流体流动阻力的测定实验

流体流动阻力的测定实验 化工原理实验报告 流体流动阻力的测定实验 指导老师:刘恵仙 实验地点:化工原理实验室(材化楼118室) 班级、小组:031094 二组 小组成员: 舒平 陈红闯 李欣 梁骏林 丁梦营 2011年4月8日 化工原理实验报告 - 1 - 1.实验名称:流体流动阻力的测定实验 2.实验小组(031094-1组)成员:舒平 陈红闯 李欣 梁骏林 丁梦营 ,3.实验内容:1(测定流体在特定材质和的直管中流动时的阻力摩擦系数λ，d 并确定λ和R之间的关系。 2(测定流体通过阀门时的局部阻力系数。 4.实验目的:1.了解测定流体流动阻力摩擦系数的工程定义，掌握测定流体阻 力的实验组织方法。 2.测定流体流经直管的摩擦阻力和流经管件或阀门的局部阻力，确 定直管阻力摩擦系数与雷诺数之间的关系。 3. 熟悉压差计和流量计的使用方法。 4.认识组成管路系统的各部件、阀门并了解其作用 5.实验原理:流体管路是由直管、管件(如三通、肘管、弯头)、阀门等部件 组成。流体在管路中流动时，由于粘性剪应力和涡流的作用，不可 避免地要消耗一定的机械能，流体在直管中流动的机械能损失称为 直管阻力;而流体通过阀门、管件等部件时，因流动方向或流动截 面的突然改变导致的机械能损失称为局部阻力。在化工过程设计 中，流体流动阻力的测定或计算，对于确定流体输送所需推动力的 大小，例如泵的功率、液位或压差，选择适当的输送条件都有不可 或缺的作用。 1.直管阻力 流体在水平的均匀管道中稳定流动时，由截面1流动至 截面2的阻力损失表现为压力的降低，即 p,p,p12h,,f ? ,, 由于流体分子在流动过程中的运动机理十分复杂，影响 阻力 损失的因素众多目前，尚不能完全用理论方法来解决流体阻力的计算 问题，必须通过实验研究掌握其规律。为了减少实验的工作量，简化 - 2 - 实验工作难度，并使实验结果具有普遍应用意义，可用因次方法 来规划实验。 将所有影响流体阻力的工程因素按以下三类变量列出 ?流体性质 密度ρ，黏度μ; ?管路几何尺寸 管径d,管长l，管壁粗糙度ε; ?流动条件 流速υ 可将阻力损失h与诸多变量之间的关系表示为f ,p,f(d,l,,,,,u,,) ? 根据因次分析法，可将上述变量之间的关系转变为无因次准数之间的关 ,,,Pdul,,,,,系 ? ,,,2,,udd,,,, ,du,Re其中称为雷诺准数(Reynolds number)， , 是表征流体流动形态影响的无因次准数; l 是表示相对长度的无因次几何准数; d ,称为管壁相对粗糙度。 d 2,Pl,u,,Re,,,,,,, 将式?改写为 ? 2,dd,, ,,,,,,Re,,, 引入 ? ,,d 2,Plu,h,,,, 则 ? f,2d 式?即为通常计算直管阻力的公式，其中λ称为直管阻力摩 擦系数。 直管段两端的压差若用水银U型压差计测定，则 Δp,R(ρHg-ρH2O)g ? 其中R为U型压差计两侧的液柱高度差。 , 由式?可知，不管何种流体，直管摩擦系数λ仅与Re和有 关。因d 此，只要在实验室规模的小装置上，用水作实验物系， 进行有限 - 3 - ,量的实验，确定λ与Re和的关系，即可由式?计算任一流体在管d 理论指导下的实验方法路中的流体阻力损失。这也说明了因次分析 具有“由小见大，由此及彼”的功效。 2.局部阻力 局部阻力通常用当量长度法或局部阻力系数法来表示。 当量长度法:流体通过管件或阀门的局部阻力损失，若与物 体流 过一定长度的相同管径的直管阻力相当，则称这一直管长度为管件或 阀门的当量长度，用符号le表示。这样，就可用直管阻力的公式来计 算局部阻力的损失。在管路计算时，可将管路中的直管长度与管件阀 门的当量长度合并在一起计算，如管路系统中直管长度为l，各种局 lei，则流体在管路中流动的总阻力损失为 部阻力的当量之和为,i lei，2,uih[],f, ? ,d2 局部阻力系数法:流体通过某一管件或阀门的阻力损失用流体在管 路中的动能系数来表示，这种计算局部阻力的方法，称为阻力系数法， ,2pue,,,即 h2 , 一般情况下，由于管件和阀门的材料及加工精度不完全相同, 每一制造厂及每一批产品的阻力系数是不尽相同的。 用自来水做实验物料;由实验原理及式 22lu,pu,,,,,,h和知，当实验装置确定后，只要改f22,d 变管路 中流体速度υ或流量V，测定相应的直管阻力压差ΔP和1 局部阻力压差ΔP，就能通过计算得到一系列的λ和ξ的值以及相应2 的Re的值;在安排实验点的分布时，要考虑到λ随Re的变化趋势， 在小流量范围适当多布点。 测试点及测试方法 原始数据 有流速υ(或流量V)，直管段压差 ΔP和局 部段压1 - 4 - 差ΔP，流体温度t(据此确定ρ、μ)，此外还有管路直径d和直管 2 长度l。 测试点 需在直管段两端和局部两端各设一对测压 点，分别用以测 定ΔP和ΔP，在管路中配置一个流量(或流速)和温度测试点，共1 2 6个测试点。 测试方法 直管段和局部段压差的测定:采用水银U 型压差计 流速或流量的测定: 工程上测量流量较测流速更为方便如用涡轮流 Q,f,量计测定流量，则 其中f——涡轮流量计的转子频率，其数值用数显仪表显示; ξ——涡轮流量计的仪表系数; Q——流量，L/S。 温度的测定:用水银玻璃温度计测定，?。 控制点及调节方法 实验中需控制调节的参数是流体流量Q，可以在管路系统出口端设置一 控制调节阀门，用以调节流量并保证整个管路系统满灌。 6.实验装置流程及说明:主要设备和部件:离心泵、循环水箱、涡轮流量计、阀 门、直管及管件、玻璃水银U型压差计、温度计 实验装置流程如图所示，由管子、管件、闸阀(用于局部阻力测定)、 控制阀、流量计及离心泵等组成一个测试系统。测试系统的前半部分为 局部阻力测试段，后半部分为直管阻力测试段。为节约用水，配置水箱 供水，循环使用。为了防止脏物进入系统造成堵塞，在泵的入口加装过 滤器。为了保证系统满灌，装置的出口端应高于测试段或将控制阀安装 在出口端。为了排除管路的残留气体，在装置的最高处装设排气阀。为 了实验结束排空系统中的液体或定期更换水箱中的水，在循环水箱底部 装设排泄阀。 涡轮流量计在安装时须保证前后有足够的直管稳定段和水平度。 - 5 - 1-水泵; 2-温度计; 3-涡轮流量计; 4-控制阀; 5-排气瓶; 6-测压导管; 7-平衡阀; 8-U型压差计; 9-排气阀; 10-水槽; 图 流体流动阻力测定实验装置流程 7.实验的主要操作步骤:1(实验正式开始前，关闭流体出口控制阀门，打水 银压差计平衡阀。 2(启动离心泵。 3. 分别进行管路系统、引压管、压差计的排气工作， 排出可能积存在系统内的空气，以保证数据稳定，可靠。 管路系统排气:打开出口调节阀，让水流动片刻，将管路中的大部分 空气排出。然后将出口阀关闭，打开管路出口端上方的排气阀， 使 管路中残余空气排出。 引压管和压差计排气:依次打开并迅速关闭压差计上方的排气阀，反 复操作几次，将引压管和压差计内的空气排出。排气时要注意严防U 型管压差计中水银冲出。 4.排气结束后，关闭平衡阀。 5.将出口控制阀开至最大，观察最大流量范围或最大压差变化范围，据 - 6 - 此确定合理的实验布点。 6.流量调节后，须稳定一段时间，方可测取有关数据。 7.实验结束后，先打开平衡阀，关闭出口控制阀，再关闭离心泵和总电 源。 8.实验数据: (1)实验数据记录表: 流体流动阻力测定实验数据记录表 涡轮流量变送器型 号:990884 仪表常数:332.66转/L 管子材料:镀锌白铁管 管子长度:2m 管子内经:20mm 管子内经(局部):32mm 水温:18.0? 水的密度:0.9985g/ml 水的粘度:1.0559mPa?s 汞密度13.5507g/ml 局部 序频直管阻力 阻力 右侧号 率 左侧读数f(左侧汞柱右侧汞 读数(mm转hl(mmHg) 柱 (mm) /s) hr(mmH ) g) 218.0 770.0 1 534 770.0 235.0 286.4 701.2 2 462 703.2 301.8 341.6 645.5 3 394 650.0 355.0 389.0 591.0 4 325 603.5 401.5 431.0 550.0 5 253 563.5 439.5 450.5 530.4 6 194 539.5 463.5 466.5 518.5 7 164 529.0 474.0 472.0 514.0 8 145 523.0 480.0 477.5 507.5 9 122 516.5 486.5 481.5 502.5 10 102 512.5 490.5 487.0 499.0 11 75 508.0 494.0 489.5 496.5 12 55 505.5 497.5 491.0 495.0 13 45 504.0 498.0 492.5 494.0 14 33 503.0 499.0 - 7 - 直管阻力数据整理表 序频率左侧右侧汞流量流速汞柱压直管Re*10摩擦-4号 f(转汞柱柱qv*1雷诺系数u差阻力3/s) hlhr(mmHg0m3(m/R(mm) Wf(J/数 λ*102(mmH) /s s) Kg) g) 1 534 770.0 235.0 1.61 5.11 535.0 65.91 9.66 5.05 2 462 703.2 301.8 1.39 4.42 401.4 49.45 8.36 5.06 3 394 650.0 355.0 1.18 3.77 295.0 36.34 7.13 5.11 4 325 603.5 401.5 0.98 3.11 202.0 24.89 5.88 5.15 5 253 563.5 439.5 0.76 2.42 124.0 15.28 4.58 5.21 6 194 539.5 463.5 0.58 1.86 76.0 9.36 3.51 5.43 7 164 529.0 474.0 0.49 1.57 55.0 6.78 2.97 5.50 8 145 523.0 480.0 0.44 1.39 43.0 5.30 2.62 5.50 9 122 516.5 486.5 0.37 1.17 30.0 3.70 2.21 5.42 10 102 512.5 490.5 0.31 0.98 22.0 2.71 1.85 5.69 11 75 508.0 494.0 0.23 0.72 14.0 1.72 1.36 6.70 12 55 505.5 497.5 0.17 0.53 8.0 0.99 1.00 7.12 13 45 504.0 498.0 0.14 0.43 6.0 0.74 0.81 7.97 14 33 503.0 499.0 0.10 0.32 4.0 0.49 0.60 9.88 计算示例: qv=f/ξ=534/332.66=1.605L/s u=qv/(3.14*0.01*0.01)=5.11m/s Re*0.0001=dup/μ=0.02*5.11*998.5/0.0010559=9.664 Wf=R*(ρ汞-ρ水)*g/ρ水=535.0*0.001*(13550.7-998.5)*9.8/998.5=65.910J/kg λ*100=Wf*2*d/(l*u*u)=65.910*2*0.02/(2*5.11*5.11)=5.05 - 8 - 局部阻力数据整理表 序频率流量q×流速左侧右侧压差计局部阻力局部v33'号 f(rad/s) 10(m/s) u(m/s) 读数读数读数W(J/kg) 阻力f (mm) (mm) R(mmHg) 系数 ? 1 534 1.605 1.996 218.0 770.0 552.0 68.6 34.4 2 462 1.389 1.727 286.4 701.2 414.8 51.6 34.6 3 394 1.184 1.473 341.6 645.5 303.9 37.8 34.8 4 325 0.977 1.215 389.0 591.0 202.0 25.1 34.0 5 253 0.761 0.946 431.0 550.0 119.0 14.8 33.1 6 194 0.583 0.725 450.5 530.4 79.9 9.9 37.8 7 164 0.493 0.613 466.5 518.5 52.0 6.5 34.4 8 145 0.436 0.542 472.0 514.0 42.0 5.2 35.5 9 122 0.367 0.456 477.5 507.5 30.0 3.7 35.9 10 102 0.307 0.381 481.5 502.5 21.0 2.6 35.9 11 75 0.225 0.280 487.0 499.0 12.0 1.5 38.0 12 55 0.165 0.206 489.5 496.5 7.0 0.9 41.2 13 45 0.135 0.168 491.0 495.0 4.0 0.5 35.2 14 33 0.099 0.123 492.5 494.0 1.5 0.2 24.5 平均局部阻力系数= 34.9 计算示例: 仪表系数用序号1的数据举例: ?=332.66 转/L 33管内径:0.032m ;18?时,水的密度为998.5Kg/m, 汞的密度为13550.7Kg/m 流量q=f/? v =534/332.66=1.605L/s 流速u=q/A=1.605/1000/(3.1415926/4*0.032*0.032)=1.996m/s v '局部阻力W=R*g*(p汞-p水)/p水=0.552*9.81*(13.5507-0.9985)/0.9985=68.616J/kg f '2局部阻力系数?=2*W/u=2*68.616/(1.996*1.996)=34.447 f - 9 - λ--R 1.000 1000100001000001000000 λ 0.100 0.010 R 由图可知:当ε/d一定时，λ随Re的增大而减小，Re增大至某一数值后，λ下降减慢，实验数据变化趋势与理论结果一致，某些点偏离较远，可能上装置系统误差、读数误差、数据稳定时间不够、水的物理性参数不准确及偶然误差等原因。总体来说，实验结果符合理论情况。建议加强整个系统的密封性。 11.思考题: 1. 平衡阀是为了保持U型压差计两侧管中水银液面相平;防止在排气水银溢出。 在实验前、排气过程中、实验后打开平衡阀;在排气结束后到实验结束前关 闭平衡阀。 2. 因为对数可以把乘、除变成加、减，用对数坐标既可以把大数变成小数，又 可以把小数扩大取值范围，使坐标点更为集中清晰，作出来的图一目了然. 3. 能,不同管径和不同水温，即d、μ和ρ不同，因为Re=duρ/μ,只要保证Re 数值不变，λ-Re数据就能关联到一条曲线上。 4. 能，因为λ与管路的ε/d和流体的流动状态有关，与流体的性质无关。κκ κκ 5. 流体流过这两段管子的阻力相同，而管子两端的压差不同。由W=λf2*(l/d)*(u/2)知，管长l、管径d、相对粗糙度ε/d及流速u都相同时，两 管W也相同。水平直管中压差ΔP=R*(ρ汞-ρ水)*g,而倾斜管中ΔP=R*(ρf 汞-ρ水)*g+ρ水*g(h-h),故管子两端的压差不同。 12 - 10 -