化工原理实验~流体流动阻力的测定.pdf

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1、化工原理实验报告化工原理实验报告实验名称实验名称：流体流动阻力测定一、报告摘要一、报告摘要通过测定阀门在不同的开度下的流体流量qv，以及测定已知长度l和管径 d 的光滑直管和粗糙直管间的压差p，根据公式2dp，（其中为实验温度下流体的密度）；流体2lu流速u 4qvdu（为实验温度下流体粘度），以及雷诺数，得出湍流区光滑直管和Re 2d粗糙直管在不同 Re 下的值，并通过作Re双对数坐标图，以得出两者的关系示意曲线，以及和光滑管遵循的 Blasius 关系式比较关系，并验证了湍流区内摩擦阻力系数为雷诺数Re 和相对粗糙度/d 的函数。由公式12u22p可求出突然扩大管的局部阻力系数，以21u及

2、由64求出层流时的摩擦阻力系数，再和雷诺数 Re 作图得出层流管Re关系曲Re线。二、实验目的及任务二、实验目的及任务1、掌握测定流体流动阻力实验的一般试验方法；2、测定直管的摩擦阻力系数及突然扩大管的局部阻力系数；3、测定层流管的摩擦阻力系数；4、验证湍流区内摩擦阻力系数为雷诺数Re 和相对粗糙度/d 的函数；5、将所得光滑管的-Re 方程与 Blasius 方程相比较。三、实验原理三、实验原理1、不可压缩液体在圆形直管中做稳定流动时，由于粘性和旋流作用产生摩擦阻力，流体在流过突然扩大，弯头等管件时，由于流体运动的速度和方向突然变化，产生局部阻力。影响流体的阻力因素较多，在工程上通常采用量纲

3、分析方法简化实验，得到在一定条件下具有普遍意义的结果。直管阻力损失函数：f（hf，l，d，,u）=0应用量纲分析法寻找 hf（P/）与各影响因素间的关系1）影响因素物性：，设备：l，d，操作：u（p,Z）2）量纲分析ML-3，ML-1 T-1，lL，dL，L，uLT-1，hf L2 T-23）选基本变量（独立，含M，L，T）d，u，（l，u，等组合也可以）4）无量纲化非基本变量：1aubdcM0L0T0=ML-1 T-1ML-3aLT-1bLc a=-1,b=-1,c=-1变换形式后得：1ud/l:2l/d:3/dhf:4hf/u25）原函数无量纲化hfdulFu2,d,d06）实验dulu2

4、lu2摩擦系数：Re,dh,fdd2d2层流圆直管（Re4000）：=0.3163/Re0.25dRe218.7 湍流普通直管（4000Re临界点）：=（/d）即11.74 2logd对于粗糙管，与 Re 的关系均以图来表示2、局部阻力损失函数2hfu局部阻力系数：（局部结构）2考虑流体阻力等因素，通常管道设计液速值取13m/s，气速值取 1030m/s。大多数阀门：顺时针旋转是关闭，逆时针旋转是打开。四、实验流程四、实验流程光滑管：d=20.5mm,l=1.50m粗糙管：d=22.0mm,l=1.50m；突然扩大管：d1=16.0mml1140mmd2=42.0mm，l2=280mm；层流管

5、：d=2.7mm，l=1.00m；操作装置图如下：主要测试仪器本实验中有三个需要测定记录的物理量。其中：流量的测量使用的是孔板流量计，通过流量计可以直接读出，流过管路的水的流量。对于压差的测量使用的是压力计，通过安装在管路上的压力表可以直接读出管路两端水流过后的压力降。对于温度的测量则是直接通过管路上安装的温度表读出。试验中要改变的物理量主要是水的流量，这一点是通过调节流量调节阀进行控制，由于我们后来的作图采用的是双对数作图，所以流量分配并不均匀，所以起始的时候速度应多取一些，使 Re-的对数曲线尽量均匀。对于层流状态，由于需要保证管路中的流动为静态过程，所以需要一个高位槽和溢流管保证高位槽液

6、面的稳定，从而达到保证位压头的恒定。对于层流流量的测量，由于流量较少，所以孔板流量计并不能读出流量，所以采用的是直接计算单位时间内水的体积，使用秒表测量时间，量筒测定体积，由于流量不断调大，所以水的体积应不断增加，起始体积可以在70-80ml，随水量增加，量筒中水的体积也应当不断增加五、实验操作五、实验操作1、关闭流量调节阀门，关闭管路上阀门，启动水泵；2、打开管路上所有阀门，调节流量，直至全开，进行管路排气；3、打开对应引压管切换阀门和压差传感器阀门，进行主管路、测压管路排气；4、排气结束，关闭所有传感器阀门，检查其数值是否回零（或零附近），否则需要继续排气；5、关闭除光滑管管路之外的所有阀

7、门，将光滑管上的测压管路传感器阀门打开，调节流量调节阀门，改变流量，从仪表柜上可以读出管路的水流量水流量/m h，温度/，通过管路上安置的压力传感器，可以读出光滑管路压差/kPa；3-16、不断调节流量调节阀门，改变水流量，测多组数据，注意流量分布前密后疏，尽量使取对数后分布均匀，数据取10 组；7、光滑管路测量完毕后，打开粗糙管管路控制阀门，关闭光滑管管路控制阀门和光滑管上压力传感器阀门，再打开粗糙管上压力传感器阀门，重新排气。调节流量调节阀门，测定并记录一系列的水流量水流量/m h，温度/，粗糙管管路压差/kPa 数据，取值同样注意前密后疏，尽量保证数据均匀，取10 组数据；8、粗糙管理测

8、量完毕后，打开突然扩大管管路控制阀门，关闭粗糙管管路控制阀门和粗糙管上压力传感器阀门，再打开突然扩大管上压力传感器阀门，重新排气。调节流量调节阀门，测定并记录一系列的水流量水流量/m h，温度/，突然扩大管管路压差/kPa 数据，取 3 组数据；9、关闭突然扩大管管线上的阀门，打开层流管阀门，调节流量控制阀使高位槽产生并保持溢流状态，打开层流管出水口，使水流缓慢流下，打开层流管路上压力传感器阀门，用量筒和秒表记录流出水的体积/ml 和时间/s，并记录此时压差/kPa，调节层流管出水量，改变层流流速，记录每个流速下对应流出水的体积/ml 和时间/s，压差/kPa，记录 6 组数据；10、测完所有

9、数据，停泵，开传感器排气阀，关闭切换阀门；11、检查数据，整理好仪器设备，实验结束。3-13-1六、实验数据处理六、实验数据处理原始数据如下表：T=20.0（kg/m3）=1000d=20.5mm(mPa.s)=1.005L=1.50m光滑管qv(m3/h)p(Kpa)粗糙管qv(m3/h)p(Kpa)3.858.4242.943.847.7803.062.553.7421.851.511.321.150.8890.920.596L=1.50m0.790.4520.700.3755.2352.1231.4611.162d=22.0mm2.624.0212.141.701.321.120.839

10、0.890.5540.810.4400.680.3854.8932.7551.8081.142扩大管qv(m3/h)p(Kpa)层流管qv(ml/min)p(Kpa)d1=16.0mm3.634.5511.750.852L1=140mm0.900.192d=2.7mmd2=42.0mmL2=280mmL=1.00m152787049.030.526.50.5650.3840.3071.7300.9500.820数据计算示例：1、光滑管：T=21.8时水的密度=998.2kg/m3，粘度1.005mPa s以光滑管第一组数据为例：qv=3.84m3/h,p=7.780kpa,d=20.5mm,l

11、=1.50mu=4qv/(3.14 d)=4*3.84/3600/3.14/0.02052=3.233m/sRe=du/=0.0205*3.233*998.2/0.001005=65834.98.由公式p/=lu2/2d=0.0204Blasius 关系式求得=0.3163/Re0.25=0.3163/65920.260.25=0.019742、粗糙管：以粗糙管第一组数据为例：qv=3.85m3/h,p=8.424kpa,d=22.0mm,l=1.50mu=4qv/(3.14 d)=4*3.85/3600/3.14/0.0222=2.815m/sRe=du/=0.022*2.815*998.2

12、/0.001005=61505.9874由公式p/=lu2/2d=0.031243、突然扩大管：以第一组数据为例:22qv=3.63m3/h,p=4.551kpa,d1=16.0mml1=140mmd2=42.0mml2=280mmu1=4 qv/3.14/d=4*3.63/3600/3.14/0.016=5.01758u2=4 qv/3.14/d=4*3.63/3600/3.14/0.042=0.7281=1-（u2+2p/）/u1=1-(0.72817+2*4.551)/5.01758=0.6174、层流管：以第一组数据为例：qv=49.0m3/min,p=0.565kpa,d=2.7mm

13、,l=1.00mu=4 qv/3.14/d=4*49.0*0.000001/60/3.14/0.0027=0.1427m/sRe=du/=0.0027*0.1427*998.2/0.001005=382.70p/=lu2/2d=0.1501按照以上方法将实验数据处理如下表所示：光滑管 T=19.3 d=20.5mm l=1.5m流量压差流速（m/s）雷诺数 Re阻力系数Blasius 值222222222（m3/h）（Kpa）3.843.062.551.851.511.321.150.920.790.77.785.2353.7422.1231.4611.1620.8890.5960.4520.

14、3753.23333977565834.980240.0203775490.0197462674.81845671-1.690848062.57656763352462.249880.0215927830.0208995754.719846912-1.6656913762.14713969443718.541570.0222258420.021874234.640665666-1.6531417861.55772879831717.373290.0239574910.0237014494.501297214-1.6205586711.27144350525888.234420.02474748

15、70.0249358164.413102432-1.6064688871.11146054822630.774460.0257568680.0257883964.354699416-1.5891069430.96831790119716.205020.0259621630.0266927534.294823326-1.5856591280.77465432115772.964020.0271960230.0282241494.197913313-1.5654946040.66519229713544.175620.0279717120.0293198034.131752576-1.553280

16、9560.58941089612001.168270.0295576550.030219924.079223525-1.529330021粗糙管 d=22mm,l=1.5m流量（m3/h）3.852.942.622.141.71.321.120.890.810.68压差（Kpa）8.4244.8934.0212.7551.8081.1420.8390.5540.440.385流速（m/s）2.8147719232.1494621961.9155071271.5645745231.2428863040.9650646590.8188427410.6506875350.5921987680.497

17、154521雷诺数 Re61505.987446968.2085641856.022634187.7436527158.4879421087.7671117892.6508814218.2672212940.2207310863.39518阻力系数0.0312446590.0311214230.0322040420.0330729510.0343937460.0360327270.0367709460.0384510890.0368690140.045774309光滑管、粗糙管的与 Re 的关系其中：C 为光滑管 E 为粗糙管 B 为标准值（2）突然扩大管：d1=16.0mm，d2=42.0m

18、m，l1=140mm，l2=280mm 水温度=20.0 突然扩张管的原始数据记录及处理结果一览表扩大管 d1=16.0mm l1=140mm d2=42mm l2=280mm流量（m3/h）3.631.750.9压差（Kpa）4.5510.8520.192流速 1（m/s）5.0175822722.4189446211.244028662流速 2（m/s）0.7281752050.3510486530.180539307局部阻力系数0.6167539820.6871959990.730366428平均=0.67810547（3）层流管：d=2.7mm，l=1.00 m，水温度=20.0 层流

19、管的原始数据记录及处理结果一览表层流管层流管d=2.7mm l=1md=2.7mm l=1m流流量量压压差差流速（流速（m/sm/s）雷诺数雷诺数 ReRe阻力系数（实阻力系数（实验）验）0.1427077780.142707778382.7039216382.70392160.1500822570.1500822570.0888283110.088828311238.2136655238.21366550.2385902160.2385902160.0771786960.077178696206.972529206.9725290.2788172840.278817284阻阻 力力 系系 数

20、数（理论）（理论）0.1672311060.1672311060.2686663670.2686663670.3092197810.3092197810.0539100280.0539100280.1050554380.1050554380.1170617740.117061774相相 对对 误误 差差（%）1.7148848521.7148848523.0076150623.0076150623.0402496233.0402496230.6153582290.6153582290.5467334040.5467334041.0330710391.033071039（ml/minml/min

21、）494930.530.526.526.515215278787070（KpaKpa）0.5650.5650.3480.3480.3070.3071.731.730.950.950.820.820.4426853530.4426853531187.1631851187.1631850.0477564450.0477564450.2271674840.227167484609.2021609609.20216090.0995881040.0995881040.2038682550.203868255546.719888546.7198880.1067310640.106731064层流管的与 R

22、e 的关系七、实验结果分析：七、实验结果分析：由上面图表中的数据信息可以得出以下结论：1、当 Re4000 时，处于湍流区，摩擦阻力系数随雷诺数Re 的增大而减小。2、实验测出的光滑管-Re 曲线和利用 Blasius 关系式，可以看出的-Re 曲线比较接近，也就是说当Re 在3103105范围内，与Re 的关系满足Blasius 关系式，即 0.3163/Re0.25；3、突然扩大管的局部阻力系数随流量的减小而增大；4、在 Re2000 范围内，处于层流区，实验所得层流管的摩擦阻力系数随Re 的变化趋势与公式64特性曲线相差较小，可以视为所得的数据符合公式=64/Re。Re5、局部阻力系数随

23、Re的增大而减小，当Re增大到一定数值后局部阻力系数变化率减小。6、压力差计量表的数据在不断变化，读取的是一个瞬时值八、误差分析八、误差分析 排气阶段用了大量时间，但是不能十分确定已经完全排净空气；每次改变流量后，压力表数据在不断变化，并不是稳定值，即存在误差；测量仪器自身带来的误差；温度不断在变化，尽管都趋于一个值，但是仍存在误差，因此在计算时温度统一取值为20.0。九、思考题九、思考题1、在测量前为什么要把设备中的空气排尽？怎样才能迅速地排尽？答：（1）本实验，首先需要排除尽管路系统中的空气，因为空气的存在，会使得管路中的水成为不连续流体，并且不为单相流动；同时测压管中因为空气而使得数据不

24、准确。（2）迅速地排净气体：在接通水泵电源以后，再打开流量调节阀门，使之大流量输出便可迅速有效地排净设备中的空气2、在不同设备（包括相对粗糙度相同而管径不同）、不同温度下测定的-Re 数据能否关联在一条曲线上？3du2dp，可知-Re 曲线受、d、l、等的2dp答：由Re，联立得：lu 2l Re22影响，因为管径不同，故不一定能关联到一条曲线上。3、以水为工作流体所测得的-Re 关系能否适用于其他种类的牛顿型流体？为什么？答：能，因为由实验证明在湍流区Re 103 105范围内，与 Re 的关系式遵循 Blasius关系式，即 0.3163/Re0.25，由此可知此关系式与流体种类无关。4、

25、测出的直管摩擦阻力与设备的放置状态有关吗？为什么？（管径、管长相同，且 R1=R2=R3）uuu22答：与设 备的放置 状态 无关。由伯努利 方程：z u1p1 z u2p2 H，12f2gg2gg2lup pHf z1 z21g2，其中Hfd2g。即摩擦阻力与摩擦系数，管径比，流速有关，当 R 相同时，三次的摩擦阻力系数也相等，即与放置位置无关。5、如果要增加雷诺数的范围，可采取哪些措施？答：Re=du/，即所以增加管径、流速、采用密度较大及粘度较小的流体都可以增加雷诺数的范围。本实验中因为仪器与流体已经固定，只能通过增大流速来增加雷诺数的范围。6、若要实现计算机在线测控，应如何选用测试传感器及仪表？答：可以选用能够与计算机相连的电子传感仪器及仪表。