化工原理流体阻力实验报告

1、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:化工1305班姓名:张玮航学号:序号:11同组人：宋雅楠、陈一帆、陈骏设备型号：流体阻力-泵联合实验装置UPRSI型-第4套实验日期：2015-11-27一、实验摘要首先，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，验证在湍流区内人与雷诺数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。结果，从实验数据分析可知，光滑管、粗糙管的摩擦阻力系数随Re增大而0

2、.25减小，并且光滑管的摩擦阻力系数较好地满足Blasuis关系式：0.3163Re0突然扩大管的局部阻力系数随Re的变化而变化。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、掌握测定流体流动阻力实验的一般实验方法：测量湍流直管的阻力，确定摩擦阻力系数。测量湍流局部管道的阻力，确定摩擦阻力系数。测量层流直管的阻力，确定摩擦阻力系数。2、验证在湍流区内摩擦阻力系数人与雷诺数Re以及相对粗糙度的关系3、将实验所得光滑管的人-Re曲线关系与Blasius方程相比较。三、实验原理1、直管阻力不可压缩流体在圆形直管中做稳定流动时，由于黏性和涡流的作用会产生摩擦阻力（即直管阻力）；流体

3、在流过突然扩大、弯头等管件时，由于流体运动的速度和方向突然变化，会产生局部阻力。由于分子的流动过程的运动机理十分复杂，目前不能用理论方法来解决流体阻力的运算问题，必须通过实验研究来掌握其规律。为了减少实验的工作量、化简工作难度、同时使实验的结果具有普遍的应用意义，应采用基于实验基础的量纲分析法来对直管阻力进行测量。f d,l, , , ,u。利用量纲分析的方法，结合实际工作经验，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:通过一系列的数学过程推导，引入以下几个无量纲数群:duRe一雷诺数:;相对粗糙度：d ;长径比:其中，令:du 1一,d ,dp 1Re,

4、-d为直管阻力系数，则有d2Re- d 2 o阻力系数与压头损失之间的关系可通过实验测得，上式改写为:(1)（式中Hf直管阻力（J/kg） , 1 被测管长（m）d 被测管内径（m）,u平均流速（m/s）,一直管中的摩擦阻力系数。）根据机械能衡算方程，实验测量Hf2pugzHe(2)对于水平无变径直管道，结合式（1）与式（2）可得摩擦系数:2dp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Re关系。Re, £/d )即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其中，经过大量实验后

5、人们发现:1、层流圆直管（Re<200。：入=（|）（R曰即人=64/Re2、湍流水力学光滑管（Re>400。：入=3、湍流普通直管（4000<Rev临界点）：入二11,74210g乙187dRe4、湍流普通直管（Re>|缶界点）：入二小（e /d）即41.742 210g -将上述经验结果归纳为表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）直管段两端使用电子压差计来测量压差。对于任意一种流体，具直管摩擦系数人仅与Re和有关。因此只要在实验室的小规模装置上利用水作实验物系，进行有限量的实验，就可以确定人与

6、Re和的关系，从而计算任意流体在管路中的流动阻力损失，这些结论就可以推广到工业生产实际中去。2、局部阻力流体的边界在局部地区发生急剧变化时，迫使主流脱离边壁而形成漩涡，流体质点间产生剧烈的碰撞，所形成的阻力称为局部阻力。局部阻力通常以当量长度法或局部阻力系数法表示。本实验中采用局部阻力系数法。当量长度法：流体通过阀门或管件的局部阻力损失，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。在管路计算时，可求出管路与阀门的当量长度之和le。如所计算的管路长度为l,则流体在管路中流动的总阻力损失为：局部阻力系数法：流体通过某一件阀门或管件的阻力损失

7、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，即对于不同的阀门和管径变化，有着不同的局部阻力系数。局部阻力系数的大小归结为一个表中。见表2。表2局部阻力系数与局部结构关系(Re>4000)2 PlP2U2（无变径）和1 一2Ui（有变径）结构突扩管截止阀球阀=常数=常数在本实验中，由于管道是水平布置，则局部阻力系数计算式化简为:（式中，Pi、P2分别为上下游截面压强差，Ui、U2为两个管径内的平均流速，P流体密度）四、实验流程和设备图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

8、；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=,d=;镀锌管，l=,d=;突扩管，l1=,d1=,l2=,d2=;截止阀，DN20,d=;球阀，DN20,d=;层流管，l=,d=;仪器仪表：涡轮流量计，LWGY-2驶，10m3/h,精确度等级；温度计，Pt100,0200，精度等级压差传感器，WNK305矍，-20100kPa,精度等级显示仪表：AI-708等，精度等级。变频仪：西门子MM420aO其他：计算机数据采集和处理，380VAC+220VAC五、实验操作1 、准备工作及通用操作：1、开泵。打

9、开各管路的切换阀门，关闭流量调节阀，按变频仪上绿色按钮启动泵，固定转速（f=50Hz），观察到泵出口表压力为左右时即可开始实验。2、排气。排尽整个系统的气体，包括设备主管和测压管线中的气体。具体步骤为：全开压差传感器排气阀，打开流量调节阀11数十秒钟后再关闭，这时流量为零，等待一段时间，观察压差传感器指示读数是否为0（+），否则，要重新排气。对于测压管线排气：打开全部测压阀、压差传感器排气阀，查看Ap孔板。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Ap孔板。3、实验测取数据。打开镀锌管管路的切换阀和测压管线上的切换阀，其余管路的切换阀和测压管线上的切换阀都关闭。流量由大到小，

10、测取数据。4、测量球阀和截止阀数据的方法同上。2、不锈钢管实验：1、打开传感排气阀并记录AP。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，h以上通过变频器调节，记录数据。3、镀锌管实验：1、打开传感排气阀并记录AP。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，h以上通过变频器调节，记录数据4、球阀、截止阀实验：1、打开传感排气阀并记录AP。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，h以上通过变频器调节，记录数据5、关闭球阀两端测压

11、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、打开传感排气阀并记录AP。2、降低水泵频率。3、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。切断电源，整理实验数据,清理实验台。六、实验数据表格及计算举例1、湍流不锈钢管数据表AP0/kPal/md/me/mm序号水流量3_-1qv/m?h管路压降Ap/kPa水温度t/c水密度p/kg?m-3水粘度/Pa?s水流速u/m?s-1雷诺数Re摩擦系数入入blasius1136612172823

12、230424268285329186411477501998650129827881098424计算示例：以第一组为例1)流速u4qv m3 s d4 0.603.14 0.0215 36000.46 m s2)雷诺数Redu0.0215 0.46 996.3-31.02 109960.23)摩擦系数2d plu2 0.0215 0.39 1000996.3 1.5 0.460.0240.31630.3163Re0.2596464)理论摩擦系数Blasius2)雷诺数Re业0.0215 0.58 996.331.017 10122163)摩擦系数2d plu2 0.0215 0.43 1000

13、996.3 1.5 0.580.0212、湍流一镀锌管数据表AP0/kPal/md/me/mm序号水流量qv/m3?h-1管路压降Ap/kPa水温度t/C水密度p/kg?m-3水粘度/Pa?s水流速u/m?s-1雷诺数Re摩擦系数入入blasius11225121615632084242585053231364016074858186428998099210894320.032计算示例：以第一组为例31)流速u寸3.14：0箸36000.58ms3、湍流一突扩管数据表AP0/kPal1/md，ml2/md2/me/mm序号水流量qv/m3?h-1局部压降p2-"kPa水温度t/c水密

14、度p/kg?m3水粘度林/Pa?s水流速U1/m?s-1水流速U2/m?s-1雷诺数Re局部阻力系数t理论值14340026509938831441100934)理论摩擦系数Blasius0.31630.31630.25Re4122510.030计算示例：以第一组为例4qv(m3s)41.98-一22.74ms1)流速d13.140.016036004qv(m3s)41.98-120.397m.sd23.140.042036002)雷诺数Re1dM0.0160 2.74 996.131.005 10 343670.23)局部阻力系数2U2PUi20.3972 078 1000 996.22.7

15、420.8744)理论局部阻力系数21 AA2_ 20.01620.0420.7314、湍流一截止阀(全开)AP0/kPad/m序号水流量qv/m3?h-1局部压降Ap/kPa水温度t/C水密度-3p/kg?m水粘度w/Pa?s水流速,c-1u/m?s雷诺数Re局部阻力系数t134491252084369678计算示例：以第一组为例1)流速u3、4qv(ms)41.98d2_23.140.020536001.67ms2)雷诺数duRe0.02051.67995.919一，345440.0009873)局部阻力系数契29.52吗6.86u2995.921.6725、湍流一球阀（全开）AP0/kP

16、ad/m0000000序号水流量qv/m3?h-1局部压降Ap/kPa水温度t/C水密度p/kg?m-3水粘度科/Pa?s水流速u/m?s-1雷诺数Re局部阻力系数t134410250933367797计算示例：以第一组为例31)流速u十3.14；0210236001.62ms2)雷诺数Re du0.021 1.62 995.9一-49.85 10343963)局部阻力系数2p20.761000cm一220.58u2995.91.6226、层流管数据表AP0/kPal/md/m序号水质量/g时间/s管路压降Ap/kPa水温度t/C水密度p/kg?m-3水粘度/Pa?s水流速u/m?s-1雷诺数

17、Re摩擦系数入入理论值11492301363748805123761847计算示例：以第一组为例流量qv1.26(L h)m17.4(g)_3600t995.9(kgm3gL)50(s)2)流速u3、4qv(ms)d241.2620.050ms3.140.003360010003)雷诺数Redu0.00300.05995.91510.0009854）摩擦系数与P20.00300.2810000.45lu2995.91.50.0525）理论摩擦系数丝以0.43Re151七、实验结果作图及分析进行数据处理后利用Excel软件进行关系曲线的绘制，得到结果如下:雷诺求数不镌纲管 遮林管 层流量61油扉

18、理论值 层柄管倬假值1、对光滑管与粗糙管的实验结果分析：对于光滑管，实验数值的阻力摩擦系数应大略微于等于理论值。通过实验测出的光滑管（不锈钢管）的人-Re关系曲线与Blasius理论得出的曲线在Re临界值之前十分接近，仅仅是略微较低于理论值。这说明了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，此时实验曲线开始偏离理论曲线。即实验结果产生了微小偏差，产生这种偏差的原因很可能是读数时压力波动有不稳定的情况，而我们在读取压力时进行了折中取值。对于粗糙管（镀锌管），其人-Re关系曲线形态与光滑管大体相似，在雷诺数Re相同时，实验

19、数值的阻力摩擦系数比光滑管的大，其间的曲线关系应该位于理论值曲线的上方。粗糙管内的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。止匕外，粗糙管的人-Re关系曲线与理论曲线偏离明显，这说明Blasius公式对水力光滑管更加适用，而不适用于粗糙管。结论：光滑管与粗糙管的摩擦阻力系数均随雷诺数Re的增大而减小，当Re增大到一定程度时，有一临界值，入逐渐趋于一个定值。此后的流动可以认为进入了阻力平方区。2、对层流管的实验结果分析：对于层流管，在流速较低时（层流区内），数据点在大体落在理论曲线附近，呈线性分布，这表明实验结果与理论结果高度吻合。但随着流速增加，曲线较理论线有

20、向下偏离，这与测量过程中的误差有一定关系。改进办法：延长测量流量的时间，并且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对于突扩管，在雷诺数相同时，局部阻力系数的实验数值大于理论值，且能够根据本实验结果得出不同流速下（湍流），突扩管的局部阻力系数大体相同的结论。局部阻力系数的实验数值大于理论值的情况，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净，怎样才能迅速地排净？答：为什么要将空气排尽？在流动测定中气体在管路中，对流动的压力测量产生偏差，在实验中