流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)——流體流動(dòng)阻力測(cè)定

1、專業(yè)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 日期： 地點(diǎn)： 實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱： 過(guò)程工程原理實(shí)驗(yàn)（甲）I 指導(dǎo)老師： 成績(jī)：_ 實(shí)驗(yàn)名稱：流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)流體流動(dòng)阻力測(cè)定 實(shí)驗(yàn)類型：_ 同組學(xué)生姓名： 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵螅ū靥睿┒?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理（必填）三、主要儀器設(shè)備（必填）四、操作方法和實(shí)驗(yàn)步驟五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析（必填）七、討論、心得一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?掌握測(cè)定流體流經(jīng)直管、管件（閥門）時(shí)阻力損失的一般實(shí)驗(yàn)方法。 測(cè)定直管摩擦系數(shù)與雷諾準(zhǔn)數(shù)Re的關(guān)系，驗(yàn)證在一般湍流區(qū)內(nèi)與Re的關(guān)系曲線。 測(cè)定流體流經(jīng)管件（閥門）時(shí)的局部阻力系數(shù)。 識(shí)辨組成管路的各種管件、閥門，并了解其作用。二、實(shí)驗(yàn)裝置

2、與流程實(shí)驗(yàn)對(duì)象部分由貯水箱，離心泵，不同材質(zhì)的水管，各種閥門、管件，流量計(jì)和壓差計(jì)等所組成。通過(guò)兩條并聯(lián)長(zhǎng)直管分別測(cè)定光滑和粗糙管的直管阻力系數(shù)。同時(shí)在粗糙管直管和光滑管直管上分別裝有閘閥和截止閥，用于測(cè)定不同種類閥門的局部阻力系數(shù)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖 1所示，裝置參數(shù)如表 1所示。圖 1 裝置流程示意圖表 1 裝置參數(shù)表名稱材質(zhì)管內(nèi)徑/mm測(cè)量段長(zhǎng)度/mm光滑管不銹鋼管211000粗糙管鍍鋅鐵管221000光滑管局部阻力截止閥21660粗糙管局部阻力閘閥22680三、基本原理流體通過(guò)由直管、閥門等組成的管路系統(tǒng)時(shí)，由于粘性應(yīng)力和渦流應(yīng)力的存在，要損失一定的機(jī)械能。流體流經(jīng)直管所造成的機(jī)械能損失稱為

3、直管阻力損失，流體通過(guò)閥門等引起的機(jī)械能損失稱為局部阻力損失。 直管阻力摩擦系數(shù)的測(cè)定流體在水平等徑直管中穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，阻力損失為： 即 采用渦輪流量計(jì)測(cè)流量V 用壓差傳感器測(cè)量流體流經(jīng)直管的壓力降。根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)l、d，流體溫度T（查流體物性、），及實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)定的流量V、壓力降pf，求取Re和，再將Re和標(biāo)繪在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖上。 局部阻力系數(shù)的測(cè)定流體通過(guò)某一管件或閥門時(shí)的機(jī)械能損失表示為流體在小管徑內(nèi)流動(dòng)時(shí)平均動(dòng)能的某一倍數(shù)，這種計(jì)算方法稱為阻力系數(shù)法。即： 故 根據(jù)連接管件或閥門兩端管徑中小管的直徑d，流體溫度T（查流體物性、），及實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)定的流量V、壓力降pf，通過(guò)式 或 ，求取管件（

4、閥門）的局部阻力系數(shù)。四、實(shí)驗(yàn)步驟 打開(kāi)儀表柜總電源、儀表電源。首先對(duì)水泵進(jìn)行灌水，然后關(guān)閉出口閥、灌泵口，啟動(dòng)水泵電機(jī)，待電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)后，把泵的出口閥緩緩開(kāi)到最大。 全開(kāi)流量調(diào)節(jié)閥，依次打開(kāi)各個(gè)壓差傳感器的引壓管閥門對(duì)壓差傳感器進(jìn)行排氣，完成后關(guān)閉排氣閥門，使壓差傳感器處于測(cè)量狀態(tài)。 緩慢調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥，讓流量從最大值到1m3/h的范圍內(nèi)變化，并且讓流量按等比變化。每次改變流量，待流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定后，分別記下流量值、直管壓差和閥門壓差。 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉泵出口閥，停止水泵電機(jī)，關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)。注意：本實(shí)驗(yàn)的流量調(diào)節(jié)閥安裝在管路出口處，是因?yàn)榱黧w流動(dòng)時(shí)有位能升高的過(guò)程，若將閥門安在泵出口處，則當(dāng)流量過(guò)

5、小、流速過(guò)小時(shí)，流體在低位能處即損失大量機(jī)械能，可能沒(méi)有足夠的機(jī)械能走完管路，并且可能會(huì)混入空氣。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理1. 裝置參數(shù)裝置號(hào)：3名稱管內(nèi)徑（mm）直管測(cè)量段長(zhǎng)度（mm）局部阻力測(cè)量段長(zhǎng)度（mm）光滑管211000660粗糙管2210006802. 數(shù)據(jù)處理水溫t=30.7，查表得：=995.7 kg/m3； =0.801×10-3Pa·s；取流量V大于1 m3/h的數(shù)據(jù)組進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表 2，表 3：表 2光滑管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理序號(hào)流量V/(m3/h)直管壓差pf1/kPa含閥門直管壓差/pf2/kPa截止閥壓/pf'/kPa平均流速u/(m/s)雷諾

6、數(shù)Re直管阻力摩擦系數(shù)局部阻力系數(shù)15.218.0795.0089.674.181090740.0195010.3224.175.4062.1558.593.34873010.0203710.5233.313.4439.5037.232.65692970.0205910.6142.642.3126.4024.882.12552700.0217411.1552.081.4016.4515.531.67435460.0212211.2161.700.9511.3110.681.36355900.0215611.5471.360.587.737.351.09284720.0205712.4181.1

7、00.345.445.220.88230290.0184313.46表 3粗糙管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理序號(hào)流量V/(m3/h)直管壓差pf1/kPa含閥門直管壓差/pf2/kPa閘閥壓差/pf'/kPa平均流速u/(m/s)雷諾數(shù)Re直管阻力摩擦系數(shù)局部阻力系數(shù)15.1624.9824.987.994.141080270.061530.9424.1320.2624.8611.083.31864640.077902.0333.2712.8615.706.962.62684590.078872.0342.638.549.563.752.11550600.080971.6952.045.215.702

8、.161.64427090.082101.6261.703.573.841.411.36355900.081011.5371.352.022.070.701.08282630.072691.1981.111.251.210.360.89232380.066530.91計(jì)算示例（取光滑管第一組）：六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 根據(jù)光滑管、粗糙管實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上分別標(biāo)繪出Re曲線得圖 2圖 2 -Re圖對(duì)照Moody圖，估算得到：光滑管：相對(duì)粗糙度/d=0.0002，絕對(duì)粗糙度=0.0002*21mm=0.0042mm粗糙管：相對(duì)粗糙度/d=0.02， 絕對(duì)粗糙度=0.02*22mm=0.44mm光

9、滑管截止閥=11.4；粗糙管閘閥=1.49 。 分析：由上圖可以看出，本實(shí)驗(yàn)所繪制的Re圖與課本的Moody圖差別較大，原因除了操作不當(dāng)外，還可能是當(dāng)流速過(guò)低時(shí)，壓力傳感器的測(cè)量值偏小，導(dǎo)致較小的數(shù)據(jù)的偏移也會(huì)產(chǎn)生很大的相對(duì)誤差，因此分析時(shí)應(yīng)把Re過(guò)小的點(diǎn)舍去。對(duì)于光滑管來(lái)說(shuō)，當(dāng)流體流過(guò)光滑管時(shí)，因?yàn)楣艿拇植诜搴苄?，粗糙峰都處在湍流的層流底層之下，?/d對(duì)流動(dòng)阻力不產(chǎn)生任何影響，這時(shí)只是Re的函數(shù)，那么，光滑管的圖像應(yīng)與課本里的Moody圖完全一致，然而上圖并沒(méi)有這個(gè)趨勢(shì)，原因可能是實(shí)驗(yàn)所選用的光滑管本身光滑度就不是很好，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于操作不精細(xì)也會(huì)引入誤差，因此其粗糙度不可忽略。對(duì)于粗糙

10、管，流體在管內(nèi)湍流流動(dòng)時(shí)，Re、/d 對(duì)流動(dòng)阻力均有影響，且隨著Re的增大，/d對(duì)的影響越來(lái)越重要，相反，Re的影響卻越來(lái)越弱。這是因?yàn)椋?d一定時(shí)，Re越大，則暴露在湍流主體區(qū)的粗糙峰就越多，/d對(duì)的影響就越大；當(dāng) Re 增大到一定程度后，幾乎所有的粗糙峰都暴露在湍流主體區(qū)內(nèi)，此時(shí)流動(dòng)進(jìn)入了阻力平方區(qū)，該區(qū)域的曲線趨近于水平線。這時(shí)粗糙管的摩擦損失hfu2。查看圖表可知，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論基本上吻合，在曲線的中部斜率逐漸趨于水平。但是粗糙管中第一組的數(shù)據(jù)（即最后一個(gè)點(diǎn)）算出的和偏小，導(dǎo)致曲線趨勢(shì)出現(xiàn)較大偏差。猜測(cè)原因是一開(kāi)始流量較大壓差不穩(wěn)定，并且第一個(gè)數(shù)據(jù)沒(méi)有在停留足夠長(zhǎng)時(shí)間使示數(shù)穩(wěn)定后才讀數(shù)

11、，導(dǎo)致壓差計(jì)讀數(shù)有偏差，從而造成和偏小。工程實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果受實(shí)際情況的影響較大。誤差主要有下面幾個(gè)方面：（1）水含有雜質(zhì)。由于實(shí)驗(yàn)裝置已經(jīng)重復(fù)使用多次，而貯水箱里面的水卻沒(méi)有及時(shí)更換，導(dǎo)致水中雜質(zhì)很多，影響水的密度和粘度，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算。（2）裝置中的光滑管和粗糙管無(wú)法做到真正水平，使流體水平流動(dòng)時(shí)有位能的損失，也會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏離。（3）在讀取儀表顯示器數(shù)據(jù)時(shí)，由于數(shù)值不斷波動(dòng)且長(zhǎng)時(shí)間不能穩(wěn)定，難以確定具體數(shù)值，尤其在流量小壓力小的情況下誤差更大。（4）實(shí)驗(yàn)所用管道內(nèi)壁經(jīng)過(guò)流體長(zhǎng)時(shí)間的腐蝕可能會(huì)生銹等，使管徑不準(zhǔn)確，造成實(shí)驗(yàn)誤差。（5）流體流動(dòng)時(shí)與管內(nèi)壁發(fā)生摩擦?xí)a(chǎn)生熱量，使流體溫度升

12、高，改變了流體的密度和粘度，而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)是將實(shí)驗(yàn)過(guò)程始末流體溫度的平均值當(dāng)做流體恒定溫度，這樣也就引入了誤差。七、思考題 在對(duì)裝置做排氣工作時(shí)，是否一定要關(guān)閉流程尾部的出口閥？為什么？答：對(duì)裝置做排氣工作時(shí)，先打開(kāi)流程尾部的出口閥，使流體進(jìn)入大流量的穩(wěn)定流動(dòng)，這時(shí)再關(guān)閉流程尾部的出口閥，就可以使管中產(chǎn)生較大的壓力，從而讓管路中中的氣體排出，否則排氣不充分會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。 如何檢測(cè)管路中的空氣已經(jīng)被排除干凈？答：對(duì)于整條管路，當(dāng)觀察到管路的出口水流均勻，無(wú)突突聲，則可以判斷空氣已排盡。對(duì)壓差計(jì)，先檢查連接軟管以及傳感器的出口管中有沒(méi)有氣泡，若沒(méi)有，關(guān)閉流量調(diào)節(jié)閥使水流停止，看壓差計(jì)的讀數(shù)是否為零，如果為零，則說(shuō)明氣體已經(jīng)排空。然而事實(shí)上，由于實(shí)驗(yàn)裝置本身的誤差，即使空氣已經(jīng)排除干凈，壓差也不一定為0，此時(shí)要記錄下壓差數(shù)值，在數(shù)據(jù)處理時(shí)將此數(shù)