化工原理 流體阻力實(shí)驗(yàn)報(bào)告(北京化工大學(xué))課件

1、北 京 化 工 大 學(xué)化 工 原 理 實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告實(shí)驗(yàn)名稱： 流體阻力實(shí)驗(yàn)班 級(jí)： 化工1305班姓 名： 張瑋航學(xué) 號(hào)： 2013011132 序 號(hào)： 11同 組 人： 宋雅楠、陳一帆、陳駿設(shè)備型號(hào)： 流體阻力-泵聯(lián)合實(shí)驗(yàn)裝置UPRS型-第4套實(shí)驗(yàn)日期： 2015-11-27北京化工大學(xué) 化工原理 流體阻力實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)摘要首先，本實(shí)驗(yàn)使用UPRS型第4套實(shí)驗(yàn)設(shè)備，通過(guò)測(cè)量不同流速下水流經(jīng)不銹鋼管、鍍鋅管、層流管、突擴(kuò)管、閥門的壓頭損失來(lái)測(cè)定不同管路、局部件的雷諾數(shù)與摩擦系數(shù)曲線。確定了摩擦系數(shù)和局部阻力系數(shù)的變化規(guī)律和影響因素，驗(yàn)證在湍流區(qū)內(nèi)與雷諾數(shù)Re和相對(duì)粗糙度的函數(shù)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為

2、管路實(shí)際應(yīng)用和工藝設(shè)計(jì)提供重要的參考。結(jié)果，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，光滑管、粗糙管的摩擦阻力系數(shù)隨Re增大而減小，并且光滑管的摩擦阻力系數(shù)較好地滿足Blasuis關(guān)系式： 。突然擴(kuò)大管的局部阻力系數(shù)隨Re的變化而變化。關(guān)鍵詞：摩擦系數(shù)，局部阻力系數(shù)，雷諾數(shù)，相對(duì)粗糙度二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握測(cè)定流體流動(dòng)阻力實(shí)驗(yàn)的一般實(shí)驗(yàn)方法：測(cè)量湍流直管的阻力，確定摩擦阻力系數(shù)。測(cè)量湍流局部管道的阻力，確定摩擦阻力系數(shù)。測(cè)量層流直管的阻力，確定摩擦阻力系數(shù)。2、驗(yàn)證在湍流區(qū)內(nèi)摩擦阻力系數(shù)與雷諾數(shù)Re以及相對(duì)粗糙度的關(guān)系。3、將實(shí)驗(yàn)所得光滑管的-Re曲線關(guān)系與Blasius方程相比較。三、實(shí)驗(yàn)原理1、 直管阻力不可壓縮

3、流體在圓形直管中做穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，由于黏性和渦流的作用會(huì)產(chǎn)生摩擦阻力（即直管阻力）；流體在流過(guò)突然擴(kuò)大、彎頭等管件時(shí)，由于流體運(yùn)動(dòng)的速度和方向突然變化，會(huì)產(chǎn)生局部阻力。由于分子的流動(dòng)過(guò)程的運(yùn)動(dòng)機(jī)理十分復(fù)雜，目前不能用理論方法來(lái)解決流體阻力的運(yùn)算問(wèn)題，必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究來(lái)掌握其規(guī)律。為了減少實(shí)驗(yàn)的工作量、化簡(jiǎn)工作難度、同時(shí)使實(shí)驗(yàn)的結(jié)果具有普遍的應(yīng)用意義，應(yīng)采用基于實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)的量綱分析法來(lái)對(duì)直管阻力進(jìn)行測(cè)量。利用量綱分析的方法，結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，流體流動(dòng)阻力與流體的性質(zhì)、流體流經(jīng)處的幾何尺寸、流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。可表示為：。通過(guò)一系列的數(shù)學(xué)過(guò)程推導(dǎo)，引入以下幾個(gè)無(wú)量綱數(shù)群：雷諾數(shù)： ；相對(duì)粗糙度： ；長(zhǎng)徑

4、比： 整理得到： 其中，令：為直管阻力系數(shù)，則有 。阻力系數(shù)與壓頭損失之間的關(guān)系可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，上式改寫為： （1）（式中 直管阻力(J/kg)， 被測(cè)管長(zhǎng)(m)， 被測(cè)管內(nèi)徑(m)，平均流速(m/s)，直管中的摩擦阻力系數(shù)。）根據(jù)機(jī)械能衡算方程，實(shí)驗(yàn)測(cè)量： （2）對(duì)于水平無(wú)變徑直管道，結(jié)合式（1）與式（2）可得摩擦系數(shù)：測(cè)量當(dāng)流體在管徑為d的圓形管中流動(dòng)時(shí)選取兩個(gè)截面，用U形壓差計(jì)測(cè)出這兩個(gè)截面的壓強(qiáng)差，即為流體流過(guò)兩截面間的流動(dòng)阻力。通過(guò)改變流速可測(cè)出不同Re下的摩擦阻力系數(shù)，這樣便能得到某一相對(duì)粗糙度下的關(guān)系。其中，經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)后人們發(fā)現(xiàn)：1、層流圓直管（Re4000）：=0.3163/

5、Re0.25 3、湍流普通直管（4000Re臨界點(diǎn)）：=（/d）即將上述經(jīng)驗(yàn)結(jié)果歸納為表1 。表1 摩擦阻力系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系02000200040004000Re臨界點(diǎn)臨界點(diǎn)以上(水力光滑管)(粗糙管)直管段兩端使用電子壓差計(jì)來(lái)測(cè)量壓差。對(duì)于任意一種流體，其直管摩擦系數(shù)僅與Re和有關(guān)。因此只要在實(shí)驗(yàn)室的小規(guī)模裝置上利用水作實(shí)驗(yàn)物系，進(jìn)行有限量的實(shí)驗(yàn)，就可以確定與Re和的關(guān)系，從而計(jì)算任意流體在管路中的流動(dòng)阻力損失，這些結(jié)論就可以推廣到工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中去。2、局部阻力流體的邊界在局部地區(qū)發(fā)生急劇變化時(shí)，迫使主流脫離邊壁而形成漩渦，流體質(zhì)點(diǎn)間產(chǎn)生劇烈的碰撞，所形成的阻力稱為局部阻力。局部阻力通常以當(dāng)

6、量長(zhǎng)度法或局部阻力系數(shù)法表示。本實(shí)驗(yàn)中采用局部阻力系數(shù)法。當(dāng)量長(zhǎng)度法：流體通過(guò)閥門或管件的局部阻力損失，若與流體流過(guò)一定長(zhǎng)度的相同管徑的直管阻力相當(dāng)，則稱這一直管長(zhǎng)度為管件或閥門的當(dāng)量長(zhǎng)度，用符號(hào)表示。在管路計(jì)算時(shí)，可求出管路與閥門的當(dāng)量長(zhǎng)度之和。如所計(jì)算的管路長(zhǎng)度為，則流體在管路中流動(dòng)的總阻力損失為：局部阻力系數(shù)法：流體通過(guò)某一件閥門或管件的阻力損失用流體在管路中的動(dòng)能系數(shù)來(lái)表示，這種計(jì)算局部阻力的方法，稱為阻力系數(shù)法，即對(duì)于不同的閥門和管徑變化，有著不同的局部阻力系數(shù)。局部阻力系數(shù)的大小歸結(jié)為一個(gè)表中。見表2 。表2 局部阻力系數(shù)與局部結(jié)構(gòu)關(guān)系（Re4000）結(jié)構(gòu)突擴(kuò)管截止閥球閥=常數(shù)=常

7、數(shù)在本實(shí)驗(yàn)中，由于管道是水平布置，則局部阻力系數(shù)計(jì)算式化簡(jiǎn)為：（無(wú)變徑）和（有變徑）（ 式中，p1 、p2分別為上下游截面壓強(qiáng)差，u1 、u2為兩個(gè)管徑內(nèi)的平均流速，流體密度）四、實(shí)驗(yàn)流程和設(shè)備圖1 流體阻力實(shí)驗(yàn)帶控制點(diǎn)工藝流程1-水箱；2-水泵；3-渦輪流量計(jì)；4-主管路切換閥；5-層流管；6-截止閥；7-球閥；8-不銹鋼管；9-鍍鋅鋼管；10-突擴(kuò)管；11-流量調(diào)節(jié)閥（閘閥）12-層流管流量閥（針閥）13-變頻儀實(shí)驗(yàn)介質(zhì)：水（循環(huán)使用）研究對(duì)象：不銹鋼管，l=1.500m,d=0.021m; 鍍鋅管，l=1.500m,d=0.021m; 突擴(kuò)管，l1=0.020m,d1=0.016,l2=

8、0.280m,d2=0.042; 截止閥，DN20,d=0.021m; 球閥，DN20,d=0.021m; 層流管，l=1.500m,d=0.003m;儀器儀表：渦輪流量計(jì)，LWGY-25型，0.610m3/h,精確度等級(jí)0.5； 溫度計(jì)，Pt100,0200，精度等級(jí)0.2 壓差傳感器，WNK3051型，-20100kPa，精度等級(jí)0.2顯示儀表：AI-708等，精度等級(jí)0.1。變頻儀：西門子MM420型。其他：計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和處理，380VAC+220VAC五、實(shí)驗(yàn)操作1、 準(zhǔn)備工作及通用操作：1、開泵。打開各管路的切換閥門，關(guān)閉流量調(diào)節(jié)閥，按變頻儀上綠色按鈕啟動(dòng)泵，固定轉(zhuǎn)速（f=50Hz

9、），觀察到泵出口表壓力為0.2MPa左右時(shí)即可開始實(shí)驗(yàn)。2、排氣。排盡整個(gè)系統(tǒng)的氣體，包括設(shè)備主管和測(cè)壓管線中的氣體。具體步驟為：全開壓差傳感器排氣閥，打開流量調(diào)節(jié)閥11數(shù)十秒鐘后再關(guān)閉，這時(shí)流量為零，等待一段時(shí)間，觀察壓差傳感器指示讀數(shù)是否為0（+0.05kPa），否則，要重新排氣。對(duì)于測(cè)壓管線排氣：打開全部測(cè)壓閥、壓差傳感器排氣閥，查看p孔板。再次打開傳感器排氣閥，10秒后關(guān)閉，重復(fù)多次至零點(diǎn)不變，記錄p孔板。3、實(shí)驗(yàn)測(cè)取數(shù)據(jù)。打開鍍鋅管管路的切換閥和測(cè)壓管線上的切換閥，其余管路的切換閥和測(cè)壓管線上的切換閥都關(guān)閉。流量由大到小，測(cè)取數(shù)據(jù)。4、測(cè)量球閥和截止閥數(shù)據(jù)的方法同上。2、不銹鋼管實(shí)驗(yàn)

10、：1、打開傳感排氣閥并記錄P。2、打開不銹鋼管測(cè)量管路切換閥，測(cè)壓閥。3、打開流量調(diào)節(jié)閥從小到大調(diào)節(jié)流量，3.5m3/h以上通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)，記錄數(shù)據(jù)。3、鍍鋅管實(shí)驗(yàn)：1、打開傳感排氣閥并記錄P。2、打開鍍鋅管測(cè)量管路切換閥，測(cè)壓閥。關(guān)閉其他切換閥、測(cè)壓閥。3、打開流量調(diào)節(jié)閥從小到大調(diào)節(jié)流量，3.5m3/h以上通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)，記錄數(shù)據(jù)。4、球閥、截止閥實(shí)驗(yàn)：1、打開傳感排氣閥并記錄P。2、打開球閥、截止閥測(cè)量管路切換閥。關(guān)閉其他切換閥、測(cè)壓閥。3、打開球閥兩端的測(cè)壓閥。4、打開流量調(diào)節(jié)閥從小到大調(diào)節(jié)流量，3.5m3/h以上通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)，記錄數(shù)據(jù)。5、關(guān)閉球閥兩端測(cè)壓閥，開啟截止閥兩端測(cè)壓閥，重

11、復(fù)上述過(guò)程，記錄數(shù)據(jù)。5、層流管實(shí)驗(yàn)：1、打開傳感排氣閥并記錄P。2、降低水泵頻率。3、閉其他切換閥、測(cè)壓閥。全開層流管流量閥。4、調(diào)節(jié)層流管路出口閥，改變管路壓降，用量桶測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)流出的液體量，并記錄其重量。6、結(jié)束實(shí)驗(yàn)：關(guān)閉全部閥門，通過(guò)變頻器關(guān)泵，關(guān)閉控制柜。切斷電源，整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，清理實(shí)驗(yàn)臺(tái)。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格及計(jì)算舉例1、湍流不銹鋼管數(shù)據(jù)表P0/kPal/md/m/mm0.00 1.500 0.0215 0.02 序號(hào)水流量 qv/m3h-1管路壓降p/kPa水溫度t/水密度 /kgm-3水粘度 /Pas水流速 u/ms-1雷諾數(shù)Re摩擦系數(shù)blasius10.60 0.39 20

12、.0 996.3 0.001020 0.67 13661 0.025 0.029 20.80 0.57 20.0 996.3 0.001020 0.84 17282 0.023 0.028 31.00 1.00 20.0 996.3 0.001020 1.12 23042 0.022 0.026 41.30 1.28 20.0 996.3 0.001020 1.31 26828 0.021 0.025 51.60 1.72 20.0 996.3 0.001020 1.60 32918 0.019 0.023 62.00 2.56 20.0 996.3 0.001020 2.01 41147 0

13、.018 0.022 72.50 3.87 20.0 996.3 0.001020 2.45 50199 0.018 0.021 83.00 6.08 20.0 996.3 0.001020 3.17 65012 0.017 0.020 94.00 9.30 20.0 996.3 0.001020 4.04 82788 0.016 0.019 105.00 12.85 20.0 996.3 0.001020 4.80 98424 0.016 0.018 計(jì)算示例：以第一組為例1） 流速2） 雷諾數(shù)3） 摩擦系數(shù)4） 理論摩擦系數(shù)2、湍流鍍鋅管數(shù)據(jù)表P0/kPal/md/m/mm0.00 1.5

14、00 0.0215 0.10 序號(hào)水流量 qv/m3h-1管路壓降p/kPa水溫度t/水密度 /kgm-3水粘度 /Pas水流速 u/ms-1雷諾數(shù)Re摩擦系數(shù)blasius10.76 0.43 20.2 996.3 0.001017 0.58 12251 0.021 0.030 21.00 0.72 20.3 996.3 0.001014 0.77 16156 0.027 0.028 31.29 0.96 20.3 996.3 0.001014 0.99 20842 0.028 0.026 41.60 1.48 20.3 996.3 0.001014 1.22 25850 0.035 0.0

15、25 52.00 2.20 20.3 996.3 0.001014 1.53 32313 0.041 0.024 62.48 3.36 20.4 996.3 0.001012 1.90 40160 0.051 0.022 73.00 4.74 20.4 996.3 0.001012 2.30 48581 0.059 0.021 83.97 7.99 20.4 996.3 0.001012 3.04 64289 0.076 0.020 94.99 12.18 20.5 996.3 0.001010 3.82 80992 0.092 0.019 105.51 15.30 20.5 996.3 0.

16、001010 4.22 89432 0.104 0.018 計(jì)算示例：以第一組為例1） 流速2） 雷諾數(shù)3） 摩擦系數(shù)4） 理論摩擦系數(shù)3、湍流突擴(kuò)管數(shù)據(jù)表 P0/kPal1/md1/ml2/md2/m/mm0.00 0.020 0.0160 0.280 0.0420 0.02 序號(hào)水流量 qv/m3h-1局部壓降p2-1/kPa水溫度t/水密度 /kgm-3水粘度 /Pas水流速 u1/ms-1水流速 u2/ms-1雷諾數(shù)Re1局部阻力系數(shù)理論值11.98 0.78 20.7 996.12583 0.001005 2.74 0.397 43400 0.874 0.731 22.97 1.75

17、 20.7 996.12583 0.001005 4.11 0.596 65099 0.875 0.731 34.02 3.00 20.8 996.10003 0.001003 5.56 0.806 88314 0.881 0.731 45.00 5.11 20.9 996.07423 0.001000 6.91 1.003 110093 0.872 0.731 計(jì)算示例：以第一組為例1） 流速 2） 雷諾數(shù) 3） 局部阻力系數(shù) 4） 理論局部阻力系數(shù) 4、湍流截止閥 (全開)P0/kPad/m0.00 0.0205 序號(hào)水流量 qv/m3h-1局部壓降p/kPa水溫度t/水密度 /kgm-3

18、水粘度 /Pas水流速 u/ms-1雷諾數(shù)Re局部阻力系數(shù)11.98 9.52 21.5 995.919 0.000987 1.67 34491 6.878 22.99 21.75 21.5 995.919 0.00098702.52 52084 6.891 34.00 38.85 21.5 995.919 0.000987 3.37 69678 6.878 計(jì)算示例：以第一組為例1） 流速 2） 雷諾數(shù) 3） 局部阻力系數(shù) 5、湍流球閥 （全開）P0/kPad/m00000.00 0.0210 0.0000 000序號(hào)水流量 qv/m3h-1局部壓降p/kPa水溫度t/水密度 /kgm-3水

19、粘度 /Pas水流速 u/ms-1雷諾數(shù)Re局部阻力系數(shù)12.02 0.76 21.6 995.9 0.000985 1.62 34410 0.58 22.99 1.54 21.6 995.9 0.000985 2.40 50933 0.54 33.98 2.61 21.6 995.9 0.000985 3.19 67797 0.51 計(jì)算示例：以第一組為例1） 流速2） 雷諾數(shù)3） 局部阻力系數(shù)6、層流管數(shù)據(jù)表P0/kPal/md/m0.00 1.500 0.0030 序號(hào)水質(zhì)量 /g時(shí)間 /s管路壓降p/kPa水溫度t/水密度 /kgm-3水粘度 /Pas水流速 u/ms-1雷諾數(shù)Re摩擦

20、系數(shù)理論值117.4 50.00 0.28 21.6 995.9 0.000985 0.05 149 0.464 0.428 234.7 50.00 0.53 22.0 995.8 0.000976 0.10 301 0.221 0.213 372.8 50.00 0.98 22.4 995.7 0.000967 0.21 637 0.093 0.101 498.4 50.00 1.40 23.4 995.4 0.000945 0.28 880 0.073 0.073 5135.9 50.00 1.92 24.2 995.2 0.000929 0.38 1237 0.052 0.052 619

21、9.5 50.00 2.99 25.0 995.0 0.000913 0.56 1847 0.038 0.035 計(jì)算示例：以第一組為例1） 流量2） 流速3） 雷諾數(shù)4） 摩擦系數(shù) 5） 理論摩擦系數(shù) 七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果作圖及分析進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后利用Excel軟件進(jìn)行關(guān)系曲線的繪制，得到結(jié)果如下： 1、對(duì)光滑管與粗糙管的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：對(duì)于光滑管，實(shí)驗(yàn)數(shù)值的阻力摩擦系數(shù)應(yīng)大略微于等于理論值。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出的光滑管（不銹鋼管）的-Re關(guān)系曲線與Blasius理論得出的曲線在Re臨界值之前十分接近，僅僅是略微較低于理論值。這說(shuō)明了Blasius公式在Re=4000至臨界值區(qū)間上與實(shí)際情況吻合得較好。當(dāng)雷諾數(shù)

22、繼續(xù)增大后，阻力系數(shù)逐漸趨近于一個(gè)定值，此時(shí)實(shí)驗(yàn)曲線開始偏離理論曲線。即實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生了微小偏差，產(chǎn)生這種偏差的原因很可能是讀數(shù)時(shí)壓力波動(dòng)有不穩(wěn)定的情況，而我們?cè)谧x取壓力時(shí)進(jìn)行了折中取值。對(duì)于粗糙管（鍍鋅管），其-Re關(guān)系曲線形態(tài)與光滑管大體相似，在雷諾數(shù)Re相同時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)值的阻力摩擦系數(shù)比光滑管的大，其間的曲線關(guān)系應(yīng)該位于理論值曲線的上方。粗糙管內(nèi)的摩擦阻力系數(shù)不僅隨雷諾數(shù)的變化而變化，其大小還與管道的相對(duì)粗糙度有直接關(guān)系。此外，粗糙管的-Re關(guān)系曲線與理論曲線偏離明顯，這說(shuō)明Blasius公式對(duì)水力光滑管更加適用，而不適用于粗糙管。結(jié)論：光滑管與粗糙管的摩擦阻力系數(shù)均隨雷諾數(shù)Re的增大而減小

23、，當(dāng)Re增大到一定程度時(shí)，有一臨界值，逐漸趨于一個(gè)定值。此后的流動(dòng)可以認(rèn)為進(jìn)入了阻力平方區(qū)。2、對(duì)層流管的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：對(duì)于層流管，在流速較低時(shí)（層流區(qū)內(nèi)），數(shù)據(jù)點(diǎn)在大體落在理論曲線附近，呈線性分布，這表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果高度吻合。但隨著流速增加，曲線較理論線有向下偏離，這與測(cè)量過(guò)程中的誤差有一定關(guān)系。改進(jìn)辦法：延長(zhǎng)測(cè)量流量的時(shí)間，并且在每次改變流速后多穩(wěn)定一段時(shí)間，讓管內(nèi)流動(dòng)更趨近于穩(wěn)態(tài)來(lái)提高測(cè)量的穩(wěn)定性。3、對(duì)突擴(kuò)管的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析對(duì)于突擴(kuò)管，在雷諾數(shù)相同時(shí)，局部阻力系數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)值大于理論值，且能夠根據(jù)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出不同流速下（湍流），突擴(kuò)管的局部阻力系數(shù)大體相同的結(jié)論。局部阻力系數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)值大于理論值的情況，很可能是由于局部件長(zhǎng)時(shí)間使用后有一定程度的損耗造成的。但對(duì)于一定狀態(tài)下的同一種局部件，其局部阻力基本為定值。4、對(duì)球閥與截止閥的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上