化原實驗一流體阻力

1、北 京 化 工 大 學(xué)實 驗 報 告課程名稱： 化工原理實驗 實驗日期： 2010.10.29班 級： 化工0809 姓 名： 翟佳秀同 組 人：張麗娜、謝毅鵬、 蘇晨、張宏韜 裝置型號： FFRS-型流體阻力實驗一、摘要本實驗以水為介質(zhì)，使用FFRS-型流體阻力實驗裝置，測定了水流經(jīng)直管道、局部管道的阻力系數(shù)，Re104105。實驗驗證了湍流狀態(tài)下直管摩擦阻力系數(shù)受Re和/d共同影響；層流狀態(tài)下直管摩擦阻力系數(shù)僅是Re的函數(shù)，且在雙對數(shù)坐標(biāo)系內(nèi)呈線性關(guān)系；局部阻力系數(shù)受Re和局部形狀影響，尤其局部形狀的差異影響遠(yuǎn)大于Re。實驗得到的直管道阻力系數(shù)關(guān)聯(lián)圖與教材P29圖1-32接近，滿足工程上允

2、許的誤差范圍，在實際應(yīng)用中，可適當(dāng)參考該圖數(shù)據(jù)求取阻力系數(shù)，進(jìn)一步計算流體阻力。關(guān)鍵詞：摩擦阻力系數(shù) 局部阻力系數(shù) Re /d 二、實驗?zāi)康?、 借助不銹鋼管、鍍鋅鋼管測定隨Re，/d的變化關(guān)系。2、測定湍流條件下突擴(kuò)管、全開截止閥、半開截止閥的值。3、測定層流直管道的隨Re變化關(guān)系。三、實驗原理流體在流動過程中，由于粘性會發(fā)生相互間的摩擦，從而導(dǎo)致其機(jī)械能減少，我們稱之為阻力損失。計算流體阻力一種方法是測得管路上、下游兩個截面的機(jī)械能，當(dāng)沒有外加能量時，兩者的差值即是阻力損失；另一種方法是通過因次分析，得到一定條件下通用的公式，此法在科學(xué)研究和工程計算上應(yīng)用廣泛，具體如下：1、尋找影響流體阻

3、力的因素，共6個： h f =(d, u,) （1）2、簡化實驗，確定函數(shù)關(guān)系：使用因次分析法，將所有變量組合成4個無因次數(shù)群：雷諾準(zhǔn)數(shù)Re du/ 相對粗糙度 /d管道長徑比 l/d 能量項 hf/u2確定函數(shù)關(guān)系： （2）對于水平無變徑直管道，結(jié)合柏努利方程上式變?yōu)椋?（3）令可得： （4）式中 hf 直管阻力，JKg-1；l 被測管長，m；d 被測管內(nèi)徑，m；u 平均流速，ms-1；摩擦阻力系數(shù)。(4)式適用于湍流直管條件下的阻力計算，大量實驗表明，當(dāng)管道內(nèi)壁非常光滑，即相對粗糙度低于某一數(shù)值后，與Re的關(guān)系遵循Blasius關(guān)系式：=0.3163/Re0.25 （5）當(dāng)流體處于層流狀態(tài)

4、時，摩擦阻力系數(shù)將不受相對粗糙度的影響，由理論推導(dǎo)得： （6）當(dāng)流體流經(jīng)等徑管道局部（彎頭、閥門等），不考慮直管段長度，方程變?yōu)橐韵滦问剑?(7) 當(dāng)流體流經(jīng)突然擴(kuò)大管道(p1<p2)時： (8)稱為局部阻力系數(shù)，它與流體流過的管件的幾何形狀及流體的Re數(shù)有關(guān)，當(dāng)Re大到一定值后，與Re數(shù)無關(guān)，為定值。 用傳感器測量壓降時，要求主管路和引壓管線中的液體必須連續(xù)，不能有氣泡。主管路排氣可開大流量閥門，使水大量快速流過管道，將其中氣體帶走。引壓管線中的氣體可在關(guān)閉出口流量調(diào)節(jié)閥的情況下，打開傳感器兩側(cè)的排氣閥門將其排凈，最后注意將排氣閥關(guān)閉。四、實驗流程圖1、流體阻力實驗流程1、水箱 2、水

5、泵 3、渦輪流量計 4、層流水槽 5、層流管 6、截止閥 7、球閥 8、光滑管 9、粗糙管 10、突擴(kuò)管 11、流量調(diào)節(jié)閥 12、層流調(diào)節(jié)閥設(shè)備尺寸：不銹鋼管：l=1.5m，d=0.021m鍍鋅鋼管：l=1.5m，d=0.023m突 擴(kuò) 管：l1=0.14m，l2=0.28m，d1=0.016m，d2=0.042m截止閥、球閥管道：d=0.021m層流管：l=1.0m，d=0.0029m五、實驗操作1、按下紅色按鈕開啟離心泵，打開被測管線上的開關(guān)閥及面板上與相應(yīng)的切換閥，關(guān)閉其他的開關(guān)閥和切換閥保證測壓點一一對應(yīng)。2、確定實驗管路，打開主管路切換閥及引壓管閥門。3、打開排氣閥，排盡系統(tǒng)內(nèi)的空氣

6、，保證液體連續(xù)流動。檢驗是否排盡的方法是關(guān)閉排氣閥，觀察引壓管讀數(shù)是否在（0±0.03）KPa范圍內(nèi)，得出壓降零點修正值。4、將流量調(diào)節(jié)閥打到全開，查看最大流量值，在確定流量最小值后，設(shè)定出流量間隔值。5、由最小流量值開始調(diào)節(jié)流量，讀取引壓管數(shù)據(jù)，讀溫度，記錄測得的壓降及流量、溫度。6、每次切換管路后，都要進(jìn)行排氣，并重新讀取壓降零點修正值。7、在層流實驗中，水流量由在一定時間內(nèi)流出水的質(zhì)量及其密度求得。接液，計時，讀取引壓管數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)。六、實驗數(shù)據(jù)處理1、不銹鋼管：l=1.5 m d= 22mm 壓降零點修正：P0=-0.02kpad=22mml=1.5m序號流量/m3h-1流

7、速/kpa壓降/kpa水溫度/雷諾數(shù)Re入（Blasuus）入摩擦阻力系數(shù)14.273.1218389.981416.9 68338.740.01956290.01859887624.12.9975499.274616.8 656180.01976260.01877777333.952.8878838.634516.7 63217.340.01994760.01906962743.652.668557.479216.6 58416.020.02034540.01930816853.32.4126626.197816.5 52814.480.02086460.019523245663.022.2

8、079515.259216.4 48333.250.02133230.02064479372.631.9228184.096216.3 42091.540.02208260.02149870982.241.6376853.069316.2 35849.830.02298670.02256910591.751.2794421.968516.1 28007.680.02445010.023274087101.240.9065761.078316.9 19845.440.02664920.026485106以第一組數(shù)據(jù)為例，計算過程如下：t水=15，查表得=999.1kg.m-3 =1.145mPa

9、.s t水=20, 查表得=998.2kg.m-3 =1.008mPa.s用內(nèi)插法計算：當(dāng)溫度為T時的=（20-T）*998.2/5-(15-T)*999.1/5 = (20-T）*1.008/5-(15-T)*1.145 /5所以，t=16.9時 =998.542 kg.m-3 =1.0601 mPa.s流速u=4Q/(3600×d2)= 4*4.27/(3600*3.14*0.0222)=3.122 m/s雷諾數(shù)Re=du/= 22*3.122*998.542*1.0601=72705.75摩擦阻力系數(shù)=2pd/(lu2)=2*0.83*22/(1.5*998.542*1.145

10、2)=0.0186摩擦阻力系數(shù)理論=0.3163/Re0.25=0.01962、鍍鋅鋼管：l=1.5 m d=22mm 壓降零點修正：P0=-0.03 kPad=22mml=1.5m序號流量/m3h-1流速/kpa壓降/kpa水溫度/雷諾數(shù)Re入（Blasuus）入摩擦阻力系數(shù)13.992.9171279.099216.9 63857.510.0198970.0193656223.422.5003956.713216.8 54735.010.0206790.0204973432.812.0544186.61516.7 44972.330.021720.0219741542.321.696174

11、3.216216.6 37130.180.0227860.0271916751.811.3233082.039216.5 28967.940.0242450.0241585361.431.0454871.261516.4 22886.280.0257160.0258541371.120.8188430.841216.3 17924.920.0273360.0279080180.890.6506880.546516.2 14243.910.0289530.0289622790.730.533710.36116.1 11683.20.0304230.03001756100.590.4313550.

12、173216.0 9442.590.0320870.03270488以第三組數(shù)據(jù)為例，計算過程如下：用內(nèi)插法計算：當(dāng)溫度為T時的=（20-T）*998.2/5-(15-T)*999.1/5 = (20-T）*1.008/5-(15-T)*1.145 /5所以，t=16.9時 =998.542 kg.m-3 =1.0601 mPa.s流速u=4Q/(3600×d2)= 4*2.81/(3600*3.14*0.0222)=2.054m/s雷諾數(shù)Re=du/= 22*2.054*998.542/1.0601=42564.02摩擦阻力系數(shù)=2pd/(lu2)=2*0.94*22/(1.5*9

13、98.542*1.06012)=0.0208摩擦阻力系數(shù)理論=0.3163/Re0.25=0.02173、突擴(kuò)管：d1= 15.6mm ；d2= 42.0mm（l1=0.14m，l2=0.28m，=0.023） 壓降零點修正：P0=-0.02kpa序號流量/m3h-1流速1/kpa流速2/kpa壓降/kpa溫度/ 入局部阻力系數(shù)13.965.4737261150.7943735.4731690.978573522.483.4279900920.4974861.92741680.978610831.051.4513667730.2106290.23451670.9787162說明：此處突擴(kuò)管壓降

14、p1-p2<0，其它p1-p2>0。以第三組數(shù)據(jù)為例，計算過程如下：用內(nèi)插法計算：當(dāng)溫度為T時的=（20-T）*998.2/5-(15-T)*999.1/5 = (20-T）*1.008/5-(15-T)*1.145 /5所以，t=16.9時 =998.542 kg.m-3 =1.0601 mPa.s流速u1=4Q/(3600×d12)= 4*1.81/(3600*3.14*0.01562)=2.63m/s流速u2=4Q/(3600×d22)= 4*1.81/(3600*3.14*0.0422)=0.36m/s雷諾數(shù)Re1=du/= 15.6*2.63*998.

15、542/1.0601=43390局部阻力系數(shù)=1-（0.362+2*0.84/998.542）/2.632=0.94局部阻力系數(shù)理論=0.94（查表）4、層流管：l= 1.00 m d=0.0029 m壓降零點修正：P0=-0.02kpa序號時間/s體積/ml溫度/ 流速/m/s流量/ml/s壓降/kpa雷諾數(shù)Re入摩擦阻力系數(shù)入Blasuus168.418016.9 0.16551.169420.85582.349730.2771730.77717252.667416.8 0.19891.4052411.016498.956120.2647510.64675351.978216.7 0.22

16、331.5778331.1187111.10990.2560060.57600438.367416.6 0.27301.9290931.3756135.84540.2411240.47112534.978016.5 0.32382.2876751.6779161.09650.1972770.39727629.327916.4 0.38132.6944071.9298189.73830.1773070.33730725.848016.3 0.43823.0959752.363218.01640.1435560.29355822.428016.2 0.50503.5682430.6079251.2

17、7320.1047030.25470以第一組數(shù)據(jù)為例，計算過程如下：用內(nèi)插法計算：當(dāng)溫度為T時的=（20-T）*998.2/5-(15-T)*999.1/5 = (20-T）*1.008/5-(15-T)*1.145 /5所以，t=16.9時 =998.542 kg.m-3 =1.0601 mPa.s流速u=4Q/(d2)=4*(68.41/106/40)/(3.14*0.00292)=0.1655 m/s雷諾數(shù)Re=du/=2.9*0.1655*998.542/1.0601=82.35摩擦阻力系數(shù)=2pd/(lu2)= 2*0.65*2.9/(1.0*996.500*998.5422)=0.

18、278Re人七、實驗結(jié)果作圖及分析： 圖2 湍流直管摩擦阻力系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系結(jié)果分析：1、不銹鋼管與鍍鋅鋼管的摩擦阻力系數(shù)均隨雷諾數(shù)的增大而減小，當(dāng)雷諾數(shù)增加到一定值后，阻力系數(shù)減小的程度變緩，這是由于其值取決于相對粗糙度，在完全湍流區(qū)當(dāng)雷諾數(shù)足夠大時摩擦阻力系數(shù)不變。2、當(dāng)Re相同時，不銹鋼管與鍍鋅鋼管的摩擦阻力系數(shù)明顯不同，且后者高于前者，雷諾數(shù)相同時，相對粗糙度越大對應(yīng)的摩擦阻力系數(shù)就越大，由于不銹鋼管的比鍍鋅管的摩擦阻力系數(shù)的小，所以不銹鋼管的摩擦阻力系數(shù)小于鍍鋅管的。3、相同Re條件下，不銹鋼管與鍍鋅鋼管的值大于水力學(xué)光滑管，可見前兩者的相對粗糙度值并沒有小到光滑管以下，其仍對有影響

19、。人Re圖3、層流摩擦阻力系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系結(jié)果分析：1、Re<1800時，摩擦阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)線性減小，=64/ Re作成雙對數(shù)坐標(biāo)系為線性關(guān)系，Re>1800后，理論上流體不在層流范圍內(nèi)流動，不符合以上關(guān)系。2、過度區(qū)的起始點雷諾數(shù)大概是1800（小于2300），參考其它組同學(xué)數(shù)據(jù)，影響因素有儀器粗糙度、管道內(nèi)徑、測壓計讀數(shù)不穩(wěn)、測量時因環(huán)境不同而存在差異等。此外：（分析沒有作圖的表格數(shù)據(jù)等）序號流量/m3h-1流速1/kpa流速2/kpa壓降/kpa溫度/ 入局部阻力系數(shù)13.965.4737261150.7943735.4731690.978573522.483.427990

20、0920.4974861.92741690.978610831.051.4513667730.2106290.23451690.97871621、突然擴(kuò)大管的局部阻力系數(shù)受水流量（雷諾數(shù)）的影響不大，0.97，與理論值基本相符。八、思考題1、不銹鋼管、鍍鋅鋼管實驗測量的只是Re改變后的值，為什么判斷受Re和/d共同影響？ 答：因為由量綱分析法可知，hf=(Re,l/d,/d),而實驗裝置中l(wèi)/d固定，所以可以判斷受Re和、d共同影響。2、在不同設(shè)備（包括相對粗糙度相同而管徑不同）、不同溫度下測定的-Re數(shù)據(jù)能否關(guān)聯(lián)在一條曲線上？為什么？ 答：可以， hf=(Re,l/d,/d)，這時采用雙縱坐標(biāo)分別表示不同的相對粗糙度和管徑，這樣就能達(dá)到以上目的3、以水作工作流體所測得的-Re關(guān)系能否適用于其它種類的牛頓型流體？為什么？ 答：可以，因為的獲得與流體性質(zhì)無關(guān)，對于一套確定的裝置，只與Re有關(guān)。4、以下測出的直管摩擦阻力與設(shè)備的放置狀態(tài)有關(guān)嗎？它們分別是多少？（管徑、管長一樣，管內(nèi)走水，且R1=R2=R3） 答：有關(guān)系，hf1=gR1/, hf2=gR2/+Lsin, hf3=gR3/+L5、柏努利方程的適用條件是什么？該條件與本實驗有什么聯(lián)系？ 答：適用條件