化工原理試驗(yàn)報(bào)告流體阻力

1、摘要:本實(shí)驗(yàn)通過測定流體在不同管路中流動(dòng)時(shí)的流量qv、測壓點(diǎn)之間的壓強(qiáng)差 P,結(jié)合已知的管路的內(nèi)徑、長度等數(shù)據(jù)，應(yīng)用機(jī)械能守恒式算出不同管路的 入Re變化關(guān)系及突然擴(kuò)大管的-Re關(guān)系。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:O.3163/Re0.25。突然擴(kuò)大管的局部阻力系數(shù)隨 Re的變化而變化。目的及任務(wù) 掌握測定流體流動(dòng)阻力實(shí)驗(yàn)的一般實(shí)驗(yàn)方法。 測定直管的摩擦阻力系數(shù)入及突然擴(kuò)大管和閥門的局部阻力系數(shù)B 驗(yàn)證湍流區(qū)內(nèi)摩擦系數(shù)入為雷諾數(shù)Re和相對粗糙度的函數(shù)。 將所得光滑管 入Re方程與Blasius方程相比較

2、。基本原理1. 直管摩擦阻力不可壓縮流體，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產(chǎn)生摩 擦阻力；流體在流過突然擴(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，產(chǎn)生局部阻力。影響流體阻力的因素較多，在工程上通常采用量綱分析方 法簡化實(shí)驗(yàn)，得到在一定條件下具有普遍意義的結(jié)果，其方法如下：流體流動(dòng)阻力與流體的性質(zhì)，流體流經(jīng)處的幾何尺寸以及流動(dòng)狀態(tài)相關(guān)， 可 表示為： P=?(d ,l ,u , p , £)引入下列無量綱數(shù)群。雷諾數(shù)Redu相對粗糙度管子長徑比從而得到性)2（Re，d）u2可得到摩擦阻力系數(shù)與壓頭損失之間的關(guān)系，這種關(guān)系可用實(shí)驗(yàn)方法直接測 定。式中. 2hP

3、 1 Uh f d 2hf直管阻力，J/kg；l 被測管長，m；d被測管內(nèi)徑，m ；U 平均流速，m/s ；摩擦阻力系數(shù)。當(dāng)流體在一管徑為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)測出 這兩個(gè)截面間的靜壓強(qiáng)差，即為流體流過兩截面間的流動(dòng)阻力。根據(jù)伯努利方程 找出靜壓強(qiáng)差和摩擦阻力系數(shù)的關(guān)系式，即可求出摩擦阻力系數(shù)。改變流速科測 出不同Re下的摩擦阻力系數(shù)，這樣就可得到某一相對粗糙度下的 入Re關(guān)系。(1) 湍流區(qū)的摩擦阻力系數(shù)在湍流區(qū)內(nèi)"ReQ)。對于光滑管，大量實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)Re在3 103105范圍內(nèi)， 與Re的關(guān)系式遵循Blasius關(guān)系式，即0.3163/Re0'2

4、5對于粗糙管，與Re的關(guān)系均以圖來表示。(2) 層流的摩擦阻力系數(shù)64Re2. 局部阻力2hfU2式中，E為局部阻力系數(shù)，其與流體流過管件的集合形狀及流體的Re有關(guān),當(dāng)Re大到一定值后，與 Re無關(guān)，為定值。三、裝置和流程本實(shí)驗(yàn)裝置如圖，管道水平安裝，實(shí)驗(yàn)用水循環(huán)使用。其中管為層流管，管徑6X mmS測壓管之間的距離 1m;管安裝有球閥和截止閥兩種管件，管徑為(7X 3)mm管為27X mm不銹鋼管；為 67X mn鍍鋅鋼管，直管阻力的兩 測壓口間的距離為1.5m;為突然擴(kuò)大管，管子由62X 3) mn擴(kuò)大到68X 3) mm ai、a2為層流管兩端的兩測壓口； b1、b2為球閥的兩測壓口；

5、c1、c2表示截止閥 的兩測壓口； d1、d2表示不銹鋼管的兩測壓口； e1、e2表示粗糙管的兩測壓口； f1、f2表示突然擴(kuò)大管的兩測壓口。系統(tǒng)中孔板流量計(jì)以測流量。四、操作要點(diǎn)啟動(dòng)離心泵，打開被測管線上的開關(guān)閥及面板上與其對應(yīng)的切換閥， 關(guān)閉其他開關(guān)閥和切換閥，確保測壓點(diǎn)一一對應(yīng)。系統(tǒng)要排凈氣體使液體連續(xù)流動(dòng)。設(shè)備和測壓管線中的氣體都要排凈，檢驗(yàn)的方法是當(dāng)流量為零時(shí)，觀察 U形壓差計(jì)的兩液面是否水 平。讀取數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)注意穩(wěn)定后再讀數(shù)。測定直管摩擦阻力時(shí)，流量由大 到小，充分利用面板量程測取10組數(shù)據(jù)。測定突然擴(kuò)大管、球閥和 截止閥的局部阻力時(shí)，各取3組數(shù)據(jù)。本次實(shí)驗(yàn)層流管不做測定。測完一根

6、管數(shù)據(jù)后，應(yīng)將流量調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，觀察壓差計(jì)的兩液面是否 水平，水平時(shí)才能更換另一條管路，否則全部數(shù)據(jù)無效。同時(shí)要了解 各種閥門的特點(diǎn)，學(xué)會使用閥門，注意閥門的切換，同時(shí)要關(guān)嚴(yán)，防 止內(nèi)漏。五、數(shù)據(jù)處理(1)、原始數(shù)據(jù) 水溫： 密度：1000kg/m3粘度:卩=10序號1 11 23456781 91031）、不銹鋼管d=21mm l=V/ P/kPa2）、鍍鋅鋼管d= l=序號12345678910V/ P/kPa3）、突然擴(kuò)大 di= li=140mm d2=42.0mm l2=280mm2、數(shù)據(jù)處理1）不銹鋼管，鍍鋅管以及層流管的雷諾數(shù)和摩擦阻力系數(shù)用以下公式計(jì)算雷諾數(shù)Re dUhf 式中h

7、f直管阻力，J/kg；l 被測管長，m； d被測管內(nèi)徑，m;u 平均流速，m/s ； 摩擦阻力系數(shù)。2）突然擴(kuò)大管的雷諾數(shù)及摩擦阻力系數(shù)由以下公式計(jì)算雷諾數(shù)Re dU摩擦阻力系數(shù)3、數(shù)據(jù)處理結(jié)果如下表所示直管阻力數(shù)據(jù)處理記錄表序號V/m3/h-1hfv/m/s-1Re入B入142銹鋼管345678910鍍鋅管序號V/m3/h-1P/kPav/m/sRehf入142345678910層流管序號V(mL/s)T/ ° C P/kPav(m/s)Re入123456突然擴(kuò)大管序號v1(m/s)v2 (m/s)RehfE123數(shù)據(jù)處理示例:1、光滑管:T=20.0C 時(shí)水的密度1000Kg /

8、m3，粘度 1.005mPa ? s以光滑管第4組數(shù)據(jù)為例:qv= m3/h Phf =p P= d=21.0 mm 1=1.50 m4qvuRe4 3.11/3600 ecu,Y 2.4954543.14 0.02120.021 2.495454 1000 52117431.005 10 * * 3 *2d Pl u22 O.。21 4.63 103 2 0.0208391.50 1000 2.49545420.31630.25Re0.316352117.430-250.0209342、粗糙管:以粗糙管第4組數(shù)據(jù)為例:3qv 3.1m /h d 21.5mmI 1.50m4qv4 3.13.

9、14 0.0021522.373081Redu0.0215 2.373081 10001.005 10 350741.722d pl u20.0325282 0.0215 6.39 10突然擴(kuò)大管:以第1組數(shù)據(jù)為例：qv 3.80P 4.1036kPa d115.5mm l1140mmd242.0mm l2280mmRedu(U12 u22、U2)2 4.1036 103 1000 (5.5940692qv 3.13mL/s1.6406k Pav 0.474374m/s d= l=0.0029 0.474374 10001.005 10 31368.8412d pl u22 0.0029 1.

10、6406 1031 1000 0.47437420.046755由上述數(shù)據(jù)可以得到以下圖形:0 035-0,03 -ffl植管 光滑管Biasiustfi線0 025-0 02 -0.09 -0.08 -=0.07 £0;05 -0;04 -0 03-2000030000400005000060000 70000Re-X層流管、60(38CM3100012001400 leoo 10OO 2W0Re七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析:由上面圖表中的數(shù)據(jù)信息可以得出以下結(jié)論：1、當(dāng)Re>4000時(shí)，流動(dòng)進(jìn)入湍流區(qū)，摩擦阻力系數(shù)入隨雷諾數(shù)Re的增大而減小。至足夠大的Re后，入-Re曲線趨于平緩；2、

11、3、4、實(shí)驗(yàn)測出的光滑管入-Re曲線和利用Blasius關(guān)系式得出的入-Re曲線比較 接近，說明當(dāng)Re在3 103 105范圍內(nèi)，入與Re的關(guān)系滿足Blasius關(guān)系式，即0.3163/Re0.25 ；突然擴(kuò)大管的局部阻力系數(shù)隨流量的減小而增大；在Re<2000范圍內(nèi)，流體流動(dòng)為層流，實(shí)驗(yàn)所得層流管的摩擦阻力系數(shù) 入隨Re的變化趨勢與公式 64特性曲線相差較遠(yuǎn)，可能原因是在調(diào)節(jié)Re流量和時(shí)間控制中未把握好，人為造成了實(shí)驗(yàn)誤差，并且流量過大，導(dǎo)八、思考題致流體并非層流狀態(tài)。1在測量前為什么要將設(shè)備中的空氣排凈怎樣才能迅速地排凈答：排氣是為了保證流體的連續(xù)流動(dòng)。 先打開出口閥排除管路中的氣體， 然后關(guān) 閉出口閥，打開U形壓差計(jì)下端的排氣閥。2. 在不同設(shè)備、不同溫度下測定的 入Re數(shù)據(jù)能否關(guān)聯(lián)在一條曲線上答：只要相對粗糙度相同，入Re數(shù)據(jù)就能關(guān)聯(lián)到一條曲線上。3. 以水為工作流體所測得的摩擦阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系是否適用于其他流體 答：不適用，粘度不同。4. 測出的直管摩擦阻力與設(shè)備的放置狀態(tài)有關(guān)嗎為什么答：無關(guān)。根據(jù)機(jī)械能守恒有hf聲P2gz1)(匕 gz2)2 2Ul U22U形壓差計(jì)的hf)gR