流體流動阻力的測定實驗報告

流體流動阻力的測定173210011120102761王曉鴿一、實驗目的掌握測定流體流經(jīng)直管、管件和閥門時阻力損失的實驗方法。測定直管摩擦系數(shù)入與雷諾準數(shù)Re的關(guān)系，驗證在一般湍流區(qū)入與Re的關(guān)系曲線。測定流體流經(jīng)管件、閥門時的局部阻力系數(shù)&。學會流量計和壓差計的使用方法。識辨組成管路的各種管件、閥門，并了解其作用。二、實驗原理流體通過由直管、管件（如三通和彎頭等）和閥門等組成的管路系統(tǒng)時，由于粘性剪應力和渦流應力的存在，要損失一定的機械能。流體流經(jīng)直管時所造成機械能損失稱為直管阻力損失。流體通過管件、閥門時因流體運動方向和速度大小改變所引起的機械能損失稱為局部阻力損失。1.直管阻力摩擦系數(shù)的測定流體在水平等徑直管中穩(wěn)定流動時，阻力損失為：即，式中：一直管阻力摩擦系數(shù)，無因次；一直管內(nèi)徑，；一流體流經(jīng)米直管的壓力降，；一單位質(zhì)量流體流經(jīng)米直管的機械能損失，一流體密度，；化工原理實驗一直管長度，~;—流體在管內(nèi)流動的平均流速，。層流流時，湍流時是雷諾準數(shù)和相對粗糙度的函數(shù)，須由實驗確定。欲測定，需確定、，測定、、、等參數(shù)。、為裝置參數(shù)（裝置參數(shù)表格中給出），、通過測定流體溫度，再查有關(guān)手冊而得，通過測定流體流量，再由管徑計算得到?？捎眯凸?、倒置型管、測壓直管等液柱壓差計測定，或采用差壓變送器和二次儀表顯示。求取和后，再將和標繪在雙對數(shù)坐標圖上。局部阻力系數(shù)的測定局部阻力損失通常有兩種表示方法，即當量長度法和阻力系數(shù)法。本實驗采用阻力系數(shù)法。流體通過某一管件或閥門時的機械能損失表示為流體在小管徑內(nèi)流動時平均動能的某一倍數(shù)，局部阻力的這種計算方法，稱為阻力系數(shù)法。即：因此，式中：一局部阻力系數(shù)，無因次；一局部阻力壓強降，；（本裝置中，所測得的壓降應扣除兩測壓口間直管段的壓降，直管段的壓降由直管阻力實驗結(jié)果求取。）一流體密度，；一流體在管內(nèi)流動的平均流速，。根據(jù)連接閥門兩端管徑，流體密度，流體溫度（查流體物性、），及實驗時測定的流量、壓差計讀數(shù)，求取閥門的局部阻力系數(shù)。三、實驗內(nèi)容1.根據(jù)粗糙管實驗結(jié)果，在雙對數(shù)坐標紙上標繪出曲線，對照化工原理1.根據(jù)粗糙管實驗結(jié)果，在雙對數(shù)坐標紙上標繪出曲線，對照化工原理根據(jù)光滑管實驗結(jié)果，對照柏拉修斯方程，計算其誤差。測定閘閥在不同開度時的阻力系數(shù)。對實驗結(jié)果進行分析討論。四、實驗裝置與流程實驗裝置流程圖流體流動阻力測定實驗裝置流程示意圖1一水箱；2一管道泵；3一渦輪流量計；4—進口閥；5—均壓閥；6一閘閥；

7一引壓閥；8一壓力變送器；9—出口閥；10一排水閥；11—電氣控制箱實驗流程實驗對象部分是由貯水箱，離心泵，不同管徑、材質(zhì)的水管，各種閥門、管件，渦輪流量計和倒。型壓差計等所組成的。管路部分有三段并聯(lián)的長直管，分別為用于測定局部阻力系數(shù)，光滑管直管阻力系數(shù)和粗糙管直管阻力系數(shù)。測定局部阻力部分使用不銹鋼管，其上裝有待測管件（閘閥）；光滑管直管阻力的測定同樣使用內(nèi)壁光滑的不銹鋼管，而粗糙管直管阻力的測定對象為管道內(nèi)壁較粗糙的鍍鋅管。水的流量使用渦輪流量計測量，管路和管件的阻力采用差壓變送器將差壓信號傳遞給無紙記錄儀。設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)測光滑直管段：管徑d=0.020m，測壓點間距離L=1.00m，材料為不銹鋼。被測粗糙直管段：管徑d=0.021m，測壓點間距離L=1.00m，材料為鍍鋅鐵。被測局部阻力直管段：管徑d=0.020m,長度0.95m。壓差傳感器：型號為3351DP4E22B3，測量范圍為0~15kPa。離心泵：型號為MS60/37SS，流量為3.6m3/h，揚程為14.6m，電機功率為370W，轉(zhuǎn)速2850rpm。⑦渦輪流量計：型號為LWGY—20。五、實驗步驟檢查儲水槽內(nèi)水位是否正常，若缺水須加水至滿，實驗中注意保持水體清潔。檢查所有閥門并將閥門關(guān)緊。打開總電源和儀表開關(guān)，啟動水泵至自動檔，待電機轉(zhuǎn)動平穩(wěn)后，把出口閥開到最大。排氣：選擇實驗管路，把對應的進口閥，引壓閥和差壓變送器8的兩個閥門打開，并在出口閥最大開度下，保持全流量流動5min左右，直至連接差壓變送器的透明管路內(nèi)氣泡為止。關(guān)閉差壓變送器8的兩個閥門，在計算機監(jiān)控界面點擊該對應管路，則差壓變送器開始檢測該管路壓差。流量調(diào)節(jié)：手動狀態(tài)，調(diào)節(jié)流量，讓流量從1~5范圍內(nèi)變化，建議每次實驗變化0.25~0.3。每次改變流量，待流動達到穩(wěn)定后，記下對應的壓差值，溫度，流量。依次選擇光滑管、粗糙管以及局部阻力管路進行測量，數(shù)據(jù)測量完畢，關(guān)閉所有閥門，關(guān)閉水泵和儀表電源。。五、實驗數(shù)據(jù)記錄與處理1.原始數(shù)據(jù)記錄。光滑管數(shù)據(jù)記錄序號123456789101112流量5.004.644.313.913.633.232.912.622.322.041.631.23壓差6.956.155.254.453.863.152.602.121.701.340.900.54溫度19.419.519.619.719.719.819.919.919.919.919.919.9(2)粗糙管數(shù)據(jù)記錄

序號123456789101112流量4.994.624.303.903.623.212.912.612.302.021.621.22壓差9.608.207.155.805.124.013.302.702.061.641.090.60溫度20.020.019.920.020.120.120.220.220.320.420.520.6(3)局部阻力測量數(shù)據(jù)記錄類型半開全開序號1212流量2.041.242.011.23壓差7.952.971.510.62溫度21.121.221.221.12,根據(jù)粗糙管實驗結(jié)果，在雙對數(shù)坐標紙上標繪出曲線，對照化工原理教材上有關(guān)曲線圖，即可估算出該管的相對粗糙度和絕對粗糙度。經(jīng)計算知在實驗測量過程中，平均溫度值為，查表后由內(nèi)插法計算可知在此溫度下，；。欲測定，需確定、，測定、、、等參數(shù)。粗糙管中，管徑，測壓點間距離。根據(jù)公式：對數(shù)據(jù)經(jīng)計算后有:序號123456789101112流量4.994.624.33.93.623.212.912.612.32.021.621.22壓差9.578.27.155.885.084.013.302.662.071.631.070.624.003.713.453.132.902.572.332.091.841.621.300.98Re8347277283719306523960555536964867843660384743379027099204080.02510.02510.02530.02530.02540.02550.02550.02550.02560.02610.02670.0272lnRe11.33211.25511.18311.08611.01110.89110.79310.68410.55810.42810.2079.924In入-3.683-3.684-3.677-3.677-3.675-3.671-3.669-3.667-3.665-3.645-3.624-3.603，因此判斷在管內(nèi)流體流動方式為湍流。做出曲線如下圖所示，根據(jù)教材有關(guān)圖線，查表知相對粗糙度，可計算得絕對粗糙度。另外，從圖線可以看出，隨的不斷增大，逐漸減小。摩擦系數(shù)曲線3.根據(jù)光滑管實驗結(jié)果，對照柏拉修斯方程，計算其誤差。經(jīng)計算知在實驗測量過程中，平均溫度值為，查表后由內(nèi)插法計算可知在此溫度下，；。對數(shù)據(jù)進行與粗糙管相同方法的計算，并根據(jù)Blasius方程計算在Re條件下的理論值，計算實驗值與理論值的相對誤差（相對誤差公式為理論值實驗值）。計算結(jié)果如下表所示：理論值序號123456789101112流量5.004.644.313.913.633.232.912.622.322.041.631.23壓差6.956.155.254.453.863.152.602.121.701.340.900.544.013.723.463.142.912.592.332.101.861.641.310.99Re8363977617720976540660722540314867843827388093412527266205750.01820.01870.01850.01900.01920.01980.02010.02020.02070.02110.02220.0233lnRe11.33411.26011.18611.08811.01410.89710.79310.68810.56610.43810.2139.932ln入-4.007-3.980-3.991-3.961-3.955-3.925-3.908-3.902-3.879-3.860-3.809-3.757理論0.01860.01900.01930.01980.02020.02080.02130.02190.02250.02330.02460.0264相對誤差2.25%1.42%4.25%3.76%4.92%4.82%5.71%7.61%8.34%9.52%10.00%11.62%分別對實驗值和理論值做曲線如下圖所示讀圖可知，受某些因素影響，本次實驗測得的摩擦系數(shù)比理論值偏小，但實驗值與理論值都隨Re的增大而逐漸減小。另外，通過數(shù)據(jù)也可看出，隨Re的增大，相對誤差逐漸減小。閘閥在不同開度時的阻力系數(shù)。在實驗條件下，平均溫度為，查表后由內(nèi)插法得。對于一段管路來說，其總阻力損失應為直管的摩擦阻力損失與管件的局部阻力之和。計算式為：—，因此其中，由光滑管測量數(shù)據(jù)可知，流量為2.04時，其；流量為1.23時，其；。分別帶入上述公式，可得到在不同開度下閥門的局部阻力系數(shù)如下表所示類型半開全開序號1212流量Q2.041.242.011.23壓差7.952.971.510.621.640.991.610.994.954.910.160.17計算得半開時，閥門的局部阻力系數(shù)平均值為4.93,全開時為0.16。查教材表可知，閘閥在半開時的局部阻力系數(shù)理論值為4.5，全開時為0.17。因此半開時的相對誤差為9.56%，全開時的相對誤差為5.88%。六、實驗結(jié)果評價與分析在粗糙管實驗中，測得的數(shù)據(jù)及曲線趨勢與理論曲線比較吻合，但求出的相對粗糙度(0.042mm)小于教材附表中查得同種材質(zhì)的標準絕對粗糙度(0.1-0.2mm)，分析其原因可能是：所用粗糙管在長期使用后粗糙度降低。測量過程中所測壓差值小于實際值，或流量的測定偏小，導致值偏小。所使用的水已經(jīng)在蓄水池中存放多時，且并不純凈，不能保證其粘度、密度等參數(shù)與理想狀態(tài)相同。由光滑管的誤差計算可以看出，隨Re的增大，相對誤差逐漸減小。說明隨流體流速的增加，其他因素的影響逐漸變小，測得的摩擦系數(shù)越來越接近于理論值。由局部阻力系數(shù)的測定結(jié)果可知，流體流速的變化對相同開度的閘閥下測得的局部阻力系數(shù)影響不大。從而可知局部阻力系數(shù)在實驗條件變化下變化較小。4,實驗中的誤差分析：調(diào)解儀器狀態(tài)時儀器無法處于完全穩(wěn)定的狀態(tài)，讀數(shù)不準確。在讀取數(shù)據(jù)時，由于流動過程本身有一定的脈動性，壓差不能保持穩(wěn)定，有上下波動的情況，壓差計的數(shù)據(jù)不斷變化，讀取的數(shù)據(jù)是一個范圍內(nèi)的平均值，不穩(wěn)定，影響結(jié)果。在實驗過程中，由于液體流動和管壁有摩擦，會產(chǎn)生熱量導致溫度變化，且該變化在管道中各部也不完全相同，屬分布參數(shù)，而溫度變送器僅檢測所在點溫度，不具有完全代表性。而我們在數(shù)據(jù)處理時，僅能取溫度平均值來查相關(guān)參數(shù)，造成一定誤差。七、思考題1.以水為工作流體所測得關(guān)系能否適用于其他種類的牛頓型流體？請說明原因。答：不能。因為其他牛頓型流體的物理性質(zhì)，如密度、粘度等與水不同，而、與密度、粘度等都有關(guān)，所以不能適用于其他