中国地质大学武汉化工原理试验报告.docx

序号成绩中国地质大学（武汉）实验报告实验名称：流体流动阻力的测定班 级:034131班组长姓名：张元星专 业： 材料化学组序号：1组员姓名：刘雨桐、刘伟、刘光悦设备型号：流体阻力-泵联合实验装置 UPRSin型-第4套实验日期：2016-4-8一、实验摘要本实验通过改变流速，测定不同流速下水流经不锈钢管的管路压降，以此计算摩擦阻力系数，进而绘制雷诺数与摩擦系数曲线进而与Blasius曲线比较，验证：湍流区，光滑管摩擦阻力系数随 Re增大而减小，且摩擦阻力系数较好地满 足 Blasuis 关系式：0.316螳25。同样地，通过改变流速，由管路压降最终计算出突扩管的局部阻力系数，验证：不同流速下，局部阻力系数为定值，从而求取平均值。关键词：摩擦阻力系数，局部阻力系数，雷诺数二、实验目的1、掌握测定流体流动阻力实验的一般实验方法： 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。2、验证在湍流区内光滑管摩擦阻力系数 人与雷诺数Re关系。3、将实验所得光滑管的方Re曲线关系与Blasius方程相比较。三、实验内容1、测定湍流状态下不锈钢管管路压降 Ap从而得到人随Re变化关系 2、测定湍流状态下突扩管的局部压降 Ap从而求取局部阻力系数平均值四、实验原理1、直管阻力不可压缩流体在圆形直管中做稳定流动时，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。为化简工作难度，同时使实验的结果具 有普遍的应用意义，应采用基于实验基础的量纲分析法来对直管阻力进行测量：流体流动阻力与流体的性质、流体流经处的几何尺寸、流体的运动状态有关：p f d,l, , , ,u。通过一系列的数学过程推导，引入以下几个无量纲数群:Re雷诺数du相对粗糙度：不长径比：d整理得到：p du lF，d，d令:Re，:d为直管阻力系数,则有:2Re'd 7o阻力系数与压头损失之间的关系可通过实验测得，上式改写为:2Hf一d 2式中:Hf 直管阻力（J/kg）；1被测管长（m）；d被测管内径（m）；u 平均流速（m/s）;直管中的摩擦阻力系数。当流体在管径为d的圆形管中流动时，选取两个截面，测出这两个截面的静 压强差，即流体流过两截面间的流动阻力。 根据伯努利方程找出静压强差和摩擦 阻力系数的关系式，即可求出：2d p2测量u通过改变流速可测出不同 Re下的摩擦阻力系数，得到某一相对粗糙度下的Re关系。在湍流区内摩擦阻力系数人4（Re, £例，对于光滑管，大量实验证明，当Re在3 M03105的范围内，入与Re遵循Blasius关系式：0.3163Blasius '025"Re2、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 体质点间产生剧烈的碰撞，所形成的阻力称为局部阻力。本实验中采用局部阻力 系数法，即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 表小：2Hf J2式中：Hf 局部阻力；士局部阻力系数；（E其与流体流过管件的几何形状及流体的Re有关，当Re大到一定值后，E与Re无关,为定值）对于不同的阀门和管径变化，有着不同的局部阻力系数。其中突扩管局部阻 力系数为：2I A.4在本实验中，由于管道是水平布置，则局部阻力系数计算式化简为：22 pU2II -2-（有变径）Ui式中：P1、p2上、下游截面压强差，U1、U2两个管径内的平均流速，流体密度五、实验流程和设备A1水箱 2水泵 3一涡轮流量计 4主管路切换阀5不锈钢管 6突扩管7流量调节阀 8一变频仪图1流体阻力实验带控制点工艺流程（不锈钢管、突扩管） 实验介质：水研究对象：不锈钢管，l=1.5m,d=0.021m;突扩管，di=0.016m,c2=0.042m;六、实验操作1、准备工作及通用操作：1、开泵。打开各管路的切换阀门，关闭流量调节阀，按变频仪上绿色按钮 启动泵，转速在变化上升（从f=25Hz开始如果变化较慢，则向上递进）。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，打开流量调节阀数十秒钟后再关闭， 这时流量 为零，等待一段时间，观察压差传感器指示读数是否为 0（允许存在一定偏差）： 否则，要重新排气。导压管排气、测压管线排气：打开全部测压阀、压差传感器 排气阀，查看Ap孔板。再次打开传感器排气阀，10秒后关闭，重复多次至零点 不变，记录Ap孔板。3、实验测取数据。打开测量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。流量由小到大，测取数据。2、不锈钢管实验：1、打开传感排气阀并记录 A Po2、逐渐逆时针拧流量调节阀从小到大调节流量，3.5m3/h以上通过改变频率 调节，流量到指定点待稳定后记录压降。2、突扩管实验：1、打开传感排气阀并记录AP0将突扩管右侧的阀打开，其他管的球阀全部 关闭。2、逐渐逆时针拧流量调节阀从小到大调节流量，3. 5m3/ h以上通过改变频率调节，流量到指定点待稳定后记录压降。关闭全部阀门，顺时针拧关泵，点击红色按钮消除数据七、实验数据表格及计算举例1.不锈钢管数据表A P0/Kpad/mP水/ Kg ?m-1序号 1-7, 9- 11998.50.190.021序号8,12998.4序 号水流量 qv/m 3?h-1管路压降Ap/kPa水温度t/C水粘度a /Pa?s水流速，c -1 u/m?s雷诺数Re人人理论相对误差10.790.6318.500.001050.63126590.02930.0298-1.71%21.100.9918.600.001050.88176260.02880.02754.90%31.281.2318.500.001051.03205110.02760.02644.60%42.102.5018.600.001051.69336500.02280.0234-2.31%52.774.1218.600.001042.22448130.02230.02172.62%63.506.0318.600.001042.81566230.02080.02051.26%74.298.6418.700.001043.44694030.02000.01952.62%84.7110.1319.300.001023.78776840.01950.01893.01%95.1711.8818.700.001034.15844520.01900.01862.66%105.9115.1518.800.001034.74965400.01870.01793.96%116.5217.9818.900.001035.231065040.01820.01754.10%127.4322.7219.100.001035.961213570.01780.01694.90%计算示例：以第一组为例1）流速2）雷诺数2.突扩管数据表A pD/kPad1/md2/m0.210.0160.042序 号水流量qv/m3?h-1局部压降A p-1/kPa水温度t/C水密度p/kg ?m-3水粘度UPa?s水流速, -1 u1/m?s水流速, -1 u2/m?s局部阻力 系数111.960.6719.80997.120.001022.710.390.85323.002.4319.80997.120.001024.150.600.72033.994.0319.80997.120.001025.520.800.72744.986.2019.80997.120.001026.881.000.725局部阻力系数平均值10.724局部阻力系数理论值（理论0.731平均值1相对误差-0.96%计算示例：以第一组为例3）摩擦系数2c1( p- p0)2 0.021 (0.63-0.21) 1000lu998.5 1.5 0.6320.02930.3163 0.3163Re0.254 126590.02985）相对误差-Blasius0.00293-0.0298-1.71%Blasius0.2984）理论摩擦系数Blasius1）流速2）局部阻力系数2 ( p- P0)0.392 2 (0.67-0.19) 1000 997.122U122.7120.8533)4)理论局部阻力系数aA2d；2 20.01620.7310.042平均局部阻力系数由于 1偏离过大，舍去，求剩余三项平均值0.720 0.727 0.7250.7245）平均值I相对误差上也724。731 -0.96%&里论 0.731八、实验结果作图及分析进行数据处理后利用Excel软件进行关系曲线的绘制，得到结果如下:不锈钢管（光滑管）入-Re关系曲线摩擦条数AU.1UOU雷诺数ReT一不锈钢管由甥 - BI第血5性浅1、对光滑管的实验结果分析：实验结果基本验证了：在湍流区，当相对粗糙度一定，光滑管的摩擦阻力系 数均随雷诺数Re的增大而减小，当Re增大到一定程度时，有一临界值，入逐渐 趋于一个定值。此后的流动可以认为进入了阻力平方区。由图1可知，对于光滑管，实验数值的阻力摩擦系数略大于等于理论值， 造 成这一结果的原因可能是：由于长时间使用，管路内部形成了一定程度的腐蚀和 结垢，进而造成流体在管路中流动时流体质点与管壁突出部分相互碰撞而增加了流体的能量损失由于取点不够，回测了表一中第八组数据，使得水温略高于其他，可能造成的影 响：不同温度会影响流体粘度、密度从而改变雷诺系数、摩擦阻力系数，因此所测定的XRe数据不能关联到一条直线上。但是因为影响较小，仍能近似于满足 XRe关系。2、对突扩管的实验结果分析实验结果基本验证了：在湍流的不同流速下，扩管的局部阻力系数为定值。实验测得数据与理论值相差甚小。九、思考题1 .在测量前为什么要将设备中的空气排净？怎样才能迅速地排净？答：（1）在测定流体流动阻力中，排出设备中气体的目的在于使得流体连续稳定地流动，因为气泡的存在会影响压力差的测量从而导致偏差。（2）逆时针调节流量调节阀到最大程度，用大量水冲洗设备中管路以此快速排净气体。2 .在不同设备、不同温度下测定的 方Re数据能否关联在一条曲线上？Redu答：不能。不同设备即使粗糙度相同，根据公式：，不同温度会影响流体粘度、密度从而改变雷诺系数、摩擦阻力系数，因此所测定的方Re数据不能关联到一条直线上。3 .以水为工作流体所测得的摩擦阻力系数与雷诺数的关系是否适用于其他流体 答：可以适用于牛顿型流体，但不适用于非牛顿型流体。因为后者不满足牛顿粘 性定律，必将不满足关系。而对于牛顿流体，即使工作流体改变，由于雷诺数的 已经包含流体的特质（密度、粘度），此关系仍然适用。4 .测出的直管摩擦阻力与设备的放置状态有关吗？为什么?答：测出的直管摩擦阻力与设备的放置状态无关。（a）假设管路水平：在1-1冰口 2-2'截面问伯努利方程可知： 22U1 P1U2 P2zgz2g Wf22因为直径相同，U1 =U2 Z1 =Z2Wf所以（b）假设管路倾斜同理（a）可知：Wf （包 z1g）-（匹 z2g）（c）与（a）、（ b）无异综上，无论管路如何摆放，流体的流动阻力均表现为流体势能的减少， 只是仅当 水平安装时，流动阻力恰好等于两截面的静压能之差。5 .如果要增加雷诺数的范围,可采取哪些措施? 答：根据雷诺数Re比可知：(1)当设备一定时：选择大密度、小粘度流体(2)流体一定时：选择大管径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：使用计算机在线控制需要测量的值有压差， 水温和流量，所以选用传感器和 仪表应与之对应。如：使用压力传感器测压差值；温差传感器测水温；涡轮流量 计测流量。