化工原理實(shí)驗(yàn)—流體流動(dòng)阻力測定實(shí)驗(yàn)

1、化工原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告流體流動(dòng)阻力測定實(shí)驗(yàn)班 級： 031112班 小 組： 第六組 指導(dǎo)老師： 劉慧仙 組 長： 陳 名 組 員： 魏建武 曹 然 實(shí)驗(yàn)時(shí)間： 2013年10月18日 目錄一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?三、實(shí)驗(yàn)基本原理11.直管阻力12.局部阻力3四、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)31.實(shí)驗(yàn)方案32.測試點(diǎn)及測試方法3原始數(shù)據(jù)3測試點(diǎn)4測試方法43.控制點(diǎn)及調(diào)節(jié)方法44.實(shí)驗(yàn)裝置和流程設(shè)計(jì)4主要設(shè)備和部件4實(shí)驗(yàn)裝置流程圖4五、實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)5六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和結(jié)果討論分析6實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理61.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表62.流體直管阻力測定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理表73.流體局部阻力測定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理表84.計(jì)算示例。9結(jié)果討論分析1

2、0七、思考題11實(shí)驗(yàn)一 流體流動(dòng)阻力的測定實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.測定流體在特定材質(zhì)和d的直管中流動(dòng)時(shí)的阻力摩擦系數(shù)，并確定和Re之間的關(guān)系。2.測定流體通過閥門時(shí)的局部阻力系數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解測定流體流動(dòng)阻力摩擦系數(shù)的工程定義，掌握測定流體阻力的實(shí)驗(yàn)方法。2.測定流體流徑直管的摩擦阻力和流經(jīng)管件或局部阻力，確定直管阻力摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)之間的關(guān)系。3.熟悉壓差計(jì)和流量計(jì)的使用方法。4.認(rèn)識(shí)組成管路系統(tǒng)的各部件、閥門并了解其作用。三、實(shí)驗(yàn)基本原理流體管路是由直管、管件（如三通、肘管、彎頭）、閥門等部件組成。流體在管路中流動(dòng)時(shí)，由于黏性剪應(yīng)力和渦流的作用，不可避免地要消耗一定的機(jī)械能，流體在直管

3、中流動(dòng)的機(jī)械能損失為直管阻力；而流體通過閥門、管件等部件時(shí)，因流動(dòng)方向或流動(dòng)截面的突然改變導(dǎo)致的機(jī)械能損失稱為局部阻力。在化工過程設(shè)計(jì)中，流體流動(dòng)阻力的測定或計(jì)算，對于確定流體輸送所需推動(dòng)力的大小，例如泵的功率、液位或壓差，選擇適當(dāng)?shù)妮斔蜅l件都有不可或缺的作用。1.直管阻力流體在水平的均勻管道中穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，由截面1流動(dòng)至截面2的阻力損失表現(xiàn)為壓力的降低，即hf=p1-p2=p 由于流體分子在流動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)機(jī)理十分復(fù)雜，影響阻力損失的因素眾多，目前尚不能完全用理論方法來解決流體阻力的計(jì)算問題，必須通過實(shí)驗(yàn)研究掌握其規(guī)律。為了減少實(shí)驗(yàn)工作量，簡化實(shí)驗(yàn)工作難度，并使實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有普遍應(yīng)用意義，可采用

4、因次分析方法來規(guī)劃實(shí)驗(yàn)。將所有影響流體阻力的因素按以下三類變量列出 流體性質(zhì) 密度，黏度； 管路幾何尺寸 管徑d，管長l，管壁粗糙度； 流動(dòng)條件 流速u； 可將阻力損失hf與諸多變量之間的關(guān)系表示為p=fd,l,u, 根據(jù)因次分析法，可將上述變量之間的關(guān)系轉(zhuǎn)化為無因次準(zhǔn)數(shù)之間的關(guān)系pu2=du,ld,d 其中du=Re稱為雷諾準(zhǔn)數(shù)（Reynolds number），是表征流體流動(dòng)形態(tài)影響的無因次準(zhǔn)數(shù)；ld是表示相對長度的因次幾何維數(shù)；d稱為管壁相對粗糙度。將式改寫為p=ldRe,du22 引入 =Re,d 則hf=p=ldu22 式即為通常計(jì)算直管阻力的公式，其中稱為直管阻力摩擦系數(shù)。直管段兩

5、端的壓差若用水銀U型壓差計(jì)測定，則p=RHg-H2Og 其中R為U型壓差計(jì)兩側(cè)的液注高度差。由式可知，不管何種流體，直管摩擦系數(shù)僅與Re與d有關(guān)。因此，只要在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的小裝置上，用水作實(shí)驗(yàn)物系，進(jìn)行有限量的實(shí)驗(yàn)，確定與Re和d的關(guān)系，即可由式計(jì)算任一流體在管路中的流動(dòng)阻力損失。這也說明了因次分析理論指導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)方法具有“由小見大，由此及彼”的功效。2.局部阻力局部阻力通常用當(dāng)量長度法或局部阻力系數(shù)法來表示。當(dāng)量長度法：流體通過管件或閥門的局部阻力損失，若與流體流這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，用符號(hào)le表示。這樣，就可用直管阻力的公式來計(jì)算局部阻力

6、的損失。在管路計(jì)算時(shí)，可將管路中的直管長度與管件閥門的當(dāng)量長度合并在一起計(jì)算，如管路系統(tǒng)中直管長度為l，各種局部阻力的當(dāng)量長度之和為ilei，則流體在管路中流動(dòng)的總阻力損失為hf=l+ieidu22 局部阻力系數(shù)法：流體通過某一管件或閥門的阻力損失用流體在管路中的動(dòng)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=p=u22一般情況下，由于管件和閥門的材料及加工精度不完全相同，每一制造廠及每一批產(chǎn)品的阻力系數(shù)是不盡相同的。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)1.實(shí)驗(yàn)方案用自來水做實(shí)驗(yàn)物料；由實(shí)驗(yàn)原理及式hf=ldu22和p=u22知，當(dāng)實(shí)驗(yàn)裝置確定后，只要改變管路中流體流速u或流量V，測定相應(yīng)的直管阻力壓

7、差p1和局部阻力壓差p2，就能通過計(jì)算得到的和的值以及相應(yīng)的Re的值；在安排實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的分布時(shí)，要考慮到隨Re的變化趨勢，在小流量范圍適當(dāng)多布點(diǎn)。2.測試點(diǎn)及測試方法原始數(shù)據(jù) 有流速u（或流量V），直管段壓差p1和局部段壓差p2，流體溫度t（據(jù)此確定、），此外還有管路直徑d和直管長度l。測試點(diǎn) 需在直管段兩端和局部兩端各設(shè)一對測壓點(diǎn)，分別用以測定p1和p2，在管路中配置一個(gè)流量（或流速）和溫度測試點(diǎn)，共6個(gè)測試點(diǎn)。測試方法 直管段和局部段壓差的測定：采用水銀U型壓差計(jì)流速或流量的測定：工程上測量流量較測流速更為方便，如用渦輪流量計(jì)測定流量，則Q=f其中f渦輪流量計(jì)的轉(zhuǎn)子頻率，其數(shù)值用數(shù)顯儀表顯示；

8、渦輪流量計(jì)的儀表系數(shù)；Q流量，L/s。溫度的測定：用水銀玻璃溫度計(jì)測定，。3.控制點(diǎn)及調(diào)節(jié)方法實(shí)驗(yàn)中需控制調(diào)節(jié)的參數(shù)是流體流量Q，可以在管路系統(tǒng)出口端設(shè)置一控制調(diào)節(jié)閥門，用以調(diào)節(jié)流量并保證整個(gè)管路系統(tǒng)滿灌。4.實(shí)驗(yàn)裝置和流程設(shè)計(jì)主要設(shè)備和部件離心泵、循環(huán)水箱、渦輪流量計(jì)、閥門、直管及管件、玻璃水銀U型壓差計(jì)、溫度計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置流程圖實(shí)驗(yàn)裝置流程如圖1-1所示，由管子、管件、閘閥（用于局部阻力測定）、控制閥、流量計(jì)及離心泵等組成一個(gè)測試系統(tǒng)。測試系統(tǒng)的前半部分為局部阻力測試段，后半部分為直管阻力測試段。為了節(jié)約用水，配置水箱供水，循環(huán)使用。為了防止臟物進(jìn)入系統(tǒng)造成堵塞，在泵的入口加裝過濾器。為了保證

9、系統(tǒng)滿灌，裝置的出口端應(yīng)高于測試段或?qū)⒖刂崎y安裝在出口端。為了排除管路的殘留氣體，在裝置的最高處裝設(shè)排氣閥。為了實(shí)驗(yàn)結(jié)束排空系統(tǒng)中的液體或定期更換水箱中的水，在循環(huán)水箱底部設(shè)排泄閥。渦輪流量計(jì)在安裝時(shí)須保證前后有足夠的直管穩(wěn)定段和水平度。五、實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)1.實(shí)驗(yàn)正式開始前，關(guān)閉流體出口控制閥門，打開水銀壓差計(jì)平衡閥。（為什么）見思考題12.啟動(dòng)離心泵。（注意什么）是否需要灌泵，泵在液面下，不需要灌泵。3.分別進(jìn)行管路系統(tǒng)、引壓管、壓差計(jì)的排氣工作，排出可能積存在系統(tǒng)內(nèi)的空氣，以保證數(shù)據(jù)測定穩(wěn)定，可靠。管路系統(tǒng)排氣：打開出口調(diào)節(jié)閥，讓水流動(dòng)片刻，將管路中的大部分空氣排出。然后將出口閥關(guān)閉，打開管

10、路出口端上方的排氣閥，使管路中殘余空氣排出。引壓管和壓差計(jì)排氣：依次打開并迅速關(guān)閉壓差計(jì)上方的排氣閥，反復(fù)操作幾次，將引壓管和壓差計(jì)內(nèi)的空氣排出。排氣時(shí)要注意嚴(yán)防U型管壓差計(jì)中水銀沖出。4.排氣結(jié)束后，關(guān)閉平衡閥。5.將出口控制閥開至最大，觀察最大流量范圍或最大壓差變化范圍，據(jù)此確定合理的實(shí)驗(yàn)布點(diǎn)。6.流量調(diào)節(jié)后，須穩(wěn)定一段時(shí)間，方可測取有關(guān)數(shù)據(jù)。7.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，先打開平衡閥，關(guān)閉出口控制閥，再關(guān)閉離心泵和總電源。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和結(jié)果討論分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表表1-1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表渦輪流量變送器編號(hào) 990884 渦輪流量變送器儀表常數(shù) 332.66 管子材料 鍍鋅白鐵管 管子

11、長度（直管） 2 m 管子內(nèi)徑（直管） 20 mm 管子內(nèi)徑（局部） 32 mm水 溫 22 水的密度 997.8 kg/m3 水的黏度 0.9579 mPa·s 序號(hào)渦輪流量計(jì)頻率f直管阻力壓差p1局部阻力壓差p2左側(cè)水銀柱高h(yuǎn)L（mm）右側(cè)水銀柱高h(yuǎn)L（mm）左側(cè)水銀柱高h(yuǎn)L（mm）右側(cè)水銀柱高h(yuǎn)L（mm）1563792.5211.5338.2743.62494776.1275.8382.4696.33398648.7351.5435.0640.54356618.8379.3455.6622.75322597.4401.5469.7606.26301586.2412.3477.1

12、598.27252566.2435.1494.8580.48237554.7443.2499.4575.99215545.7452.6506.2569.210191536.5461.7512.5563.011162526.4469.2519.0556.012120514.6482.3526.9548.81382507.3488.2532.0543.51444502.3494.6535.1540.0150497.6497.6537.8537.82.流體直管阻力測定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理表表1-2 流體直管阻力測定序號(hào)qV×10-3（流量）（m3/s）u（流速）（m/s）Re×10-4雷

13、諾數(shù)R（壓差計(jì)讀數(shù)）（mmHg）Wf（直管阻力）（J/kg）×102（摩擦系數(shù)）11.69245.387111.2231581.071.9864.96121.48504.72699.8476500.361.9875.54831.19643.80837.9339297.236.8235.07841.07023.40647.0966239.529.6745.11550.96803.08116.4189195.924.2725.11460.90482.88026.0003173.921.5465.19570.75752.41135.0235131.116.2435.58780.71242.

14、26784.7245111.513.8155.37290.64632.05734.285993.111.5355.451100.57421.82763.807574.89.2685.549110.48701.55013.229457.27.0875.899120.36071.14822.392132.34.0026.071130.24650.78461.634619.12.3667.688140.13230.42100.87717.70.95410.764150.00000.00000.00000.00.0003.流體局部阻力測定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理表表1-3 流體局部阻力測定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理表序號(hào)qV&

15、#215;10-3（流量）（m3/s）u（流速）（m/s）R（壓差計(jì)讀數(shù)）（mmHg）Wf（局部阻力）（J/kg）（局部阻力系數(shù)）11.69242.1044405.450.22922.68621.48501.8464313.938.89222.81531.19641.4876205.525.46123.01041.07021.3306167.120.70423.38650.96801.2036136.516.91223.35160.90481.1251121.115.00423.70870.75750.941985.610.60623.90980.71240.885876.59.47824.1

16、5790.64630.803663.07.80624.174100.57420.713950.56.25724.553110.48700.605537.04.58425.006120.36070.448521.92.71326.975130.24650.306511.51.42530.336140.13230.16454.90.60744.892150.00000.00000.00.000 的平均值：24.466 （舍棄序號(hào)為14的數(shù)據(jù)）4.計(jì)算示例。流體直管阻力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算示例公式：qV=f u=qV4×d2 Re=du p=RHg-H2O×gWf=pH2O=ldu22

17、R=HL-HR計(jì)算：（取表1-1中序號(hào)為1的數(shù)據(jù)為例）qV=f=563332.66=1.6924 L/s=1.6924×10-3 m3/su=qV4×d2=1.6924×10-34×0.022=5.3871 m/sRe=du=0.02×5.3871×997.80.9579×10-3=11.2231×104R=HL-HR=792.5-211.5=581.0p=RHg-H2O×g=581.0×10-3×13600-997.8×9.81=71.8276 kPaWf=pH2O=718

18、27.6997.8=71.986 J/kg=2×Wf×dl×u2=2×71.986×0.022×5.38712=0.04961流體局部阻力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算示例公式：qV=f u=qV4×d2 p=RHg-H2O×g Wf=p=u22 R=HR-HL計(jì)算：（取表1-1中序號(hào)為1的數(shù)據(jù)為例）qV=f=563332.66=1.6924 L/s=1.6924×10-3 m3/su=qV4×d2=1.6924×10-34×0.0322=2.1044 m/sR=HR-HL=743.6-338

19、.2=405.4p=RHg-H2O×g=405.4×10-3×13600-997.8×9.81=50.1186 kPaWf=p=50118.6997.8=50.229 J/kg=2×Wfu2=2×50.2292.10442=22.686結(jié)果討論分析1. 在雙對數(shù)坐標(biāo)紙上關(guān)聯(lián)和Re之間的關(guān)系。取鍍鋅白鐵管的絕對粗糙度=0.2 mm，則d=0.220=0.01。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后，所得摩擦系數(shù)與雷諾準(zhǔn)數(shù)Re的關(guān)系圖形如下：圖1-2 摩擦系數(shù)與雷諾準(zhǔn)數(shù)Re的關(guān)系圖根據(jù)資料顯示，摩擦系數(shù)與雷諾準(zhǔn)數(shù)Re的關(guān)系應(yīng)該是隨著Re的增大，的值逐漸減小。因

20、此應(yīng)該舍棄表1-2中序號(hào)為2、7、11的三組數(shù)據(jù)。得到如上圖所示的關(guān)系曲線。2.對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析討論，例如：討論一下和Re之間的關(guān)系，根據(jù)所標(biāo)繪的曲線引申推測一下管路的粗糙程度，論述所得結(jié)果的工程意義等等，并從中得出若干結(jié)論。答：摩擦系數(shù)與雷諾準(zhǔn)數(shù)Re的關(guān)系應(yīng)該是隨著Re的增大，的值逐漸減小。根據(jù)所得到的曲線圖，可以推測管路的粗糙程度=0.2 mm。根據(jù)Re的不同，可以將流體流動(dòng)分為四個(gè)區(qū)域，層流區(qū)、過渡區(qū)、湍流區(qū)、完全湍流區(qū)。根據(jù)要輸送的液體的性質(zhì)，可以根據(jù)上圖的關(guān)系，算出摩擦系數(shù)，即可根據(jù)流速、管徑等要求選擇相對應(yīng)的管材。在化工生產(chǎn)中的管路，根據(jù)其材質(zhì)和加工情況，大致可以分為兩類，即光滑

21、管和粗糙管。管路壁面凸出部分的平均高度稱為絕對粗糙度，以表示。絕對粗糙度與管徑的比值即d，稱為相對粗糙度。根據(jù)上圖可以查出摩擦系數(shù)，即可算出管壁的粗糙度。3.對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的誤差分析，評價(jià)一下數(shù)據(jù)和結(jié)果的誤差，并分析其原因。答：由實(shí)驗(yàn)所求得的數(shù)據(jù)可以看出，計(jì)算直管阻力的時(shí)候，序號(hào)為2、7、11的三組數(shù)據(jù)明顯不符合隨著Re的增大，的值逐漸減小的變化規(guī)律。應(yīng)該舍棄。計(jì)算局部阻力時(shí)，序號(hào)為14的局部阻力系數(shù)明顯比其它數(shù)據(jù)大很多，也應(yīng)該舍棄。局部阻力系數(shù)明顯偏大。原因：管路中水流不穩(wěn)定，導(dǎo)致U型管水銀壓差計(jì)兩端的水銀面不穩(wěn)定，讀數(shù)的偏差較大。導(dǎo)致算出的數(shù)據(jù)與原定的曲線有偏差，和個(gè)別數(shù)據(jù)的極不合理。減少誤差：盡量在