化工原理-流体阻力实验报告(北京化工大学).docx

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1、北 京 化 工 大 学化 工 原 理 实 验 报 告试验名称：流体阻力试验班级：化工 1305 班名：学号：序 号： 11同 组 人：宋雅楠、陈一帆、陈骏设备型号： 流体阻力-泵联合试验装置 UPRS型-第 4 套试验日期：2023-11-27一、试验摘要首先，本试验使用 UPRS型第 4 套试验设备，通过测量不同流速下水流经不锈钢管、镀锌管、层流管、突扩管、阀门的压头损失来测定不同管路、局部件的雷诺数与摩擦系数曲线。确定了摩擦系数和局部阻力系数的变化规律和影响因素，验证在湍流区内 与雷诺数 Re 和相对粗糙度的函数。该试验结果可为管路实际应用和工艺设计供给重要的参考。结果，从试验数据分析可知

2、，光滑管、粗糙管的摩擦阻力系数随 Re 增大而减小，并且光滑管的摩擦阻力系数较好地满足 Blasuis 关系式： l = 0.3163突然扩大管的局部阻力系数随 Re 的变化而变化。Re0.25 。关键词：摩擦系数，局部阻力系数，雷诺数，相对粗糙度二、试验目的1、把握测定流体流淌阻力试验的一般试验方法：测量湍流直管的阻力，确定摩擦阻力系数。测量湍流局部管道的阻力，确定摩擦阻力系数。测量层流直管的阻力，确定摩擦阻力系数。2、验证在湍流区内摩擦阻力系数 与雷诺数 Re 以及相对粗糙度的关系。3、将试验所得光滑管的 -Re 曲线关系与 Blasius 方程相比较。三、试验原理1、 直管阻力不行压缩流

3、体在圆形直管中做稳定流淌时，由于黏性和涡流的作用会产生摩擦阻力即直管阻力；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，会产生局部阻力。由于分子的流淌过程的运动机理格外简单，目前不能用理论方法来解决流体阻力的运算问题，必需通过试验争论来把握其规律。为了削减试验的工作量、化简工作难度、同时使试验的结果具有普遍的应用意义，应承受基于试验根底的量纲分析法来对直管阻力进展测量。利用量纲分析的方法，结合实际工作阅历，流体流淌阻力与流体的性质、流体流经处的几何尺寸、流体的运动状态有关。可表示为： Dp = f (d, l,e, r, m, u)。通过一系列的数学过程推导，引入以下几个

4、无量纲数群：Re = durel雷诺数：整理得到：m；相对粗糙度： d ；长径比： dDp =y durel ru2,mdd l = F Re, e Dp =l F Re, e u2其中，令：d 为直管阻力系数，则有d 2 。rd阻力系数与压头损失之间的关系可通过试验测得，上式改写为：H= Dp = ll u2frd21式中 H f 直管阻力(J/kg)， l 被测管长(m)， d 被测管内径(m)，u 平均流速(m/s)， l 直管中的摩擦阻力系数。 依据机械能衡算方程，试验测量 H f ：pu2pu2gz +1 +1 + H= gz +2 +2 + H1r2e2r2fpu2 pu2 H=

5、gz +1 +1 - gz +2 +2 + Hf1r2 2r2 e= gDz + Dp + Du2 + Hr2e2对于水平无变径直管道，结合式1与式2可得摩擦系数：= 2d Dplr l u2测量当流体在管径为 d 的圆形管中流淌时选取两个截面，用U 形压差计测出这两个截面的压强差，即为流体流过两截面间的流淌阻力。通过转变流速可测出不同 Re 下的摩擦阻力系数，这样便能得到某一相对粗糙度下的l - Re 关系。其中，经过大量试验后人们觉察：1、层流圆直管Re4000：=0.3163/Re0.25l13、湍流一般直管4000Re临界点：=/d即将上述阅历结果归纳为表 1 。表 1 摩擦阻力系数与

6、雷诺数关系= 1.74 - 2 log 2e l d Rel (水力光滑02023202340004000Re 临界点临界点以上Re64lBlasius=0.3163Re0.25lBlasius=0.3163Re0.25管)l(粗Re64 2e 2e 糙管)1l= 1.74 - 21g d+18.7Rel 1l= 1.74 - 21g d 直管段两端使用电子压差计来测量压差。对于任意一种流体，其直管摩擦系数 仅与 Re 和有关。因此只要在试验室的小规模装置上利用水作试验物系，进展有限量的试验，就可以确定 与 Re 和的关系，从而计算任意流体在管路中的流淌阻力损失，这些结论就可以推广到工业生产实

7、际中去。2、局部阻力流体的边界在局部地区发生急剧变化时，迫使主流脱离边壁而形成漩涡，流体质点间产生猛烈的碰撞，所形成的阻力称为局部阻力。局部阻力通常以当量长度法或局部阻力系数法表示。本试验中承受局部阻力系数法。当量长度法：流体通过阀门或管件的局部阻力损失，假设与流体流过肯定长度的一样管径的直管阻力相当，则称这始终管长度为管件或阀门的当量长度，用符号 l表示。在管路计算时，可求出管路与阀门的当量长度之和Sl 。如所计算ee的管路长度为 l ，则流体在管路中流淌的总阻力损失为：h= ll + Sle u 2fd2局部阻力系数法：流体通过某一件阀门或管件的阻力损失用流体在管路中的动能系数来表示，这种

8、计算局部阻力的方法，称为阻力系数法，即h= Dp = x u 2er2对于不同的阀门和管径变化，有着不同的局部阻力系数。局部阻力系数的大小归结为一个表中。见表 2 。表 2 局部阻力系数与局部构造关系Re4000构造突扩管VV = (1- A截止阀V =常数球阀V =常数12A )2在本试验中，由于管道是水平布置，则局部阻力系数计算式化简为：2(p - p )2(pu +22- p )1V =12ru2无变径和V = 1-ru21有变径 式中，p1 、p2 分别为上下游截面压强差，u1 、u2 为两个管径内的平均流速，流体密度四、试验流程和设备图 1 流体阻力试验带掌握点工艺流程1-水箱；2-

9、水泵；3-涡轮番量计；4-主管路切换阀；5-层流管；6-截止 阀；7-球阀；8-不锈钢管；9-镀锌钢管；10-突扩管；11-流量调整阀闸阀12-层流管流量阀针阀13-变频仪试验介质：水循环使用争论对象：不锈钢管，l=1.500m,d=0.021m; 镀锌管，l=1.500m,d=0.021m;突扩管，l1=0.020m,d1=0.016,l2=0.280m,d2=0.042;截止阀，DN20,d=0.021m;球阀，DN20,d=0.021m; 层流管，l=1.500m,d=0.003m;仪器仪表：涡轮番量计，LWGY-25型，0.610m3/h,准确度等级 0.5； 温度计，Pt100,02

10、00，精度等级 0.2压差传感器，WNK3051 型，-20100kPa，精度等级 0.2显示仪表：AI-708 等，精度等级 0.1。变频仪：西门子 MM420 型。其他：计算机数据采集和处理，380VAC+220VAC五、试验操作1、预备工作及通用操作：1、开泵。翻开各管路的切换阀门，关闭流量调整阀，按变频仪上绿色按钮启动泵，固定转速f=50Hz，观看到泵出口表压力为 0.2MPa 左右时即可开头试验。2、排气。排尽整个系统的气体，包括设备主管和测压管线中的气体。具体步骤为：全开压差传感器排气阀，翻开流量调整阀 11 数十秒钟后再关闭，这时流量为零，等待一段时间，观看压差传感器指示读数是否

11、为 0+0.05kPa，否则，要重排气。对于测压管线排气：翻开全部测压阀、压差传感器排气阀，查看 p 孔板。再次翻开传感器排气阀，10 秒后关闭，重复屡次至零点不变，记录 p 孔板。3、试验测取数据。翻开镀锌管管路的切换阀和测压管线上的切换阀，其余管路的切换阀和测压管线上的切换阀都关闭。流量由大到小，测取数据。4、测量球阀和截止阀数据的方法同上。2、不锈钢管试验：1、翻开传感排气阀并记录 P。2、翻开不锈钢管测量管路切换阀，测压阀。3、翻开流量调整阀从小到大调整流量，3.5m3/h 以上通过变频器调整，记录数据。3、镀锌管试验：1、翻开传感排气阀并记录 P。2、翻开镀锌管测量管路切换阀，测压阀

12、。关闭其他切换阀、测压阀。3、翻开流量调整阀从小到大调整流量，3.5m3/h 以上通过变频器调整，记录数据。4、球阀、截止阀试验：1、翻开传感排气阀并记录 P。2、翻开球阀、截止阀测量管路切换阀。关闭其他切换阀、测压阀。3、翻开球阀两端的测压阀。4、翻开流量调整阀从小到大调整流量，3.5m3/h 以上通过变频器调整，记录1、湍流不锈钢管数据表P0/kPa0.00l/m1.500d/m0.0215/mm0.02水流量管路压降水温度水密度水粘度水流速 雷诺数序号qv/m3h-1p/kPat/kgm-3/Pasu/ms-1Re计算例如：以第一组为例4q (m3 s)4 0.601 流速 u =v=

13、0.46(m s)p d 22 雷诺数Re = dur = 0.0215 0.46 996.3 = 9960.23 摩擦系数l = 2d Dp = 2 0.0215 0.39 1000 = 0.024摩擦系数blasius数据。5、关闭球阀两端测压阀，开启截止阀两端测压阀，重复上述过程，记录数据。5、层流管试验：1、翻开传感排气阀并记录 P。2、降低水泵频率。3、闭其他切换阀、测压阀。全开层流管流量阀。4、调整层流管路出口阀，转变管路压降，用量桶测量肯定时间内流出的液体量，并记录其重量。6、完毕试验：关闭全部阀门，通过变频器关泵，关闭掌握柜。切断电源，整理试验数据，清理试验台。六、试验数据表格

14、及计算举例10.600.3920.0996.30.0010200.67136610.0250.02920.800.5720.0996.30.0010200.84172820.0230.02831.001.0020.0996.30.0010201.12230420.0220.02641.301.2820.0996.30.0010201.31268280.0210.02551.601.7220.0996.30.0010201.60329180.0190.02362.002.5620.0996.30.0010202.01411470.0180.02272.503.8720.0996.30.00102

15、02.45501990.0180.02183.006.0820.0996.30.0010203.17650120.0170.02094.009.3020.0996.30.0010204.04827880.0160.019105.0012.8520.0996.30.0010204.80984240.0160.0183.14 0.02152 3600m1.02 10-3rlu996.31.5 0.464 理论摩擦系数lBlasius= 0.3163 =4 96462、湍流镀锌管数据表水流量qv/m3h-blasiusRe0.250.3163= 0.032P0/kPal/md/m/mm0.001.5

16、000.02150.10序管路压降水温度水密度水粘度水流速雷诺数摩擦系数号p/kPat/kgm-3/Pasu/ms-1Re110.760.4320.2996.30.0010170.58122510.0210.03021.000.7220.3996.30.0010140.77161560.0270.02831.290.9620.3996.30.0010140.99208420.0280.02641.601.4820.3996.30.0010141.22258500.0350.02552.002.2020.3996.30.0010141.53323130.0410.02462.483.3620.4

17、996.30.0010121.90401600.0510.02273.004.7420.4996.30.0010122.30485810.0590.02183.977.9920.4996.30.0010123.04642890.0760.02094.9912.1820.5996.30.0010103.82809920.0920.019105.5115.3020.5996.30.0010104.22894320.1040.018计算例如：以第一组为例4q (m3 s)v1） 流速u =4 0.76= 0.58(m s)p d 23.14 0.02152 36002） 雷诺数Re = durm=

18、0.0215 0.58 996.3 = 12216 1.017 10-33） 摩擦系数l = 2d Dp= 2 0.0215 0.431000= 0.021rlu996.31.5 0.584） 理论摩擦系数lBlasius= 0.3163 =3、湍流突扩管数据表P0/kPa0.00l /m10.020d /ml /md /m/mm1220.01600.2800.04200.02序号水流量 局部压降 水温度q /m3h-1 p/kPav2-1t/水密度 水粘度 水流速 水流速 雷诺数/kgm-3/Pasu /ms-1 u /ms-1局部阻力系数 理论值12Re1Re0.250.31634 122

19、51= 0.03011.980.7820.7996.12583 0.0010052.740.397434000.8740.73122.971.7520.7996.12583 0.0010054.110.596650990.8750.73134.023.0020.8996.10003 0.0010035.560.806883140.8810.73145.005.1120.9996.07423 0.0010006.911.0031100930.8720.731计算例如：以第一组为例4q (m3 s)v4 1.98()u = 2.74 m s1） 流速1p d 24q (m3 s)v1u=3.14

20、0.01602 3600=4 1.98= 0.397(m s )2p d23.14 0.04202 36002d u r2） 雷诺数 Re =1 1= 0.0160 2.74 996.13 = 43670.21m1.005 10-3 0.3972 + 0.781000 996.2 V u2 + Dp r 3） 局部阻力系数= 1- 2 = 1- = 0.874u21A 2d 2 22.7420.0162 24） 理论局部阻力系数V = 1-1 = 1-1 = 1-= 0.73122A d 20.0422 序号水流量qv/m3h-1局部压降p/kPa水温度t/水密度/kgm-3水粘度/Pas水流

21、速u/ms-1雷诺数Re局部阻力系数 11.989.5221.5995.9190.0009871.67344916.87822.9921.7521.5995.9190.00098702.52520846.89134.0038.8521.5995.9190.0009873.37696786.8784、湍流截止阀 (全开)P0/kPa 0.00d/m0.0205计算例如：以第一组为例4q (m3 s)v1） 流速 u =4 1.98= 1.67(m s)p d 23.14 0.02052 36002） 雷诺数 Re = durm= 0.0205 1.67 995.919 = 34544 0.000

22、9873） 局部阻力系数V = 2Dp= 2 9.521000= 6.865、湍流球阀 全开 水流量序qv/m3h-号112.0222.9933.98局部压降p/kPa水温度t/水密度/kgm-3水粘度/Pas水流速u/ms-1雷诺数Re局部阻力系数 0.7621.6995.90.0009851.62344100.581.5421.6995.90.0009852.40509330.542.6121.6995.90.0009853.19677970.51计算例如：以第一组为例ru2995.92 1.672P0/kPad/m00000.000.02100.00000001） 流速u =4 2.02

23、= 1.624q (m3 s)vp d 23.14 0.0212 3600(m s)2） 雷诺数Re = durm= 0.0211.62 995.9 = 34396 9.85 10-43） 局部阻力系数V =2Dpru2= 2 0.76 1000 995.9 1.622= 0.586、层流管数据表P0/kPal/md/m0.001.5000.0030序水质时间管路压降水温水密度水粘度水流雷诺摩擦系 理论号量/g/sp/kPa度t/kgm-3/Pas速u/ms-数Re数值1117.450.000.2821.6995.90.0009850.051490.4640.428234.750.000.53

24、22.0995.80.0009760.103010.2210.213372.850.000.9822.4995.70.0009670.216370.0930.101498.450.001.4023.4995.40.0009450.288800.0730.0735135.950.001.9224.2995.20.0009290.3812370.0520.0526199.550.002.9925.0995.00.0009130.5618470.0380.035计算例如：以第一组为例m17.4( g ) 36001） 流量qv2） 流速= 1.26( L h)995.9(kgm3 = g L) 50

25、(s)r t4q (m3 s)v4 1.26()u = 0.050 m sp d 23.14 0.0032 3600 10003） 雷诺数Re = durm= 0.0030 0.05 995.9 = 151 0.0009854） 摩擦系数l = 2d Dprlu2= 2 0.0030 0.28 1000 995.9 1.5 0.052= 0.455） 理论摩擦系数l =64 = 64 = 0.43Re151七、试验结果作图及分析进展数据处理后利用 Excel 软件进展关系曲线的绘制，得到结果如下：摩擦系数随雷诺数Re的变化关系数系擦摩11001000100001000000.10.01不锈钢管

26、镀锌管层流管blasius理论值雷诺准数Re层流治理论值1、对光滑管与粗糙管的试验结果分析：对于光滑管，试验数值的阻力摩擦系数应大概微于等于理论值。通过试验测出的光滑管不锈钢管的 Re 关系曲线与 Blasius 理论得出的曲线在 Re 临界值之前格外接近，仅仅是略微较低于理论值。这说明白 Blasius 公式在 Re=4000 至临界值区间上与实际状况吻合得较好。当雷诺数连续增大后，阻力系数渐渐趋近于一个定值，此时试验曲线开头偏离理论曲线。即试验结果产生了微小偏差， 产生这种偏差的缘由很可能是读数时压力波动有不稳定的状况，而我们在读取压力时进展了折中取值。对于粗糙管镀锌管，其 Re 关系曲线

27、形态与光滑管大体相像，在雷诺数 Re 一样时，试验数值的阻力摩擦系数比光滑管的大，其间的曲线关系应当位于理论值曲线的上方。粗糙管内的摩擦阻力系数不仅随雷诺数的变化而变化， 其大小还与管道的相对粗糙度有直接关系。此外，粗糙管的 Re 关系曲线与理论曲线偏离明显，这说明 Blasius 公式对水力光滑管更加适用，而不适用于粗糙管。结论：光滑管与粗糙管的摩擦阻力系数均随雷诺数 Re 的增大而减小，当 Re 增大到肯定程度时，有一临界值， 渐渐趋于一个定值。此后的流淌可以认为进入了阻力平方区。2、对层流管的试验结果分析：对于层流管，在流速较低时层流区内，数据点在大体落在理论曲线四周，呈线性分布，这说明

28、试验结果与理论结果高度吻合。但随着流速增加，曲线较理论线有向下偏离，这与测量过程中的误差有肯定关系。改进方法： 延长测量流量的时间，并且在每次转变流速后多稳定一段时间， 让管内流淌更趋近于稳态来提高测量的稳定性。3、对突扩管的试验结果分析对于突扩管，在雷诺数一样时，局部阻力系数的试验数值大于理论值，且能够依据本试验结果得出不同流速下湍流，突扩管的局部阻力系数大体一样的结论。局部阻力系数的试验数值大于理论值的状况，很可能是由于局部件长时间使用后有肯定程度的损耗造成的。但对于肯定状态下的同一种局部件，其局部阻力根本为定值。4、对球阀与截止阀的试验结果分析从试验数据上看，两种局部件的局部阻力系数随流

29、速的增加略有下降，但幅度不大。相较而言，同种状况下，球阀的局部阻力系数远小于截止阀，这与其构造亲热相关。八、思考题1、在测量前为什么要将设备中的空气排净，怎样才能快速地排净？答：为什么要将空气排尽？在流淌测定中气体在管路中，对流淌的压力测量产生偏差，在试验中排出气体，保证流体的连续，这样流体的流淌测定才能准确。怎样快速排尽？先翻开出口阀排净管路中的空气，然后关闭出口阀开 U 形压差计的排气阀。2、在不同设备包括相对粗糙度一样而管径不同、不同温度下测定的 Re 数据能否关联在一条曲线上？答：量纲分析法的特点之一就是结论具有普遍的推广性，只要/d 一样，-Re 数据就能关联在一条曲线上。3、以水为

30、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：对于其他牛顿型流体也适用。由于 Re 假设一样时，其他的流体的密度和黏度都能从它上面反响出来，所以仍旧适用。4、以下测出的直管摩擦阻力与设备的放置状态有关吗？它们分别是多少？管 径、管长一样，管内走水，且 R1=R2=R3uuu 答： 无关， 以上三组测出的直管阻力均相等。 由伯努利方程：u 2pu 2pH= z - z+p - p12SH= l l u 2z +1 +1 = z+2 +2 + SHf12rfd2g12 grg22 grgf ，g，其中。由于U 形压差计的高度差R 是反映两个测压点截面位能和压强能即势能p - p的综合变化值。即R=gz1-gz2 1 r2 。由于R1=R2=R3，u1=u2，所以三种状态下的 Hf 不变，即 不变。即当R 一样时，三种状况的摩擦阻力系数也相等。5、柏努利方程与机械能衡算式有什么关系？它们的适用条件是什么？ 答：二者关系：机械能衡算式是伯努利方程式的理论根底。适用条件：机械能衡算适用于全部流体。伯努利方程只适用于不行压缩的理想流体在稳定状态下恒温流淌的状况。是机械能衡算式的一种特别及常用的状况。注：本试验的流体满足柏努利方程，推导水平无变径直管道摩擦阻力系数的时候就承受了柏努利方程。