化學原理論文1[1].doc

流體在突擴與突縮管路中的局部阻力損失摘 要本文對流體流動產(chǎn)生局部阻力的實驗做了分析討論，并進行了結果總結，提出了改進設想。通過本次實驗加深對流體流動阻力基本理論的認識。關鍵詞:局部阻力損失;雷諾數(shù);阻力系數(shù)1 前言在化工生產(chǎn)中，需要將流體從一臺設備送到另一臺設備，從一個位置送到另一個位置，這就牽涉到流體輸送、流體計量、流體輸送機械的選擇等問題。因此，為了能更符合現(xiàn)代化工生產(chǎn)的實際情況，培養(yǎng)我們的工程觀念，福州大學化工原理教研室與北京化工大學化工原理教研室聯(lián)合研制了：流體流動阻力及離心泵聯(lián)合實驗裝置。流體流動阻力實驗中，我們的實驗任務是測定流體在突擴管中流動的局部阻力損失有關的一些參數(shù)。用牛頓型流體流動阻力及離心泵聯(lián)合實驗裝置，測出水在突擴管中流動的局部阻力系數(shù)及壓頭損失，來驗證與Re的關系。在實驗過程中我們測得孔板流量計與壓降管的壓降及水的溫度。2 實驗部分2.1 實驗原理流體在管內(nèi)層流狀態(tài)(Re4000)時，流體內(nèi)部充滿了大小渦流，流體質點運動速度和方向都發(fā)生改變，質點之間不斷相互碰撞引起質點之間動量交換，使之產(chǎn)生湍動阻力。因此流體在流動過程中不可避免的都要消耗一定的機械能。管件造成的機械能損失稱為局部阻力損失，是指流體通過管路中的管件（如三通、彎頭、大小頭等）、閥門、管子出入口及流量計等局部障礙處而發(fā)生的阻力。由于在局部障礙處，流體流動方向或流速發(fā)生突變，產(chǎn)生大量旋渦，加劇了流體質點間的內(nèi)摩擦。因此，局部障礙造成的流體阻力比等長的直管造成的阻力大得多。流體在流動中遇到突然擴大管或突然收縮管時造成的也是局部阻力損失。突然擴大時產(chǎn)生阻力損失的原因在于邊界層脫體。流道突然擴大，下游壓強上升，流體在逆壓強梯度下流動，極易發(fā)生邊界層而產(chǎn)生旋渦，如圖1-33a所示。 流道突然縮小時，見圖1-33b，流體在順壓強梯度下流動，不致發(fā)生邊界層脫體現(xiàn)象。因此，在收縮部分不發(fā)生明顯的阻力損失。但流體有慣性，流道將繼續(xù)收縮至0-0面，然后流道重又擴大。這是，流體轉而在逆壓強梯度下流動，也就產(chǎn)生邊界層分離和旋渦?？梢?，突然縮小造成的阻力主要還在于突然擴大。由柏努利方程可知，對于水平放置的不可壓縮流體流動局部阻力造成的能量損失(壓頭損失)，可由管路系統(tǒng)兩截面的壓力差(壓頭差)來測定，柏努利方程可簡化為：hf=(P1-P2)/+（u12-u22）/2 (J/kg)-(1-1)或 Hf=(P1-P2)/g+（u12-u22）/2g (m液柱)-(1-2) 式中：hf-單位質量流體因流動阻力所造成的能量損失。J/kg;Hf-單位重量流體因流動阻力所造成的能量損失(壓頭損失)，m液柱； P1-流體在1-1截面的壓強，Pa或N/m2;P2-流體在2-2截面的壓強，Pa或N/m2;-流體密度，kg/m3;u1-流體在1-1截面的流速，m/s;u2-流體在2-2截面的流速，m/sg-重力加速度，9.81m/s2。流體在突擴管流動的情況下，流體因所造成的能量損失或壓頭損失一般有如下的關系式：hf=(P1-P2)/（u12-u22）/2=u12/2 (J/kg)-(1-3)或 Hf=(P1-P2)/g+（u12-u22）/2g =u12/2g (m液柱)-(1-4) 式中：-局部阻力系數(shù)，(無因次)；值一般由實驗測定，它與Re準數(shù)、管件閥體的種類幾何形狀、結構尺寸有關，當Re準數(shù)大到一定值以后，即與Re數(shù)無關。2.3試驗裝置與流程：簡要裝置流程如圖所示。在設備中有3條橫向排布的管路，自上而下分別為：No1粗糙管，為26.5*2.75mm的鍍鋅管，測壓點間距l(xiāng)=1.5m；No2 突然擴大管，為22*3mm 48*3mm的不銹鋼管；No3 孔板流量計管路，為48*3mm 的不銹鋼管，其孔徑d0=21.0mm,測壓點間距l(xiāng)=1.5m.本實驗裝置及流程原實驗裝置是由低位水槽、循環(huán)水泵、試驗導管和高位穩(wěn)壓水槽組成,每個測試管的測壓口通過轉換閥組與壓力計連通。轉換閥組由數(shù)對旋塞組成,壓力計為一倒置U型水柱壓力計?？装辶髁坑媱t直接與U型壓力計相連,用以測量管路中流體的流量。泵先將水由低位水槽送至試驗管路,由下而上流動,最后流入高位穩(wěn)壓水槽;由高位穩(wěn)壓水槽溢流出來的水,可直接返回低位水槽;并用實驗管路流量控制閥調節(jié)管路中流體的流量。離心泵將水箱內(nèi)的清水打入系統(tǒng)中，經(jīng)孔板流量計計量后，通過管路切換閥進入相應的測量管路，在管內(nèi)的流動壓頭損失，可由倒U型壓差計測量。試驗中，可以通過調節(jié)流量調節(jié)閥測定不同流量下的壓頭損失。利用本試驗裝置可進行如下項目的測定：1、利用No1管進行湍流區(qū)鍍鋅管（粗糙管）摩擦系數(shù)的測定并利用流體流動阻力的數(shù)據(jù)測定管壁粗糙度；2、 利用No2管進行突擴管局部阻力系數(shù)的測定；3、利用No3管進行不同流量下孔板流量計永久壓強降的測定。2.4實驗步驟：1.檢查各有關閥門(包括測壓口閥門)是否符合直管阻力和彎頭局部阻力測定的要求，是否符合安全操作的要求；2.關閉水泵出口閥，啟動水泵電源；3.開啟泵水口閥，排除管路中的空氣，測定數(shù)據(jù)；4.實驗結束，先關閉泵出口閥，然后切斷電源。2.5實驗結果： 251原始數(shù)據(jù)：（鍍鋅管見附表）附錄表1突擴管局部阻力實驗原始數(shù)據(jù)記錄表1序號水溫t/孔板壓降左/mm 右/mm R/mm 突擴管壓降左/mm 右/mm R/mm 12345678910111226.126.226.526.626.726.827.026.927.027.027.026.9-131 399 530-92 378 470-56 357 413-20 331 35912 318 30650 296 24662 288 22680 277 197110 262 152112 259 147146 244 98175 234 59235 -420 657238 -358 596246 -282 528241 -213 454233 -151 384225 -84 309221 -62 283213 -28 241208 21 187205 25 180195 83 112190 129 612.5.2數(shù)據(jù)處理一、水的密度和粘度計算公式：1、 密度：=-0.003589285t2-0.0872501t+1001.44式中：t水的平均溫度 2.粘度 =0.000001198EXP(1972.53/(273.15K+t)式中：t水的平均溫度二、孔板流量計計算公式與參數(shù)1、 計算公式 V = C1PC2式中：V流量，m3/hP孔板壓差，kPaC1、C2孔板流量計參數(shù) 2、參數(shù)第二套設備: C1=1.59 C2=0.51三、孔板壓降與突擴管壓降計算公式1、 孔板壓降: R=| R(左)- R(右)|(mm) P=gR*10-6式中：R倒U型壓差計的刻度,mm2、 突擴管壓降: R=|R(左)- R(右)|(mm) P=gR*10-6式中：R倒U型壓差計的刻度,mm P突擴管壓降, kPa四、突擴管阻力系數(shù)的計算公式由hf=(P1-P2)/（u12-u22）/2=u12/2,在本實驗中可簡化為P/=gR=u12/2所以 =2gR/u12=2*10-3*0.7852*36002gRd14/V2其中d1為突擴管的小管直徑.五、雷諾數(shù)Re的計算公式 Re= d1u/式中：Re雷諾數(shù),無因次圖1 阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關系附錄表2突擴管局部阻力實驗數(shù)據(jù)處理記錄表1序號孔板壓降P/kPa突擴管壓降P/kPa流量V/m3/h突擴管阻力系數(shù)Re*10 -4lgRe密度/kg/m3粘度*10415.18226.4243.67960.49839.30874.9689998.90778.732624.59545.82743.46090.5118.75464.9422996.69028.713434.03785.16213.23990.51658.24964.9146996.60738.656143.50974.43843.01640.51247.67164.8849996.57958.66652.99153.7542.78040.51017.11054.8519996.55178.618262.40493.02082.48740.51296.3754.8044996.52378.599372.20922.76642.38210.50276.13164.7876996.46778.561781.92582.35592.2210.50175.70454.7562996.49578.580591.48591.8281.94580.50725.00854.6997996.46778.5617101.4371.75961.91290.50524.92384.6923996.46778.5617110.9581.09481.55560.47534.00414.6025996.46778.5617120.57680.59641.20090.43442.99164.4759996.49578.58052.5.3計算舉例取突擴管局部阻力實驗的第三組數(shù)據(jù)為例：溫度t=26.5 1.密度=-0.003589285t2-0.0872501t+1001.44 =-0.003589285*26.52-0.0872501*26.5+1001.44 =996.6073kg/m3 2.粘度 =0.000001198EXP(1972.53/(273.15K+t) =0.000001198 EXP(1972.53/(273.15K+26.5) =8.6561*10-4 Pa*s3.孔板流量計：R(左)=-56mm R(左)=357mm R=413mm 孔板流量壓差P=gR=996.6073 kg/m3*9.81m/s2*0.413m=4037.7844Pa=4.0378 kPa壓 降 計：R(左)=246mm R(右)=-282mm R=528mm4.壓降計壓差: P=gR =996.6073 kg/m3*9.81m/s2*0.528m=5162.1069Pa =5.1621 kPa第二套設備 C1=1.59 C2=0.515.流 量：Vs=C1*PC2=1.59*4.03780.51=3.2399 m3/h 6.流 速：u=4* Vs/(3600*d2) =4*3.2399 /(3600*3.14*(0.016)2) =4.4761m/s 7.雷 諾 數(shù)：Re=du/=(0.016*4.4761*996.6073)/0.00086561=82455.86698.阻力系數(shù): P/=*u2/2 =2*P/*u2=2*10-3*0.7852*36002gRd14/V2 =2*10-3*0.7852*36002*9.81*528*0.0164/3.23992=0.5165同理可算出其他11組數(shù)據(jù),即上表效果。取鍍鋅管直管阻力的第三組數(shù)據(jù): 溫度t=24.51.密度=-0.003589285t2-0.0872501t+1001.44 =-0.003589285*33.3*33.3-0.0872501*33.3+1001.44 =997.1479kg/m3 2.粘度 =0.000001198EXP(1972.53/(273.15+t) =0.000001198 EXP(1972.53/(273.15+24.5) =9.0476*10-4 Pa*s3.孔板流量計：R(左)=-83mm R(右)=372mm R=455mm 孔板流量壓差P=gR=997.1479 kg/m3*9.81m/s2*0.455m=4.4508kPa5.第二套設備 C1=1.59 C2=0.51流量：V=C1PC2=1.59*4.54080.51=3.4049m3/h 6.雷諾數(shù)：Re=du/=V/(3600*0.785d)=4.8072*1047.阻力系數(shù)：P/=*(L/d)*u2/2 L（管長）=1.5米=2Rgd/Lu2=2.7977*10-2同理可算出其他11組數(shù)據(jù),即附錄表表2-2所示.3.結果討論流體在遇到突然擴大時產(chǎn)生阻力損失的原因在于邊界層脫體。要減小局部阻力,可以通過控制邊界層來實現(xiàn).控制邊界層的方法:在會堆積回流的流體的地方,通過物體表面上的縫隙或小孔把流體吸入物體內(nèi)部。假如由此防止了減速流體的堆積，則流動的分離就不會發(fā)生。抽吸流體還有降低緊靠縫口之前區(qū)域中的壓力的作用，因而就防止了在那里出現(xiàn)分離。如果阻力已經(jīng)是很小的話，這樣做并不能減少阻力，但是我們可以對較短或教粗的物體得到幾乎沒有渦流的運動。在普朗特曾指出過的突然擴大渠道中，渠壁有抽吸的流動情況，流體附著與邊界，由于截面積的增力，當流體貼壁流動時，速度迅速地滯緩。而在無抽吸時則形成射流。通過抽吸流體，可以使層流的穩(wěn)定性在兩方面得到改善。第一是邊界層厚度變薄，因而雷諾數(shù)減小，第二是邊界層剖面形狀變得更豐滿，抽吸對邊界層剖面形狀的影響與有壓力降落的情況相似，因而使臨界雷諾數(shù)提高，這種，即使在大雷諾數(shù)情況下也能保持邊界層一