管摩擦阻力系数仅是Re的函数，且在双对数坐标系内呈线性关系；局部阻力系数受Re和局部形状影响，尤其局部形状的差异影响远大于Re。实验得到的直管道阻力系数关联图与教材P29的图1-32接近，此图为双对数坐标，满足工程上允许的误差范围，在实际应用中，可适当参考该图数据求取阻力系数，进一步计算流体阻力。关键词：摩擦阻力系数 局部阻力系数 Re /d 2、 实验目的1、 识别组成管路的各种管件、阀门等，了解其作用；了解涡轮流量计，铂电阻温度计，压差传感器的安装、使用及其优缺点；学会使用装置的现场仪表和电气控制系统2、掌握用量纲分析法解决实际问题；理解测定摩擦阻力系数的工程意义3、测定直管的摩擦阻力系数及突然扩大管和阀门的局部阻力系数4、测定层流管的摩擦阻力5、验证湍流区内摩擦阻力系数为Re及的函数6、将所得的光滑管 Re与Blasius方程比较7、培养团队协作能精神与处理问题的能力3、 实验原理流体在流动过程中，由于粘性会发生相互间的摩擦，从而导致其机械能减少，我们称之为阻力损失。计算流体阻力一种方法是测得管路上、下游两个截面的机械能，当没有外加能量时，两者的差值即是阻力损失；另一种方法是通过因次分析，得到一定条件下通用的公式，此法在科学研究和工程计算上应用广泛，具体如下：1、直管阻力损失（1）影响因素流体性质：密度，粘度 流体的几何尺寸：管长l，管径d，关闭粗糙度 流动条件：流速u（p,Z）于是待求关系式为 h f =(d, u,) （1）（2）简化实验，确定函数关系：使用因次分析法，将所有变量组合成4个无因次数群：雷诺准数Re : du/ 相对粗糙度 : /d管道长径比 : l/d 能量项 : hf/u2确定函数关系： （2）对于水平无变径直管道，结合柏努利方程上式变为： （3） 令 可得： （4）式中 hf 直管阻力，JKg-1；l 被测管长，m；d 被测管内径，m；u 平均流速，ms-1；摩擦阻力系数。(4)式适用于湍流直管条件下的阻力计算，大量实验表明，当管道内壁非常光滑，即相对粗糙度低于某一数值后，与Re的关系遵循Blasius关系式：=0.3163/Re0.25 （5）当流体处于层流状态时，摩擦阻力系数将不受相对粗糙度的影响，由理论推导得： （6）当流体流经等径管道局部（弯头、阀门等），不考虑直管段长度，方程变为以下形式： (7) 当流体流经突然扩大管道(p1p2)时： (8)称为局部阻力系数，它与流体流过的管件的几何形状及流体的Re数有关，当Re大到一定值后，与Re数无关，为定值。 用传感器测量压降时，要求主管路和引压管线中的液体必须连续，不能有气泡。主管路排气可开大流量阀门，使水大量快速流过管道，将其中气体带走。引压管线中的气体可在关闭出口流量调节阀的情况下，打开传感器两侧的排气阀门将其排净，最后注意将排气阀关闭。2、局部阻力损失函数 局部阻力系数： 考虑流体阻力等因素，通常管道设计液速值取13m/s，气速值取1030m/s。 大多数阀门：顺时针旋转是关闭，逆时针旋转是打开。4、 实验流程1、水箱 2、水泵 3、涡轮流量计 4、层流水槽 5、层流管 6、截止阀 7、球阀 8、光滑管 9、粗糙管 10、突扩管 11、流量调节阀 12、层流调节阀设备尺寸：不锈钢管：l=1.5m，d=0.0215m镀锌钢管：l=1.5m，d=0.0215m突 扩 管：l1=0.14m，l2=0.28m，d1=0.016m，d2=0.042m截止阀、球阀管道：d=0.021m层流管：l=1.0m，d=0.0026m5、 实验操作1、熟悉实验仪器各个部分的组成作用，与实验原理一一对应。明确实验流程，分配小组任务，一人负责控制各阀门开关，一人负责控制流量，一人负责记录数据。2、检查实验装置，将所有阀门（球阀、截止阀除外）调整至关闭状态。3、启动离心泵，打开闸板阀、截止阀管路的主管路切换阀门和压力传感器两侧阀门，打开截止阀两侧的测压引流管，主管路排气开大流量阀门，使水大量快速流过管道，将其中气体带走；观察排出管内液体是否有气泡，初步判断是否排尽，约持续3分钟。4、估计排气结束，关闭出口流量调节阀，打开传感器两侧的排气阀门将其排净，最后将排气阀关闭，观察压力表读数在0.03kPa范围内，则认为气已排尽，排气结束；若超出范围，则重复上面的步骤至符合要求为止，记下稳定时的压力表读数。5、开启闸板阀，观察面板上显示的流量数值掌握阀门开启的大小,小组成员配合调节管道流量至0.60 m3h-1 ，待压力表示数稳定后记录此时的实验数据：流量、压力、水温。6、 团队协作调节管路至不同的流量，不断重复5步骤，测得不同流量下压力表示数稳定时的压力等数值，记录在数据表格中，得到7组数值。7、截止阀相关数据测定结束后，关闭截止阀两侧引压管，打开球阀两侧引压管，重复排气步骤，至压力稳定在0.03kPa范围内，记录稳定时的压力表示数。8、排气结束后，重复步骤5、6，测定不同流量下压力表示数稳定时的球阀相关的数据，并依次记录在数据表格中。重复操作6次。9、球阀相关数据测定完成后，关闭此管路的主管路切换阀门及球阀两侧的引压管，打开不锈钢管的主管路切换阀门及两侧的引压管。重复排气步骤，至压力稳定在0.03kPa范围内，记录稳定时的压力表示数。10、排气结束后，重复步骤5、6，测定不同流量下压力表示数稳定时的不锈钢管相关的数据，并依次记录在数据表格中。重复操作10次以上。11、不锈钢管相关数据测定完成后，关闭此管路的主管路切换阀门及不锈钢管两侧的引压管，打开镀锌管的主管路切换阀门及两侧的引压管。重复排气步骤，至压力稳定在0.03kPa范围内，记录稳定时的压力表示数。12、排气结束后，重复步骤5、6，测定不同流量下压力表示数稳定时的镀锌管相关的数据，并依次记录在数据表格中。重复操作10次。13、镀锌管相关数据测定完成后，关闭此管路的主管路切换阀门及镀锌管两侧的引压管，打开突然扩大管的主管路切换阀门及两侧的引压管。重复排气步骤，至压力稳定在0.03kPa范围内，记录稳定时的压力表示数。14、排气结束后，重复步骤5、6，测定不同流量下压力表示数稳定时的突然扩大管相关的数据，并依次记录在数据表格中。重复操作。15、突然扩大管相关数据测定完成后，关闭此管路的主管路切换阀门及扩大管两侧的引压管，打开层流管的主管路切换阀门及两侧的引压管。重复排气步骤，至压力稳定在0.03kPa范围内，记录稳定时的压力表示数。16、排气结束后打开闸板阀，并打开层流管的流量控制阀门，小心调节阀门大小，待流动稳定后，用量筒量出约40s层流管内流出的液体体积，并记录体积值、温度及压力表示数。17、重复调节流量步骤，并重复测量40s内的体积流量，记录数据。18、实验结束后，停止总泵，关闭闸板阀等开关，整理实验用的仪器。6、 实验数据处理1、不锈钢管：l=1.5 m d= 0.021m 压降零点修正Po= - 0.01kPa，水的温度t=27.5c序号水流量/m3h-1压降 /kPa修正后压降/kPa水温度/c 水密度 /kgm-3水粘度103 /Pas流速/m.s-1雷诺数Re摩擦阻力系数Blasius14.308.108.1127.5996.4 0.845 3.45 854310.019 0.019 24.037.247.2527.5996.4 0.845 3.23 799830.020 0.019 33.736.316.3227.5996.4 0.845 2.99 740400.020 0.019 43.395.355.3627.5996.4 0.845 2.72 673540.0200.020 53.144.704.7127.5996.4 0.845 2.52 624020.021 0.020 62.803.863.8727.5996.4 0.845 2.25 557160.0220.021 72.483.153.1627.5996.4 0.845 1.99 492780.022 0.021 82.172.522.5327.5996.4 0.845 1.74 430870.023 0.022 91.861.981.9927.5996.4 0.845 1.49 368960.025 0.023 101.511.431.4427.5996.4 0.845 1.21 299630.0280.024 111.181.021.0327.5996.4 0.845 0.95 235240.032 0.026 120.890.710.7227.5996.4 0.845 0.71 175810.040 0.027 130.600.500.5127.5996.4 0.845 0.48 118860.0620.030 140.300.340.3527.5996.4 0.845 0.24 59430.1700.036 以第一组数据为例，计算过程如下：t水= 27.5，查表得= 996.4 kgm-3 =0.845 mPas 流速u=qv/(3600d2/4)= 4.3/（36003.14159260.0210.021/4）=3.45m.s-1雷诺数Re=du/= 0.0213.45996.4/0.8451000=85431摩擦阻力系数：根据公式hf=p/=lu2/2d和u=4qv /(3600d2)联立得 =p2d5/8lqv2代入数据得： =8.1110003.141592620.02158996.41.5(4.30/3600)2 =0.019将不锈钢管近似看做光滑管路，则摩擦阻力系数满足Blasuis方程式计算值=0.3163/Re0.25理论上Blasius=0.3163/Re0.25=0.3165/854310.25=0.019比较二者计算值，可得实验相对误差=(计算值-Blasuis)/ Blasuis100=0误差较小。2、 镀锌钢管：l=1.5 m d=0.0215 m 压降零点修正Po= - 0.01kPa，水的温度t=28.6c序号水流量/m3h-1压降 /kPa修正后压降/kPa水温度/c水密度 /kgm-3水粘度103 /Pas流速/m.s-1雷诺数Re摩擦阻力系数Blasius14.32 12.32 12.3328.6996.1 0.825 3.47 87932 0.032 0.018 24.05 10.91 10.9228.6996.1 0.825 3.25 82436 0.033 0.019 33.75 9.35 9.3628.6996.1 0.825 3.01 76330 0.033 0.019 43.45 8.00 8.0128.6996.1 0.825 2.77 70223 0.033 0.019 53.12 6.61 6.6228.6996.1 0.825 2.50 63506 0.033 0.020 62.80 5.35 5.3628.6996.1 0.825 2.25 56993 0.034 0.020 72.51 4.40 4.4128.6996.1 0.825 2.01 51090 0.034 0.021 82.24 3.57 3.5828.6996.1 0.825 1.80 45594 0.035 0.022 91.96 2.81 2.8228.6996.1 0.825 1.57 39895 0.036 0.022 101.68 2.16 2.1728.6996.1 0.825 1.35 34196 0.038 0.023 111.31 1.40 1.4128.6996.1 0.825 1.05 26664 0.040 0.025 121.00 0.98 0.9928.6996.1 0.825 0.80 20355 0.049 0.026 以第一组数据为例，计算过程如下：t水= 28.6，查表得= 996.1 kgm-3 =0.825 mPas 流速u=qv/(3600d2/4)= 4.32/（36003.14159260.02150.0215/4）=3.47m.s-1雷诺数Re=du/= 0.02153.47996.1/0.8451000=87932摩擦阻力系数：根据公式hf=p/=lu2/2d和u=4qv /(3600d2)联立得 =p2d5/8lqv2代入数据得： =12.3310003.141592620.021558996.11.5(4.32/3600)2 =0.09将不锈钢管近似看做光滑管路，则摩擦阻力系数满足Blasuis方程式计算值=0.3163/Re0.25理论上Blasius=0.3163/Re0.25=0.3165/879320.25=0.018比较二者计算值，粗糙管的摩擦阻力系数实验值与Blasuis值相差较大=(实验值-理论值)/ 理论值100=（0.032-0.018）/0.0186.4100=77.8%3、 突扩管：d1= 15.5mm;d2=2 m（l1=0.14m，l2=0.28m，=0.023） 压降零点修正Po= - 0.01kPa，水的温度t=30.8c序号水流量/m3h-1压降 /kPa修正后压降/kPa水温度/c水密度 /kgm-3水粘度103 /Pas流速u1/m.s-1流速u2/m.s-1雷诺数Re局部阻力系数平均Blasius14.02 4.43 4.4432995.1 0.767 5.92 0.81 118994 0.73 0.735 0.7323.68 3.70 3.7132995.1 0.767 5.42 0.74 108930 0.73 0.7333.30 2.90 2.9132995.1 0.767 4.86 0.66 97682 0.73 0.7342.91 2.20 2.2132995.1 0.767 4.28 0.58 86138 0.74 0.7352.52 1.68 1.6932995.1 0.767 3.71 0.51 74593 0.73 0.7362.14 1.16 1.1732995.1 0.767 3.15 0.43 63345 0.74 0.7371.67 0.72 0.7332995.1 0.767 2.46 0.33 49433 0.74 0.7381.26 0.41 0.4232995.1 0.767 1.85 0.25 37297 0.74 0.73说明：此处突扩管压降p1-p20。以第2组数据为例，计算过程如下：t水=32，查表得= 995.1kg/ m3 = 0.767mPas 流速u1=4qv/(3600d12)= 44.02/(36000.01552)=5.92m/s-1u2=4qv/(3600d22)= 44.02/(36000.0422)=0.81m/s-1雷诺数Re=d1u1/= 0.01555.92995.1/(0.76710-3)=40912由P/+(u12-u22)/2=hf=u12/2得到=2P/(u12)+1 -u22 /u12代入数据，得到突然扩大管的局部阻力系数实验值=-2000(4.43+0.01)/(5.922995.1) +1-0.812 /5.922=0.73突然扩大管的局部阻力系数理论值=（1-A1/A2）2代入数据得=（1-0.0162/0.0422）2=0.73比较二者计算值，粗糙管的摩擦阻力系数实验值与Blasuis值相差较小=(实验值-理论值)/ 理论值100=（0.73-0.73）/0.73100=04、截止阀（全开）：d=0.021 m 压降零点修正Po= - 0.01kPa，水的温度t=30.0c序号水流量/m3h-1压降 /kPa修正后压降/kPa水温度/c水密度 /kgm-3水粘度103 /Pas流速u1/m.s-1雷诺数Re局部阻力系数平均13.90 53.30 53.3130995.7 0.800 3.13 81740 10.95 11.776 6.4023.32 37.72 37.7330995.7 0.800 2.66 69583 10.69 6.4032.70 25.40 25.4130995.7 0.800 2.17 56589 10.89 6.4042.20 17.24 17.2530995.7 0.800 1.76 46110 11.13 6.4051.64 10.32 10.3330995.7 0.800 1.32 34373 11.99 6.4060.99 4.70 4.7130995.7 0.800 0.79 20749 15.01 6.40以第一组数据为例，计算过程如下：t水=30，查表得= 995.7kg/ m3 = 0.8000mPas 流速u=4qv/(3600d2)= 43.90/(36000.0212)=3.13m/s-1雷诺数Re=du/= 0.0213.13995.7/(0.800010-3)=81740由P/=hf=u2/2得到=2P/(u2)代入数据，得到截止阀的局部阻力系数实验值=2000(53.31+0.01)/(3.132995.7) =10.95截止阀全开时，理论值=6.40如上面的计算方法，计算出6组的实验值，并求得数据的平均值平均=（10.95+10.69+11.88+10.89+11.13+11.99+15.01）/5=11.776比较二者计算值，截止阀的局部阻力系数实验值与理论值相差=(实验值-理论值)/ 理论值100=（11.776-6.4）/6.4100=845.球阀（全开）：球阀（全开）：d=0.021 m压降零点修正Po= 0.00kPa，水的温度t=29.8c 序号水流量/m3h-1压降 /kPa修正后压降/kPa水温度/c水密度 /kgm-3水粘度103 /Pas流速u1/m.s-1雷诺数Re局部阻力系数平均10.92 0.40 0.429.8995.7 0.804 0.74 19201 1.48 1.067 6.40 21.48 0.76 0.7629.8995.7 0.804 1.19 30889 1.08 6.40 32.05 1.35 1.3529.8995.7 0.804 1.64 42785 1.00 6.40 42.72 2.28 2.2829.8995.7 0.804 2.18 56768 0.96 6.40 53.31 3.31 3.3129.8995.7 0.804 2.65 69082 0.94 6.40 63.89 4.53 4.5329.8995.7 0.804 3.12 81187 0.93 6.40 以第一组数据为例，计算过程如下：t水=29.8，查表得= 995.7kg/ m3 = 0.804mPas 流速u=4qv/(d2)= 40.92/3600/(0.0212)=0.74m/s-1雷诺数Re=du/= 0.0210.74995.7/(0.80410-3)=19201摩擦阻力系数：根据公式hf=p/=u2/2和u=4qv /(3600d2)联立得=p2d4/8qv2代入数据得：=0.410003.14152920.0214(8995.7(0.92/3600)2)=1.48其中理论可以由课本查得。理论=0.646.层流管：l= 1.00 m d=0.0026 m 球阀（全开）：d=0.0029 m压降零点修正Po= -0.01kPa，水的温度t=28.7c序号水体积/ml时间/s压降 /kPa修正后压降/kPa水温度/c水密度 /kgm-3水粘度103 /Pas水流量/mls-1流速u1/m.s-1雷诺数Re摩擦阻力系数1170 64.7 0.40 0.4128.7996.0 0.823 2.628 0.40 1397 0.02 0.05 216540.20.76 0.7728.7996.0 0.823 4.104 0.62 2183 0.01 0.03 3160 40.11.35 1.3628.7996.0 0.823 3.990 0.60 2122 0.02 0.03 4125401.52 1.5328.7996.0 0.823 3.125 0.47 1662 0.04 0.04 5118401.43 1.4428.7996.0 0.823 2.950 0.45 1569 0.04 0.04 6112401.32 1.3328.7996.0 0.823 2.779 0.42 1478 0.04 0.04 799401.12 1.1328.7996.0 0.823 2.450 0.37 1303 0.05 0.05 88840.5 0.95 0.9628.7996.0 0.823 2.173 0.33 1155 0.05 0.06 98040.40.880.8928.7996.0 0.823 1.980 0.30 1053 0.06 0.06 107340.30.760.7728.7996.0 0.823 1.811 0.27 963 0.06 0.07 以第五组数据为例，计算过程如下：t水=28.7，查表得= 996.0kg/ m3 = 0.823mPas 流量qv=V/t= 118/40=2.950cm3/s流速u=4qv/(d2)= 42.950/106/(3.14159260.00262)=0.45m/s-1雷诺数Re=du/= 0.00260.45996.0/(0.82310-3)=1569摩擦阻力系数：根据公式hf=p/=lu2/2d和u=4qv /(d2)联立得 =p2d5/8lqv2代入数据得：=1.443.141592620.00295(89961(2.95010-6)2)=0.04理论=64/Re=64/9156=0.04比较二者计算值，可得实验相对误差=(计算值-理论值)/ 理论值100=(0.04-0.04)/ 0.04100=0误差较小。7、 实验结果作图及分析将得到的数据用Excel作图并分析结果图2 湍流直管摩擦系数与雷诺数关系结果分析一：1、(1)实测曲线趋势上下波动，可能是由于读取数据时数值不能稳定，且时偏高时偏低范围大。湍流流动要稳定需要等较长时间，而压力传感器的读数有及其的不稳定，在未达到流动稳态就记数，使结果出现偏差。(2)数据波动也有可能是因为不锈钢管并不是完全光滑，不锈钢管和镀锌铜管由于使用时间过长而被腐蚀或其他外界原因，如人的活动影响的原因等。（3）实验仪器本身的偏差，仪器本身制作的尺寸、标准压力等的合格度方面，造成实验数据的误差存在（4)我们本身的实验水平有限，对于记录数据是选取的时间和选取的数据不是最合理的，就会影响实验结果与图形结果。2、(1)不锈钢管与镀锌钢管的摩擦阻力系数均随雷诺数的增大而减小，当雷诺数增加到一定值后，阻力系数减小的程度变缓，这是由于管壁大小、高度不等的凸出物相继暴露于湍流之中的缘故。雷诺数在60000以上，它们的摩擦阻力系数基本不变，这是由于凸出物已完全暴露于湍流主体。(2)当Re相同时，不锈钢管与镀锌钢管的摩擦阻力系数明显不同，且后者高于前者，是由于流动阻力主要来源于流体黏性造成的内摩擦，在湍流流动中，粗糙表面的突出物突出于湍流核心将带来不可忽略的阻力损失。相同的Re条件下，镀锌钢管的/d大于不锈钢管的/d，这意味着粗糙度大的管道将受到更大的摩擦阻力，可见相同的Re下，/d越大，摩擦阻力系数也越大。(3)相同Re条件下，不锈钢管与镀锌钢管的值大于水力学光滑管，可见前两者的相对粗糙度值并没有小到光滑管以下，其仍对有影响。3、 (1)本实验中应首先要求学生把不同时刻的不同温度准确记录下来，以便准确测定密度与粘度的数据。(2) 实验管道明显已经使用受环境影响，而其内部构造也会改变，为了测定准确需要新的合格的管道。(3) 实验记录使用的水温计和压力计的准确度不能保证，而且示数也并不稳定。图3、层流摩擦系数与雷诺数关系结果分析二：1、（1）误差可能是由于读取数据时没有等数值稳定后再读，且有时偏高有时偏低。测流速仪器和压差计都存在不够灵敏不够稳定的的问题。（2)用秒表测时间和记录的压降都不够准确，产生误差2、在层流情况下，实验测量值与理论计算值有一定偏差，产生偏差的原因可能为：（1）测量时间的读取不精确，且读取体积数值时产生误差，导致流量值不准确。（2）未等压差传感计稳定就读数得到错误的数值参与计算。（3）仪器本身的不稳定性，导致不能得到规范的数据。（4）管道排气不彻底导致的读数不准确。3、（1）在层流范围内，摩擦阻力系数随雷诺数线性减小，且实验测量值与理论计算值相符。（2)层流与/ d无关，只是Re的函数4、（1）首先改进仪器的准确度，其次实验的环境应该尽量合理，众多的实验者在一个实验室会相互影响。（2)实验室的仪表稳定性不好，应该改进，学生应该准确记录不同时间的温度变化结果分析三：1、 然扩大管的局部阻力系数受雷诺数Re的影响不大，=0.735与理论值=0.73基本相符；2、全开的截止阀的局部阻力系数受雷诺数Re影响也不大，=11.776与理论值=6.4相差有点大；理论值0相差偏大，可能与截