流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)-流體流動(dòng)阻力的測(cè)定

裝訂線專業(yè)：裝訂線專業(yè)：姓名：學(xué)號(hào)：日期：地點(diǎn)：課程名稱：過(guò)程工程原理實(shí)驗(yàn)（乙）指導(dǎo)老師：成績(jī)：__________________實(shí)驗(yàn)名稱：流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)——流體流動(dòng)阻力的測(cè)定同組學(xué)生姓名：實(shí)驗(yàn)類型：流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵螅ū靥睿? 二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理（必填）三、實(shí)驗(yàn)材料與試劑（必填）四、實(shí)驗(yàn)器材與儀器（必填） 五、操作方法和實(shí)驗(yàn)步驟（必填）六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理 七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析（必填）八、討論、心得實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆諟y(cè)定流體流經(jīng)直管、管件（閥門）時(shí)阻力損失的一般實(shí)驗(yàn)方法；測(cè)定直管摩擦系數(shù)λ與雷諾準(zhǔn)數(shù)Re的關(guān)系，驗(yàn)證在一般湍流區(qū)內(nèi)λ與Re的關(guān)系曲線；測(cè)定流體流經(jīng)管件（閥門）時(shí)的局部阻力系數(shù)ζ；識(shí)辨組成管路的各種管件、閥門，并了解其作用。實(shí)驗(yàn)原理流體通過(guò)由直管、管件（如擴(kuò)大管、三通和彎頭等）和閥門等組成的管路系統(tǒng)時(shí)，由于粘性剪應(yīng)力和渦流應(yīng)力的存在，要損失一定的機(jī)械能。流體流經(jīng)直管時(shí)所造成的機(jī)械能損失成為直管阻力損失。流體通過(guò)管件、閥門時(shí)由于流體運(yùn)動(dòng)方向和速度大小的改變所引起的機(jī)械能損失成為局部阻力損失。1.直管阻力摩擦系數(shù)λ的測(cè)定流體在水平等徑直管中穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，阻力損失為：·········（1）··············（2）公式中：λ——直管阻力摩擦系數(shù)，無(wú)因次；d——直管內(nèi)徑，m；裝訂線——流體流經(jīng)l米直管的壓力降，Pa；裝訂線——單位質(zhì)量流體流經(jīng)l米直管的機(jī)械能損失，J/kg；ρ——流體密度，kg/m3；l——直管長(zhǎng)度，m；u——流體在管內(nèi)流動(dòng)的平均速度，m/s；滯流（層流）時(shí)：··············（3）·············（4）式中：Re——雷諾準(zhǔn)數(shù)，無(wú)因次；μ——流體粘度，kg/(m·s)。湍流時(shí)λ是Re和相對(duì)粗糙度（ε/d）的函數(shù)，須由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。由（2）可是，要測(cè)定λ，需要確定l、d，測(cè)定、u、ρ、μ等參數(shù)。l、d為裝置參數(shù)（裝置參數(shù)表格中給出），ρ、μ通過(guò)測(cè)定流體溫度，再查有關(guān)手冊(cè)而得，u通過(guò)測(cè)定流體流量，再由管徑計(jì)算得到。本裝置流量采用渦輪流量計(jì)或轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量，則QUOTE············（5）式中：V——流量計(jì)測(cè)得的流量，m3/h?？捎肬型管、倒置U型管、測(cè)壓直管等液柱壓差計(jì)測(cè)定，或采用壓差變送器和二次儀表顯示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)l、d，指示液密度ρ0，流體溫度t0（查流體物性ρ、μ），以及實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)定的流量V、，求取Re和λ，再將Re和λ標(biāo)繪在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖上。2局部阻力系數(shù)ξ的測(cè)定流體通過(guò)某一管件或者閥門時(shí)的機(jī)械能損失表示為流體在小管徑內(nèi)流動(dòng)時(shí)平均動(dòng)能的某一倍數(shù)，局部阻力的這種算法，叫做阻力系數(shù)法。即：裝訂線·········（6）裝訂線故：··········（7）式中：QUOTE——單位質(zhì)量流體流經(jīng)某一管件或閥門時(shí)的機(jī)械能損失，J/kg；ξ——局部阻力系數(shù)，無(wú)因次；QUOTE——局部阻力壓強(qiáng)降，Pa；（本裝置中，所測(cè)得的壓強(qiáng)降應(yīng)扣除閥門二端兩側(cè)壓口間直管段的壓降，直管段的壓降由相應(yīng)管路的直管阻力實(shí)驗(yàn)結(jié)果求?。沪选黧w密度，kg/m3；g——重力加速度，9.81m/s2；u——流體在小截面管中的平均流速，m/s。根據(jù)連接管件或閥門兩端管徑中小管的直徑d，流體溫度t0（查流體物性ρ、μ），以及實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)定的流量V、，通過(guò)式（6）或（7），求取管件（閥門）的局部阻力系數(shù)ξ。實(shí)驗(yàn)儀器1.實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)對(duì)象部分由貯水箱、離心泵，不同管徑、材質(zhì)的水管，各種閥門、管件，渦輪流量計(jì)和倒U型壓差計(jì)等所組成。管路部分有三段并聯(lián)長(zhǎng)直管，自上而下分別為用于測(cè)定直管層流阻力、粗糙管直管阻力系數(shù)、光滑管直管阻力系數(shù)。同時(shí)在粗糙管直管和光滑管直管上分別裝有閘閥和截止閥，用于測(cè)定不同種類閥門的局部阻力系數(shù)。水的流量使用轉(zhuǎn)子流量計(jì)或渦流流量計(jì)測(cè)量，管路直管阻力和閥門的局部阻力采用相應(yīng)的倒U型壓差計(jì)或壓差傳感器測(cè)量。2.實(shí)驗(yàn)流程：實(shí)驗(yàn)裝置流程圖如圖1中箭頭所示。3.裝置參數(shù)裝訂線裝置參數(shù)如下表所示。裝訂線名稱類型管內(nèi)徑（mm）測(cè)量段長(zhǎng)度（mm）光滑管不銹鋼管211000粗糙管鍍鋅鐵管221000光滑管局部阻力截止閥21660粗糙管局部阻力閘閥22680層流管不銹鋼管62000圖1流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)裝置裝置流程示意圖實(shí)驗(yàn)步驟開啟儀表柜上的總電源、儀表電源開關(guān)；首先對(duì)水泵進(jìn)行灌水，然后關(guān)閉泵出口閥，啟動(dòng)水閥，待電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)后，把泵的出口閥緩緩開到最大；全開流量調(diào)節(jié)閥，以排除測(cè)試管路內(nèi)的空氣。當(dāng)采用U型壓差計(jì)（或倒U型壓差計(jì)）測(cè)量壓差時(shí)，應(yīng)先對(duì)U型壓差計(jì)（或倒U型壓差計(jì)）進(jìn)行排氣和調(diào)零，使壓差計(jì)兩端在帶壓且零流量時(shí)的液位高度相等。本裝置選用差壓變送器測(cè)量壓差，當(dāng)使用差壓變送器測(cè)量壓差時(shí)，也應(yīng)先對(duì)差壓變送器兩側(cè)的引壓管進(jìn)行排氣操作；裝訂線實(shí)驗(yàn)從最大流量開始做起，最小流量控制在1.5m3/h以上，每次流量為上次的0.85裝訂線裝置確定時(shí)，根據(jù)ΔP和u的實(shí)驗(yàn)測(cè)定值，可以計(jì)算λ和ξ，在等溫條件下，雷諾數(shù)Re=duρ/μ=Au，其中A為常數(shù)，因此只要調(diào)節(jié)管路流量，即可得到一系列λ~Re的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，從而繪出λ~Re曲線；實(shí)驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉泵出口閥，關(guān)閉水泵電機(jī)，關(guān)閉儀表電源和總電源開關(guān)，將實(shí)驗(yàn)裝置恢復(fù)原樣。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)如實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)記錄表。1.直管阻力摩擦系數(shù)λ的測(cè)定水溫t=21℃，此時(shí)水的密度，其粘度光滑管（d=21mm，l=1000mm）序號(hào)流量V/(m3/h)直管壓差Δpf/kPa流速u/（m/s)雷諾數(shù)Re15.148.564.120.02128769324.386.403.510.02197470933.714.722.980.02246342943.163.522.530.02315385052.672.592.140.02384554962.261.921.810.02473852571.931.411.550.02473299181.640.971.320.023428096粗糙管（d=22mm，l=1000mm）15.8516.094.270.03899521424.9711.783.630.03948094334.238.643.090.03996890243.626.422.650.04035909053.054.582.230.04064972562.593.351.890.04134214472.192.421.600.04173567781.861.681.360.04003032691.601.181.170.038026089在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸上繪出兩條λ~Re曲線如下：裝訂線光滑管的λ~Re曲線(舍棄誤差較大的第7、8組數(shù)據(jù))裝訂線由流體力學(xué)相關(guān)知識(shí)可知：當(dāng)2100<Re<105時(shí)，光滑管的摩擦系數(shù)λ滿足柏拉修斯經(jīng)驗(yàn)公式：，而測(cè)量結(jié)果為：，有一點(diǎn)差距。查《化工原理》教材莫狄（Moody）圖，可得該粗糙管的相對(duì)粗糙度ε/d約為0.0004，則其絕對(duì)粗糙度約為ε=0.0084mm。粗糙管的λ~Re曲線(舍棄誤差較大的第8、9組數(shù)據(jù))裝訂線裝訂線由流體力學(xué)相關(guān)知識(shí)可知：實(shí)驗(yàn)結(jié)果也各經(jīng)驗(yàn)公式存在一些誤差。查《化工原理》教材莫狄（Moody）圖，可得該粗糙管的相對(duì)粗糙度ε/d約為0.01，則其絕對(duì)粗糙度約為ε=0.22mm2.局部阻力系數(shù)ξ的測(cè)定水溫t=21℃，此時(shí)水的密度，其粘度光滑管截止閥（d=21mm，l1=660mm）序號(hào)流量V/(m3/h)直管壓差Δpf/kPa閥壓差Δp’f/kPa流速u/（m/s)ξ平均值15.148.5693.34.1210.34910.29824.386.4068.03.5110.37433.714.7248.72.9810.28743.163.5235.32.5310.32552.672.5925.32.1410.32462.261.9218.21.8110.35871,931.4113.01.5510.06881.640.978.61.329.155粗糙管閘閥（d=22mm，l1=680mm）裝訂線1裝訂線5.8516.0913.394.270.2690.25224.9711.789.793.630.27134.238.647.173.090.27243.626.425.302.650.26753.054.583.762.230.26062.593.352.741.890.25972.192.421.961.600.24681.861.681.351.360.22591.601.180.941.170.201（注：在計(jì)算截止閥局部阻力系數(shù)時(shí)舍棄誤差較大的第8組數(shù)據(jù)）即實(shí)驗(yàn)測(cè)得該截止閥全開時(shí)的局部阻力系數(shù)為ξ=10.298，該閘閥全開時(shí)的局部阻力系數(shù)為ξ=0.252。實(shí)驗(yàn)結(jié)論及誤差分析實(shí)驗(yàn)結(jié)論：本次實(shí)驗(yàn)可以有效地測(cè)定該管路的λ~Re曲線、估算管路相對(duì)粗糙度并計(jì)算閥門的局部阻力系數(shù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得光滑管的相對(duì)粗糙度為ε/d=0.0004，則其絕對(duì)粗糙度約為ε=0.0084mm；粗糙管的相對(duì)粗糙度為ε/d=0.01，則其絕對(duì)粗糙度約為ε=0.22mm.測(cè)得截止閥全開時(shí)的局部阻力系數(shù)為ξ=10.298，閘閥全開時(shí)的局部阻力系數(shù)為ξ=0.252。結(jié)論分析：在作光滑管和粗糙管的λ~Re曲線時(shí)均將流量最小的兩組數(shù)據(jù)舍棄，用此時(shí)的數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)的結(jié)果偏差較大；在計(jì)算閥門的局部阻力損失時(shí)截止閥的計(jì)算中也將最小流量下的數(shù)據(jù)舍棄。這可以說(shuō)明實(shí)驗(yàn)裝置在小流量的測(cè)量狀態(tài)下誤差較大。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也有所體現(xiàn)，當(dāng)流量減小到很小時(shí)，多次調(diào)節(jié)儀表的讀數(shù)穩(wěn)定值差距也較大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值之間存在一定的誤差。管路的λ~Re曲線與理論的經(jīng)驗(yàn)公式?jīng)]有很準(zhǔn)確的對(duì)應(yīng)，閥門局部阻力系數(shù)也有一定的誤差，例如：查表的閘閥全開局部阻力系數(shù)理論值為ξ=0.17，與實(shí)驗(yàn)值0.252也一定差距。實(shí)驗(yàn)中可能產(chǎn)生誤差的原因有：1、實(shí)驗(yàn)裝置中管路上的測(cè)壓點(diǎn)的設(shè)置存在一些問(wèn)題，管道上打的孔數(shù)目多，對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量造成一定的影響；2、實(shí)驗(yàn)管路并不能做到完全水平，會(huì)有一定傾角，而理論計(jì)算是以水平來(lái)考量，從而產(chǎn)生誤差；裝訂線3、由于水在管路中流動(dòng)時(shí)摩擦生熱，導(dǎo)致水體溫度不斷變化，而計(jì)算時(shí)僅用特定溫度下水的密度與粘度的數(shù)據(jù)，從而產(chǎn)生誤差；裝訂線4、實(shí)驗(yàn)所用管路內(nèi)因長(zhǎng)期有水及空氣流過(guò)，應(yīng)會(huì)有較大銹蝕，導(dǎo)致管徑及粗糙度發(fā)生變化，從而產(chǎn)生誤差；5、所用的水因反復(fù)循環(huán)使用，并未更換，導(dǎo)致水中帶有很多雜質(zhì)，其密度與粘度與所查的純水的數(shù)據(jù)存在差距，產(chǎn)生誤差；6、儀器系統(tǒng)誤差、讀數(shù)誤差、偶然誤差等其他誤差。思考題在對(duì)裝置做排氣工作時(shí)，是否一定要關(guān)閉流程尾部的出口閥？為什么？答：對(duì)裝置做排氣工作時(shí)，先要打開出口閥，使流體流動(dòng)穩(wěn)定后，再關(guān)閉流程尾部的出口閥，這樣可使管中有較大壓力使得氣體排出。排氣時(shí)出口閥一定要關(guān)閉，以防止排氣不充分。如何檢測(cè)管路中的空氣已經(jīng)被排除干凈？答：調(diào)節(jié)閥門，使流體流速為0，如果QUOTE=0，則說(shuō)明空氣已經(jīng)排盡。然而事實(shí)上，由于實(shí)驗(yàn)裝置本身的誤差，即使空氣已經(jīng)排除干凈，壓差也不一