化工原理流體阻力實(shí)驗(yàn)報(bào)告材料(北京化工大學(xué))

1、實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)北京化工大學(xué)化工原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱：流體阻力實(shí)驗(yàn)班級：化工1305班姓名：張瑋航學(xué)號:2013011132序號：11同組人：宋雅楠、陳帆、陳駿設(shè)備型號：流體阻力-泵聯(lián)合實(shí)驗(yàn)裝置 UPRS川型-第4套實(shí)驗(yàn)日期：2015-11-27文案大全一、實(shí)驗(yàn)摘要首先，本實(shí)驗(yàn)使用UPRSM型第4套實(shí)驗(yàn)設(shè)備，通過測量不同流速下水流經(jīng) 不銹鋼管、鍍鋅管、層流管、突擴(kuò)管、閥門的壓頭損失來測定不同管路、局部件 的雷諾數(shù)與摩擦系數(shù)曲線。確定了摩擦系數(shù)和局部阻力系數(shù)的變化規(guī)律和影響因 素，驗(yàn)證在湍流區(qū)內(nèi)入與雷諾數(shù) Re和相對粗糙度的函數(shù)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為管路 實(shí)際應(yīng)用和工藝設(shè)計(jì)提供重要的參考。結(jié)果，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2、可知，光滑管、粗糙管的摩擦阻力系數(shù)隨 Re增大而 減小，并且光滑管的摩擦阻力系數(shù)較好地滿足 Blasuis關(guān)系式： .3163Re0.25 。 突然擴(kuò)大管的局部阻力系數(shù)隨 Re的變化而變化。關(guān)鍵詞：摩擦系數(shù)，局部阻力系數(shù)，雷諾數(shù)，相對粗糙度二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握測定流體流動阻力實(shí)驗(yàn)的一般實(shí)驗(yàn)方法： 測量湍流直管的阻力，確定摩擦阻力系數(shù)。 測量湍流局部管道的阻力，確定摩擦阻力系數(shù)。 測量層流直管的阻力，確定摩擦阻力系數(shù)。2、驗(yàn)證在湍流區(qū)內(nèi)摩擦阻力系數(shù)入與雷諾數(shù) Re以及相對粗糙度的關(guān)系3、將實(shí)驗(yàn)所得光滑管的入-Re曲線關(guān)系與Blasius方程相比較。三、實(shí)驗(yàn)原理1、直管阻力實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)不可壓縮流體在圓

3、形直管中做穩(wěn)定流動時(shí)，由于黏性和渦流的作用會產(chǎn)生摩 擦阻力（即直管阻力）；流體在流過突然擴(kuò)大、彎頭等管件時(shí)，由于流體運(yùn)動的 速度和方向突然變化，會產(chǎn)生局部阻力。由于分子的流動過程的運(yùn)動機(jī)理十分復(fù) 雜，目前不能用理論方法來解決流體阻力的運(yùn)算問題，必須通過實(shí)驗(yàn)研究來掌握其規(guī)律。為了減少實(shí)驗(yàn)的工作量、化簡工作難度、同時(shí)使實(shí)驗(yàn)的結(jié)果具有普遍的 應(yīng)用意義，應(yīng)采用基于實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)的量綱分析法來對直管阻力進(jìn)行測量。利用量綱分析的方法，結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，流體流動阻力與流體的性質(zhì)、流體流經(jīng)處的幾何尺寸、流體的運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)?？杀硎緸?f d,l,u 。2222文案大全通過一系列的數(shù)學(xué)過程推導(dǎo)，引入以下幾個(gè)無量綱數(shù)群:

4、Redu雷諾數(shù):相對粗糙度:d ;長徑比:整理得到:du l，d，d其中，令:Re，d為直管阻力系數(shù)，則有2u20阻力系數(shù)與壓頭損失之間的關(guān)系可通過實(shí)驗(yàn)測得，上式改寫為:(1)（式中Hf直管阻力（J/kg）， 1被測管長（m）， d被測管內(nèi)徑（m），u 平均流速（m/s）,直管中的摩擦阻力系數(shù)。）根據(jù)機(jī)械能衡算方程，實(shí)驗(yàn)測量Hfgzi2U2HfHfgzi RgZ2P2實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)2p Ug zHe(2)2 e對于水平無變徑直管道，結(jié)合式（1）與式（2）可得摩擦系數(shù):2d pl2測量1.74J U當(dāng)流體在管徑為d的圓形管中流動時(shí)選取兩個(gè)截面，用U形壓差計(jì)測出Re關(guān)系。這兩個(gè)截面的壓強(qiáng)差，即為流體流過

5、兩截面間的流動阻力。 通過改變流速可測出 不同Re下的摩擦阻力系數(shù)，這樣便能得到某一相對粗糙度下的其中，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)后人們發(fā)現(xiàn):1、層流圓直管（Re4000 ）:入=0.3163/Re 253、湍流普通直管（4000Re臨界點(diǎn)）：入=1_1.74 (e/d )即22log d將上述經(jīng)驗(yàn)結(jié)果歸納為表1 。表1摩擦阻力系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系Re02000200040004000Re 臨界點(diǎn)臨界點(diǎn)以上（水力光滑管）Re640.3163Blasius0 25Re0.3163Blasius0 25Re（粗糙管）Re641218.71.74 21g 7= VdRev121.74 21g vd直管段兩端使用電子壓

6、差計(jì)來測量壓差。對于任意一種流體，其直管摩擦系 數(shù)入僅與Re和有關(guān)。因此只要在實(shí)驗(yàn)室的小規(guī)模裝置上利用水作實(shí)驗(yàn)物系，進(jìn) 行有限量的實(shí)驗(yàn)，就可以確定入與 Re和的關(guān)系，從而計(jì)算任意流體在管路中的 流動阻力損失，這些結(jié)論就可以推廣到工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中去。2、局部阻力流體的邊界在局部地區(qū)發(fā)生急劇變化時(shí)，迫使主流脫離邊壁而形成漩渦，流 體質(zhì)點(diǎn)間產(chǎn)生劇烈的碰撞，所形成的阻力稱為局部阻力。局部阻力通常以當(dāng)量長 度法或局部阻力系數(shù)法表示。本實(shí)驗(yàn)中采用局部阻力系數(shù)法。當(dāng)量長度法：流體通過閥門或管件的局部阻力損失， 若與流體流過一定長度的相同管徑的直管阻力相當(dāng)，則稱這一直管長度為管件或閥門的當(dāng)量長度，用e。符號le

7、表示。在管路計(jì)算時(shí)，可求出管路與閥門的當(dāng)量長度之和le。如所計(jì)算的管路長度為I，則流體在管路中流動的總阻力損失為:hfI le U； d 2局部阻力系數(shù)法：流體通過某一件閥門或管件的阻力損失用流體在管路中的動能系數(shù)來表示，這種計(jì)算局部阻力的方法，稱為阻力系數(shù)法，即he對于不同的閥門和管徑變化，有著不同的局部阻力系數(shù)。局部阻力系數(shù)的大小歸結(jié)為一個(gè)表中。見表2表2局部阻力系數(shù)與局部結(jié)構(gòu)關(guān)系（Re4000 ）結(jié)構(gòu)突擴(kuò)管截止閥球閥1 Ai1A2 2=常數(shù)=常數(shù)在本實(shí)驗(yàn)中，由于管道是水平布置，則局部阻力系數(shù)計(jì)算式化簡為:2 P2 Pi2 PiP22u（無變徑）和U21 2（有變徑）Ui（式中，pi、P2

8、分別為上下游截面壓強(qiáng)差，ui、U2為兩個(gè)管徑內(nèi)的平均流速，P流體密度）四、實(shí)驗(yàn)流程和設(shè)備i-水箱；2-水泵；3-渦輪流量計(jì)；4-主管路切換閥；5-層流管；6-截止閥;7-球閥；8-不銹鋼管；9-鍍鋅鋼管；iO-突擴(kuò)管；ii-流量調(diào)節(jié)閥（閘閥）i2-層流管流量閥（針閥）i3-變頻儀實(shí)驗(yàn)介質(zhì)：水（循環(huán)使用）研究對象：不銹鋼管，l=i.500m,d=0.02im;鍍鋅管，l=1.500m,d=0.021m;突擴(kuò)管，I1=0.020m,d1=0.016,l2=0.280m,d2=0.042;截止閥，DN20,d=0.021m;球閥，DN20,d=0.021m;層流管，l=1.500m,d=0.003m

9、;儀器儀表：渦輪流量計(jì)，LWGY-25型，0.610m3/h,精確度等級0.5;其他：溫度計(jì)，Pt100,0200 C，精度等級0.2壓差傳感器，WNK3051型，-20100kPa，精度等級0.2顯示儀表：AI-708等，精度等級0.1。變頻儀：西門子 MM420 型。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)米集和處理，380VAC+220VAC五、實(shí)驗(yàn)操作1、準(zhǔn)備工作及通用操作：1、開泵。打開各管路的切換閥門，關(guān)閉流量調(diào)節(jié)閥，按變頻儀上綠色按鈕啟動泵，固定轉(zhuǎn)速(f=50Hz)，觀察到泵出口表壓力為0.2MPa左右時(shí)即可開始 實(shí)驗(yàn)。2、排氣。排盡整個(gè)系統(tǒng)的氣體，包括設(shè)備主管和測壓管線中的氣體。具體步驟為：全開壓差傳感器排

10、氣閥，打開流量調(diào)節(jié)閥11數(shù)十秒鐘后再關(guān)閉，這時(shí)流量為零，等待一段時(shí)間，觀察壓差傳感器指示讀數(shù)是否為0 (+0.05kPa)，否則，要重新排氣。對于測壓管線排氣：打開全部測壓閥、壓差傳感器排氣閥，查看p孔板。再次打開傳感器排氣閥，10秒后關(guān)閉，重復(fù)多次至零點(diǎn)不變，記錄 p孔板。3、實(shí)驗(yàn)測取數(shù)據(jù)。打開鍍鋅管管路的切換閥和測壓管線上的切換閥，其余 管路的切換閥和測壓管線上的切換閥都關(guān)閉。流量由大到小，測取數(shù)據(jù)。4、測量球閥和截止閥數(shù)據(jù)的方法同上。2、不銹鋼管實(shí)驗(yàn)：1、打開傳感排氣閥并記錄厶P。2、打開不銹鋼管測量管路切換閥，測壓閥。3、 打開流量調(diào)節(jié)閥從小到大調(diào)節(jié)流量，3.5m 3/h以上通過變頻器

11、調(diào)節(jié)，記 錄數(shù)據(jù)。3、鍍鋅管實(shí)驗(yàn)：1、打開傳感排氣閥并記錄厶P。2、打開鍍鋅管測量管路切換閥，測壓閥。關(guān)閉其他切換閥、測壓閥。3、 打開流量調(diào)節(jié)閥從小到大調(diào)節(jié)流量，3.5m 3/h以上通過變頻器調(diào)節(jié)，記 錄數(shù)據(jù)。4、球閥、截止閥實(shí)驗(yàn)：1、打開傳感排氣閥并記錄厶P。2、打開球閥、截止閥測量管路切換閥。關(guān)閉其他切換閥、測壓閥。3、打開球閥兩端的測壓閥。4、 打開流量調(diào)節(jié)閥從小到大調(diào)節(jié)流量，3.5m 3/h以上通過變頻器調(diào)節(jié)，記 錄數(shù)據(jù)。5、關(guān)閉球閥兩端測壓閥，開啟截止閥兩端測壓閥，重復(fù)上述過程，記錄數(shù) 據(jù)。5、層流管實(shí)驗(yàn)：1、打開傳感排氣閥并記錄厶P。2、降低水泵頻率。3、閉其他切換閥、測壓閥。全

12、開層流管流量閥。4、調(diào)節(jié)層流管路出口閥，改變管路壓降，用量桶測量一定時(shí)間內(nèi)流出的液 體量，并記錄其重量。6、結(jié)束實(shí)驗(yàn)：關(guān)閉全部閥門，通過變頻器關(guān)泵，關(guān)閉控制柜。切斷電源，整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)， 清理實(shí)驗(yàn)臺。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格及計(jì)算舉例1、湍流不銹鋼呂數(shù)據(jù)表AP0/kPal/md/ms/mm0.001.5000.02150.02水流量管路壓降水溫度水密度水粘度水流速雷諾數(shù)摩擦系數(shù)入序號p/kg ?u/m ?qv/m 3?h-1Ap /kPat/ c口/Pa ?ss-1Re入blasiusm-310.600.3920.0996.30.0010200.67136610.0250.02920.800.5720.

13、0996.30.0010200.84172820.0230.02831.001.0020.0996.30.0010201.12230420.0220.02641.301.2820.0996.30.0010201.31268280.0210.02551.601.7220.0996.30.0010201.60329180.0190.02362.002.5620.0996.30.0010202.01411470.0180.02272.503.8720.0996.30.0010202.45501990.0180.02183.005.0820.0996.30.0010203.17650120.0170.

14、02094.009.3020.0996.30.0010204.04827880.0160.019105.0012.8520.0996.30.0010204.80984240.0160.018計(jì)算示例：以第一組為例4qv m3/s1）流速U4 0.603.14 0.0215 36000.46 m. s2）雷諾數(shù)Redu0.0215 0.46 996.31.02 109960.23）摩擦系數(shù)2d p2 0.0215 0.39 1000996.3 1.5 0.460.024C壽g J沃上由 上+ k 來“ -Pl=r 士P0/kPal/md/me/mm2、湍流 鍍鋅管數(shù)據(jù)衣0.001.5000.02

15、150.10水流里水流速序qv/m3 ?管路壓降水溫度水密度水粘度u/m ?雷諾數(shù)摩擦系數(shù)Ablasius號h-1p/kPat/ Cp/kg ?m-3口/Pa ?ss-1Re入10.760.4320.2996.30.0010170.58122510.0210.03021.000.7220.3996.30.0010140.77161560.0270.02831.290.9620.3996.30.0010140.99208420.0280.02641.601.4820.3996.30.0010141.22258500.0350.02552.002.2020.3996.30.0010141.5332

16、3130.0410.02462.483.3620.4996.30.0010121.90401600.0510.022Blasius0.25Re0.31634 96460.31634）理論摩擦系數(shù)0.03273.004.7420.4996.30.0010122.30485810.0590.02183.977.9920.4996.30.0010123.04642890.0760.02094.9912.1820.5996.30.0010103.82809920.0920.019105.5115.3020.5996.30.0010104.22894320.1040.018計(jì)算示例：以第一組為例1 ）流

17、速U3 -4qv(m s) d4 0.7623.14 0.021536000.58 m s2）雷諾數(shù)Redu0.0215 0.58 996.31.017 10122163）摩擦系數(shù)2d plu2 0.0215 0.43 1000996.3 1.5 0.580.0214）理論摩擦系數(shù)Blasius0.31630.31634 國0.0303、湍流突擴(kuò)管數(shù)據(jù)表APo/kPal1/md1/ml2/md2/ms/mm0.000.0200.01600.2800.04200.02水流里局部壓降水密度水流速水流速局部阻序qv/m 3?A水溫度p/kg ?水粘度U1 /m ?U2/m ?雷諾數(shù)力Z理論值號h-1

18、p 2-1 /kPat/Cm -3p/Pa ?ss-1s-1Re1系數(shù)Z1.980.78996.1250.001002.740.397120.7835434000.8740.73122.971.7520.7996.1250.001004.110.596650990.8750.7318354.023.00996.1000.001005.560.806320.8033883140.8810.7315.005.11996.0740.001006.911.00311009420.923030.8720.731計(jì)算示例：以第一組為例3 I4qv(m s)4 1.98v 222.74 m s1）流速d12

19、3.14 0.01602 36003 j如二衛(wèi)屮 0.397 msd223.14 0.04202 36002）雷諾數(shù)Re1d1u10.0160 2.74 996.131.0051043670.23）局部阻力系數(shù)u；P2U10.3972 0.78 1000 996.22.7420.8744）理論局部阻力系數(shù)21 AA2蘭2d；0.01620.04220.7314、湍流一截止閥（全開）P0/kPad/m0.000.0205水流里序qv/m 3?局部壓降水溫度水密度水粘度水流速雷諾數(shù)局部阻力號h-1Ap/kPat/ Cp/kg ?m -3”Pa ?su/m ?s-1Re系數(shù)Z11.989.5221.

20、5995.9190.0009871.67344916.8780奪莖890乙乙94 6 966 乙n000L900 乙”(H 98 6V黙W宙逅6966 乙9、 IzSOOnpS/UJ 乙94009 丄乙00 琳乙 0 Z t7乙P(s UJ)Abt7190Z6ZZ96ie986000069669 ISL9S86Ce90609QVZ986000069669 IS切667乙890乙9 J986000069669 IS9Z0ZQZe-iukM9dL-s乙 LU/ns乙 ej/ri6 W/da /iBdd|6 CLU/Ab滋卑塁wxl禹凰W務(wù)ET混冒0000000001200000缶壽）協(xié)疽一鬆黑 c

21、0000lu/pBd0dV呦區(qū)馬一蚩帀：呦史直44誨玄H用混冒（S詁9*命66丄000L乙76乙 d乙Z8600006L6G66 Z9 lz 90300npS/UJ 29Iz009戶0乙00琳 乙P961 tz(s eUJ)Abt78Z898Z969zeeZ86000 06169669 IS98800e16898029ZQZ0Z8600006169669 IS9Z IS66N乙實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)6、層流管數(shù)據(jù)表P0/kPal/md/m0.001.500.00300序水質(zhì)時(shí)間管路壓降水溫水密度水粘度水流速雷諾摩擦系入理論號量/s p/kPa度p/kg ?”Pa ?su/m ?數(shù)數(shù)值/gt/ Cm-3s-1

22、Re入117.450.000.2821.6995.90.0009850.051490.4640.428234.750.000.5322.0995.80.0009760.103010.2210.213372.850.000.9822.4995.70.0009670.216370.0930.101498.450.001.4023.4995.40.0009450.288800.0730.0735135.950.001.9224.2995.20.0009290.3812370.0520.0526199.550.002.9925.0995.00.0009130.5618470.0380.035計(jì)算示例：

23、以第一組為例文案大全1）流量qv995爲(wèi)解誥麗2）流速U3 :4qv(m s)d24 1.263.14 0.0032 3600 1 0000.050 ms3）雷諾數(shù)Redu0.0030 0.05 995.90.0009851514）摩擦系數(shù)2d plu22 0.0030 0.28 1000995.9 1.5 0.0520.455）理論摩擦系數(shù)64Re641510.43七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果作圖及分析進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后利用Excel軟件進(jìn)行關(guān)系曲線的繪制，得到結(jié)果如下:摩擦系數(shù)瀝雷諾數(shù)Re的變化關(guān)系0.0111入數(shù)系擦摩0.1-0 000IfS.1、r- V-M11 IIE1000不銹鋼管 鍍鋅管雷諾準(zhǔn)數(shù)Re

24、 層流管一一 blasius理論值一層流管理論值1、對光滑管與粗糙管的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：對于光滑管，實(shí)驗(yàn)數(shù)值的阻力摩擦系數(shù)應(yīng)大略微于等于理論值。通過實(shí)驗(yàn)測 出的光滑管（不銹鋼管）的入-Re關(guān)系曲線與Blasius理論得出的曲線在Re臨界 值之前十分接近，僅僅是略微較低于理論值。這說明了 Blasius公式在Re=4000 至臨界值區(qū)間上與實(shí)際情況吻合得較好。當(dāng)雷諾數(shù)繼續(xù)增大后，阻力系數(shù)逐漸趨近于一個(gè)定值，此時(shí)實(shí)驗(yàn)曲線開始偏離理論曲線。即實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生了微小偏差， 產(chǎn)生這種偏差的原因很可能是讀數(shù)時(shí)壓力波動有不穩(wěn)定的情況，而我們在讀取壓力時(shí)進(jìn)行了折中取值。對于粗糙管（鍍鋅管），其入-Re關(guān)系曲線形態(tài)與光

25、滑管大體相似，在雷諾 數(shù)Re相同時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)值的阻力摩擦系數(shù)比光滑管的大，其間的曲線關(guān)系應(yīng)該 位于理論值曲線的上方。粗糙管內(nèi)的摩擦阻力系數(shù)不僅隨雷諾數(shù)的變化而變化， 其大小還與管道的相對粗糙度有直接關(guān)系。 此外，粗糙管的入-Re關(guān)系曲線與理論曲線偏離明顯，這說明 Blasius公式對水力光滑管更加適用，而不適用于粗糙管。結(jié)論：光滑管與粗糙管的摩擦阻力系數(shù)均隨雷諾數(shù) Re的增大而減小，當(dāng)Re增大到一定程度時(shí)，有一臨界值，入逐漸趨于一個(gè)定值。此后的流動可以認(rèn)為進(jìn)入了阻力平方區(qū)。2、對層流管的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：對于層流管，在流速較低時(shí)（層流區(qū)內(nèi)），數(shù)據(jù)點(diǎn)在大體落在理論曲線附近， 呈線性分布，這表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果高度吻合。但隨著流速增加，曲線較理論線有向下偏離，這與測量過程中的誤差有一定關(guān)系。改進(jìn)辦法：延長測量流量的時(shí)間，并且在每次改變流速后多穩(wěn)定一段時(shí)間， 讓管內(nèi)流動更趨近于穩(wěn)態(tài)來提高測量的穩(wěn)定性。3、對突擴(kuò)管的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析對于突擴(kuò)管，在雷諾數(shù)相同時(shí)，局部阻力系數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)值大于理論值，且能 夠根據(jù)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出不同流速下（湍流），突擴(kuò)管的局部阻力系數(shù)大體相同的 結(jié)論。局部阻力系數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)值大于理論值的情況， 很可能是由于局部件長時(shí)間 使用后有一定程度的損耗造成的。但對于一定狀態(tài)下的同一種局部件，其局部阻 力基本為定值