流体阻力实验报告.doc

. 北 京 化 工 大 学化 工 原 理 实 验 报 告实验名称： 流体阻力实验班 级： 姓 名： 学 号： 序 号： 同 组 人： 设备型号： 实验日期： 一、实验摘要本实验使用UPRS型第4套实验设备，通过测量不同流速下水流经不锈钢管、镀锌管、层流管、突扩管、阀门的压头损失来测定不同管路、局部件的雷诺数与摩擦系数曲线。确定了摩擦系数和局部阻力系数的变化规律和影响因素，验证在湍流区内与雷诺数Re和相对粗糙度的函数。该实验结果可为管路实际应用和工艺设计提供重要的参考。关键词：摩擦系数，局部阻力系数，雷诺数，相对粗糙度二、实验目的1、测量湍流直管的阻力，确定摩擦阻力系数。2、测量湍流局部管道的阻力，确定摩擦阻力系数。3、测量层流直管的阻力，确定摩擦阻力系数。4、验证在湍流区内摩擦阻力系数与雷诺数Re和相对粗糙度的函数5、将所得光滑管的-Re方程与Blasius方程相比较。三、实验原理1、直管摩擦阻力不可压缩流体在圆形直管中做稳定流动时，由于黏性和涡流作用产生摩擦阻力。此外，流体经过突然扩大、弯头等管件时，由于运动速度方向突然变化，也会产生局部阻力。利用量纲分析的方法，流体流动阻力与流体的性质、流体流经处的几何尺寸、流体的运动状态有关，可表示为： 引入无量纲数群：雷诺数： 相对粗糙度： 长径比： 从而得到： 令：，则 可得阻力系数与压头损失之间的关系，这种关系可通过实验测得。 （1）式中 直管阻力(J/kg)， 被测管长(m)， 被测管内径(m)，平均流速(m/s)，摩擦阻力系数。根据机械能衡算方程，实验测量： （2）对于水平无变径直管道，结合式（1）与式（2）可得摩擦系数：测量当流体在管径为d的圆形管中流动时选取两个截面，用U形压差计测出这两个截面的压强差，即为流体流过两截面间的流动阻力。通过改变流速可测出不同Re下的摩擦阻力系数，这样便能得到某一相对粗糙度下的关系。由前人经验，当在范围内时，其关系满足Blasius关系式，在层流范围内满足线性关系，见(表1)。表1 摩擦阻力系数与雷诺数关系02000200040004000Re临界点临界点以上(水力光滑管)(粗糙管)2、局部阻力 （3）将局部阻力系数，平均流速u，代入方程即可确定局部阻力。式中与局部结构关系见表2表2 局部阻力系数与局部结构关系（Re4000）结构突扩管截止阀球阀=常数=常数对于水平放置条件，根据式（1）（3）可得局部阻力系数计算式为：（无变径）和（有变径） 式中，p1 p2为上下游截面压强差，u1 u2为平均流速，为密度四、实验流程与设备图1 流体阻力实验带控制点工艺流程1-水箱；2-水泵；3-涡轮流量计；4-主管路切换阀；5-层流管；6-截止阀；7-球阀；8-不锈钢管；9-镀锌钢管；10-突扩管；11-流量调节阀（闸阀）12-层流管流量阀（针阀）13-变频仪实验介质：水（循环使用）研究对象：不锈钢管，l=1.500m,d=0.021m; 镀锌管，l=1.500m,d=0.021m; 突扩管，l1=0.020m,d1=0.016,l2=0.280m,d2=0.042; 截止阀，DN20,d=0.021m; 球阀，DN20,d=0.021m; 层流管，l=1.500m,d=0.003m;仪器仪表：涡轮流量计，LWGY-25型，0.610m3/h,精确度等级0.5； 温度计，Pt100,0200,精度等级0.2 压差传感器，WNK3051型,-20100kPa,精度等级0.2显示仪表：AI-708等，精度等级0.1。变频仪：西门子MM420型。其他：计算机数据采集和处理，380VAC+220VAC五、实验操作1、准备：1）打开电脑，启动“流体阻力实验”软件。2）连接数据线，并按照要求正确安装相应驱动。2）按下控制柜绿色按钮开启控制柜，至实验结束再按下红色按钮关闭。4）开泵，关闭流量调节阀，按变频器上的绿色按钮开启泵，降频至25Hz。5）主管路排气：全开流量调节阀、压差传感器排气阀，再关闭流量调节阀约10秒。6）测压管线排气：打开全部测压阀、压差传感器排气阀，查看p孔板。 7）再次打开传感器排气阀，10秒后关闭，重复多次至零点不变，记录p孔板。2、不锈钢管实验：1）重复准备过程的7）并记录p孔板。2）打开不锈钢管测量管路切换阀，测压阀。3）打开流量调节阀从小到大调节流量，3.5m3/h以上通过变频器调节，记录数据。3、镀锌管实验：1）重复准备过程的7）并记录p孔板。2）打开镀锌管测量管路切换阀，测压阀。关闭其他切换阀、测压阀。3）打开流量调节阀从小到大调节流量，3.5m3/h以上通过变频器调节，记录数据。4、球阀、截止阀实验：1）重复准备过程的7）并记录p孔板。2）打开球阀、截止阀测量管路切换阀。关闭其他切换阀、测压阀。3）打开球阀两端的测压阀。4）打开流量调节阀从小到大调节流量，3.5m3/h以上通过变频器调节，记录数据。5）关闭球阀两端测压阀，开启截止阀两端测压阀，重复上述过程，记录数据。5、层流管实验：1）重复准备过程的7）并记录p孔板。2）降低水泵频率。3）关闭其他切换阀、测压阀。全开层流管流量阀。4）调节层流管路出口阀，改变管路压降，用量桶测量一定时间内流出的液体量，并记录其重量。6、结束实验，关闭全部阀门，通过变频器关泵，关闭控制柜。六、实验数据表格及计算举例1、湍流不锈钢管数据表P0/kPal/md/m/mm0.08 1.500 0.0205 0.02 序号水流量 qv/m3h-1管路压降p/kPa水温度t/水密度/kgm-3水粘度 /Pas水流速 u/ms-1雷诺数Re摩擦系数blasius10.60 0.37 19.5 998.2 1.005E-030.51 10287 0.031 0.031 20.85 0.62 19.5 998.2 1.005E-030.72 14573 0.029 0.029 31.00 0.80 19.5 998.2 1.005E-030.84 17145 0.028 0.028 41.31 1.25 19.5 998.2 1.005E-031.10 22459 0.026 0.026 51.58 1.72 19.5 998.2 1.005E-031.33 27088 0.025 0.025 61.98 2.54 19.5 998.2 1.005E-031.67 33946 0.024 0.023 72.54 3.94 19.5 998.2 1.005E-032.14 43547 0.023 0.022 83.00 5.26 19.6 998.2 1.005E-032.53 51434 0.022 0.021 94.05 9.06 19.6 998.2 1.005E-033.41 69435 0.021 0.019 104.98 13.28 19.7 998.2 1.005E-034.19 85380 0.021 0.019 116.01 18.68 20.0 998.2 1.005E-035.06 103039 0.020 0.018 127.30 27.02 20.2 998.2 1.005E-036.15 125155 0.020 0.017 计算示例：以第一组为例1） 流速2） 雷诺数3） 摩擦系数4） 理论摩擦系数2、湍流镀锌管数据表P0/kPal/md/m/mm0.07 1.500 0.0220 0.10 序号水流量 qv/m3h-1管路压降p/kPa水温度t/水密度 /kgm-3水粘度 /Pas水流速 u/ms-1雷诺数Re摩擦系数blasius10.59 0.33 21.0 998.2 1.005E-030.43 9426 0.041 0.032 20.78 0.48 21.1 998.2 1.005E-030.57 12461 0.037 0.030 30.95 0.66 21.2 998.2 1.005E-030.69 15177 0.036 0.028 41.29 1.05 21.2 998.2 1.005E-030.94 20608 0.032 0.026 51.60 1.50 21.2 998.2 1.005E-031.17 25561 0.031 0.025 61.96 2.12 21.2 998.2 1.005E-031.43 31312 0.029 0.024 72.48 3.20 21.2 998.2 1.005E-031.81 39619 0.028 0.022 83.02 4.55 21.4 998.2 1.005E-032.21 48246 0.027 0.021 94.00 7.53 21.6 998.2 1.005E-032.92 63902 0.026 0.020 104.96 11.23 21.9 998.2 1.005E-033.63 79239 0.025 0.019 115.95 15.72 22.0 998.2 1.005E-034.35 95055 0.024 0.018 127.27 23.08 22.5 998.2 1.005E-035.32 116142 0.024 0.017 计算示例：以第一组为例1） 流速2） 雷诺数3） 摩擦系数4） 理论摩擦系数3、湍流突扩管数据表 P0/kPal1/md1/ml2/md2/m/mm0.05 0.020 0.0160 0.280 0.0420 0.02 序号水流量 qv/m3h-1局部压降p2-1/kPa水温度t/水密度 /kgm-3水粘度 /Pas水流速 u1/ms-1水流速 u2/ms-1雷诺数Re1局部阻力系数理论值12.00 1.18 22.6 998.2 1.005E-032.76 0.401 43933 0.83 0.73 22.98 2.64 22.6 998.2 1.005E-034.12 0.598 65460 0.83 0.73 34.00 4.76 22.7 998.2 1.005E-035.53 0.802 87866 0.82 0.73 44.98 7.48 22.7 998.2 1.005E-036.88 0.999 109393 0.82 0.73 计算示例：以第一组为例1） 流速 2） 雷诺数 3） 局部阻力系数 4） 理论局部阻力系数 4、湍流截止阀 (全开)P0/kPad/m0.05 0.0205 序号水流量 qv/m3h-1局部压降p/kPa水温度t/水密度 /kgm-3水粘度 /Pas水流速 u/ms-1雷诺数Re局部阻力系数12.03 13.84 23.1 998.2 1.005E-031.71 34803 9.46 23.00 29.90 23.1 998.2 1.005E-032.53 51434 9.37 33.94 51.10 23.1 998.2 1.005E-033.32 67549 9.29 计算示例：以第一组为例1） 流速 2） 雷诺数 3） 局部阻力系数 5、湍流球阀 （全开）P0/kPad/m0.05 0.0205 序号水流量 qv/m3h-1局部压降p/kPa水温度t/水密度 /kgm-3水粘度 /Pas水流速 u/ms-1雷诺数Re局部阻力系数11.98 1.23 23.0 998.2 1.005E-031.67 33946 0.85 22.96 2.54 23.0 998.2 1.005E-032.49 50748 0.80 33.94 4.18 23.0 998.2 1.005E-033.32 67549 0.75 计算示例：以第一组为例1） 流速2） 雷诺数3） 局部阻力系数6、层流管数据表P0/kPal/md/m0.05 1.500 0.0030 序号水质量 /g时间 /s管路压降p/kPa水温度t/水密度 /kgm-3水粘度 /Pas水流量 qv/Lh-1水流速 u/ms-1雷诺数Re摩擦系数理论值124.0 60.03 0.38 23.1 998.2 1.005E-031.44 0.06 169 0.413 0.380 245.0 59.97 0.58 23.1 998.2 1.005E-032.70 0.11 316 0.188 0.202 386.7 59.80 0.98 23.1 998.2 1.005E-035.22 0.21 611 0.088 0.105 462.2 29.96 1.40 23.3 998.2 1.005E-037.47 0.29 876 0.063 0.073 586.7 29.95 1.94 23.5 998.2 1.005E-0310.42 0.41 1221 0.045 0.052 6124.1 30.28 2.94 24.0 998.2 1.005E-0314.75 0.58 1729 0.034 0.037 7171.3 30.03 6.00 25.1 998.2 1.005E-0320.54 0.81 2406 0.037 0.027 计算示例：以第一组为例1） 流量2） 流速3） 雷诺数 4） 摩擦系数 5） 理论摩擦系数 七、实验结果作图及分析实验结果关系曲线1、对光滑管与粗糙管的实验结果分析：通过实验测出的光滑管（不锈钢管）的关系曲线与Blasius理论得出的曲线在Re临界值之前十分接近，验证了Blasius公式在Re=4000至临界值区间上与实际情况吻合得较好。当雷诺数继续增大后，阻力系数逐渐趋近于一个定值，此时实验曲线开始向上偏离理论曲线。对于粗糙管（镀锌管），其关系曲线形态与光滑管大体相似，同等条件下粗糙管的阻力系数比光滑管的大，这表明摩擦阻力系数不仅随雷诺数的变化而变化，其大小还与管道的相对粗糙度有直接关系。此外，粗糙管的关系曲线与理论曲线偏离明显，表明Blasius公式对水力光滑管更加适用，而不适用于粗糙管。2、对层流管的实验结果分析：总体上，层流管的数据点在层流区大体落在理论曲线附近，呈线性分布，但随着流速增加，曲线较理论线有向下偏离，这与测量过程中的误差有一定关系，对此可通过延长测量流量的时间并在每次改变流速后多稳定一段时间，让管内流动更趋近于稳态来提高测量的稳定性。3、对突扩管的实验结果分析在突扩管试验中，得出不同流速下（湍流），突扩管的局部阻力系数大体相同，较理论值偏高，这很可能是由于局部件长时间使用后有一定程度的损耗造成的，但对于一定状态下的同一种局部件，其局部阻力基本为定值。4、对球阀与截止阀的实验结果分析从实验数据上看，两种局部件的局部阻力系数随流速的增加略有下降，但幅度不大，相较而言，同种情况下，球阀的局部阻力系数远小于截止阀，这与其结构密切相关，八、思考题1）在测量前为什么要将设备中的空气排尽？怎样才能迅速排尽？主管路中如存在气体会影响流体流动的连续性，破坏本