摘要:
本实验通过测定流体在不同管路中流动时的流量qv、测压点之间的压强差ΔP,结合已知的管路的内径、长度等数据,应用机械能守恒式算出不同管路的λ‐Re变化关系及突然扩大管的?-Re关系。从实验数据分析可知,光滑管、粗糙管的摩擦阻力系数随Re增大而减小,并且光滑管的摩擦阻力系数较好地满足Blasuis关系式: 。突然扩大管的局部阻力系数随Re的变化而变化。
一、 目的及任务
①掌握测定流体流动阻力实验的一般实验方法。
②测定直管的摩擦阻力系数λ及突然扩大管和阀门的局部阻力系数ξ。
③验证湍流区内摩擦系数λ为雷诺数Re和相对粗糙度的函数。
④将所得光滑管λ-Re方程与Blasius方程相比较。
二、 基本原理
1. 直管摩擦阻力
不可压缩流体,在圆形直管中做稳定流动时,由于黏性和涡流的作用产生摩擦阻力;流体在流过突然扩大、弯头等管件时,由于流体运动的速度和方向突然变化,产生局部阻力。影响流体阻力的因素较多,在工程上通常采用量纲分析方法简化实验,得到在一定条件下具有普遍意义的结果,其方法如下:
流体流动阻力与流体的性质,流体流经处的几何尺寸以及流动状态相关,可表示为:
△p=?(,,,ρ, μ, ε)
引入下列无量纲数群。
雷诺数
相对粗糙度
管子长径比
从而得到
令
可得到摩擦阻力系数与压头损失之间的关系,这种关系可用实验方法直接测定。
式中
——直管阻力,J/kg;
——被测管长,m;
——被测管内径,m;
——平均流速,m/s;
——摩擦阻力系数。
当流体在一管径为的圆形管中流动时,选取两个截面,用U形压差计测出这两个截面间的静压强差,即为流体流过两截面间的流动阻力。根据伯努利方程找出静压强差和摩擦阻力系数的关系式,即可求出摩擦阻力系数。改变流速科测出不同Re下的摩擦阻力系数,这样就可得到某一相对粗糙度下的λ-Re关系。
(1)湍流区的摩擦阻力系数
在湍流区内。对于光滑管,大量实验证明,当Re在范围内,与Re的关系式遵循Blasius关系式,即
对于粗糙管,与Re的关系均以图来表示。
(2)层流的摩擦阻力系数
2. 局部阻力
式中,ξ为局部阻力系数,其与流体流过管件的集合形状及流体的Re有关,当Re大到一定值后,ξ与Re无关,为定值。
三、 装置和流程
本实验装置如图,管道水平安装,实验用水循环使用。其中No.1管为层流管,管径Φ(6×1.5)mm,两测压管之间的距离1m;No.2管安装有球阀和截止阀两种管件,管径为Φ(27×3)mm;No.3管为Φ(27×2.75) mm不锈钢管;No.4为Φ(27×2.75) mm镀锌钢管,直管阻力的两测压口间的距离为1.5m;No.5为突然扩大管,管子由Φ(22×3) mm扩大到Φ(48×3) mm;a1、a2为层流管两端的两测压口;b1、b2为球阀的两测压口;c1、c2表示截止阀的两测压口;d1、d2表示不锈钢管的两测压口;e1、e2表示粗糙管的两测压口;f1、f2表示突然扩大管的两测压口。系统中孔板流量计以测流量。
四、 操作要点
① 启动离心泵,打开被测管线上的开关阀及面板上与其对应的切换阀,关闭其他开关阀和切换阀,确保测压点一一对应。
② 系统要排净气体使液体连续流动。设备和测压管线中的气体都要排净,检验的方法是当流量为零时,观察U形压差计的两液面是否水平。
③ 读取数据时,应注意稳定后再读数。测定直管摩擦阻力时,流量由大到小,充分利用面板量程测取10组数据。测定突然扩大管、球阀和截止阀的局部阻力时,各取3组数据。本次实验层流管不做测定。
④ 测完一根管数据后,应将流量调节阀关闭,观察压差计的两液面是否水平,水平时才能更换另一条管路,否则全部数据无效。同时要了解各种阀门的特点,学会使用阀门,注意阀门的切换,同时要关严,防止内漏。
五、 数据处理
(1)、原始数据
水温:24.3℃
密度:1000kg/m³
粘度:μ=1.305
1)、不锈钢管 d=21mm l=1.50m
2)、镀锌钢管 d=21.5mm l=1.50m
3)、突然扩大 d1=15.5mm l1=140mm d2=42.0mm l2=280mm
4)、层流管 d=2.9mm l=1.00m
2、数据处理
1)不锈钢管,镀锌管以及层流管的雷诺数和摩擦阻力系数用以下公式计算
雷诺数
式中
——直管阻力,J/kg;
——被测管长,m;
——被测管内径,m;
——平均流速,m/s;
——摩擦阻力系数。
2)突然扩大管的雷诺数及摩擦阻力系数由以下公式计算
雷诺数
摩擦阻力系数
3、数据处理结果如下表所示
直管阻力数据处理记录表
数据处理示例:
1、 光滑管:T=20.0℃时水的密度,粘度
以光滑管第4组数据为例:
qv=3.11 m³/h ΔP=4.63kPa d=21.0 mm l=1.50 m
2、 粗糙管:
以粗糙管第4组数据为例:
3、 突然扩大管:
以第1组数据为例:
31840.83
4、 层流管:
以第4组数据为例:
d=2.9mm l=1.00m
由上述数据可以得到以下图形:
七、实验结果分析:
由上面图表中的数据信息可以得出以下结论:
1、当Re>4000时,流动进入湍流区,摩擦阻力系数λ随雷诺数Re的增大而减小。至足够大的Re后,λ-Re曲线趋于平缓;
2、实验测出的光滑管λ-Re曲线和利用Blasius关系式得出的λ-Re曲线比较接近,说明当Re在范围内,λ与Re的关系满足Blasius关系式,即;
3、突然扩大管的局部阻力系数随流量的减小而增大;
4、在Re<2000范围内,流体流动为层流,实验所得层流管的摩擦阻力系数λ随Re的变化趋势与公式特性曲线相差较远,可能原因是在调节流量和时间控制中未把握好,人为造成了实验误差,并且流量过大,导致流体并非层流状态。
八、 思考题
1.在测量前为什么要将设备中的空气排净?怎样才能迅速地排净?
答:排气是为了保证流体的连续流动。先打开出口阀排除管路中的气体,然后关闭出口阀,打开U形压差计下端的排气阀。
2.在不同设备、不同温度下测定的λ-Re数据能否关联在一条曲线上?
答:只要相对粗糙度相同,λ-Re数据就能关联到一条曲线上。
3.以水为工作流体所测得的摩擦阻力系数与雷诺数的关系是否适用于其他流体
答:不适用,粘度不同。
4.测出的直管摩擦阻力与设备的放置状态有关吗?为什么?
答:无关。
根据机械能守恒有
U形压差计的
所以不变,故λ不会改变。
5.如果要增加雷诺数的范围 ,可采取哪些措施?
答:雷诺数
故可增大管径、增大流速等方法使雷诺数增大。
北京化工大学
化工原理实验报告
实验名称:流体流动阻力测定
班 级:化 工 1005
学 号:2010011136
姓 名:江海洋
同 组 人:方 郡,王彬,刘玥波
实验日期: 2012.10.17
第二篇:化工原理实验一(流体流动阻力的测定)
实验报告
课程名称: 过程工程原理实验 指导老师: 成绩:_____________
实验名称: 流体流动阻力的测定 实验类型: 验证型
同组学生姓名: 贾丙西、王建璞、张茜
一、实验目的和要求(必填) 二、实验内容和原理(必填)
三、主要仪器设备(必填) 四、操作方法和实验步骤
五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析(必填)
七、讨论、心得
一、 实验目的
1. 掌握测定流体流经直管、管件(阀门)时阻力损失的一般实验方法。
2. 测定直管摩擦系数与雷诺准数的关系,验证在一般湍流区内与的关系曲线。
3. 测定流体流经管件(阀门)时的局部阻力系数。
4. 识辨组成管路的各种管件、阀门,并了解其作用。
二、 实验内容和原理
流体通过由直管、管件和阀门等组成的管路系统时,由于粘性剪应力和涡流应力的存在,要损失一定的机械能。流体流经直管时所造成机械能损失称为直管阻力损失。流体通过管件、阀门时因流体运动方向和速度大小改变所引起的机械能损失称为局部阻力损失。
1.直管阻力摩擦系数的测定
流体在水平等径直管中稳定流通时,由阻力损失公式可求得阻力系数公式:
其中直管内径、直管长度已知,流体密度由测得温度查表可以得到,流体流经l米直管的压力降由实验测得。流体在管内流动的平均流速u可通过测定流体流量,再由管径计算得到。公式如下所示:
式中:V为流量计测得的流量,m3/h。可有实验测得。
当管内为湍流时,有雷诺数公式
式中,Re为雷诺准数,无因次;为流体粘度,kg/(ms),可通过查手册得知。
湍流时是雷诺数和相对粗糙度的函数,故可由实验测得的数据作出曲线,并求出相对粗糙度。
2.局部阻力系数的测定
流体通过某一管件或阀门时的机械能损失表示为流体在小管径内流动时平均动能的某一倍数,局部阻力的这种计算方法,称为阻力系数法。公式为:
其中流体密度由实验时测得温度查表得到,局部阻力压强降由实验直接测得,流体在小截面管中的平均流速u可有实验直接测得的流量转化得到。
三、 实验仪器设备
实验对象部分由储水箱,离心泵,不同管径、材质的水管,各种阀门、管件,涡轮流量计和倒U型差压计等组成。管路部分有三段并联长直管,同时在粗糙管直管和光滑管直管上分别装有闸阀和截止阀,用于测定不同种类阀门的局部阻力系数。装置参数如下表所示。
表3.1装置参数表
四、 实验步骤
1. 开启仪表柜上总电源和仪表电源开关。
2. 对水泵灌水,关闭泵出口阀,启动泵,待电机转动平稳后,缓缓调整出口阀至最大。
3. 全开流量调节阀,排除测试管内空气。
4. 实验从最大流量开始做起,最小流量控制在以上,每次调节流量变化使得本次流量约为上次流量的0.85倍,待参数稳定后再读数,同时读取不同流量下的压差、流量和温度等有关参数。
5. 实验结束,关闭泵出口阀,关闭水泵电机,关闭仪表电源和总电源开关,将实验装置恢复原状。
6. 根据实验原理,分别绘制出粗糙管和光滑管的曲线,求出两类阀门的值,并分析实验结果。
五、 实验数据记录与处理
1.光滑管测定与曲线绘制
表5.1 原始数据
要计算和,需先由以下公式求得流速
由以下公式求得
再由以下公式求得雷诺数
结果如下表所示
表5.2 计算结果
图5.1 光滑管曲线
对照课本图1-32,读出本曲线对应的相对粗糙度约为0.001
2.光滑管阀门值测定
表5.3 原始数据
要计算,需先由公式求得流速
由下述公式求得阀门处压降
再由以下公式求得局部阻力系数
结果如下表
表5.4 值计算结果
3.粗糙管测定与曲线绘制
表5.5 原始数据
计算方法与使用公式同上,可得到下表:
表5.6 计算结果
图5.2 粗糙管曲线
对照课本图1-32,无法读出相对粗糙度。
4.粗糙管截止阀值测定
表5.7 原始数据
经过类似光滑管局部阻力系数计算方法,得到下表
表5.4 值计算结果
六、 实验结果与分析
1.曲线分析
从绘制曲线图形来看,光滑管和粗糙管的曲线在测量范围内无法很好的符合教材上已知的曲线,从实验所得的光滑管的曲线我们大致可以估计出相对粗糙度为0.001,但是却无法从粗糙管的曲线中估计相对粗糙度,这也说明实验中存在较大误差。
2.局部阻力系数对比分析
实验结果为截止阀局部阻力系数平均值为7.80,闸阀局部阻力系数平均值为1.59,。从实验结果来看,闸阀局部阻力系数远小于截止阀,符合两类阀门的特性。但是和理论上的局部阻力系数相比误差较大,说明实验中存在较大误差。
3. 误差分析
误差可能主要来源于实验仪器的不精确导致的系统误差和测量过程中读数导致的人为误差,比如读数时仪器上显示值不断在变,我们读数时未等流体稳定下来就读取了变化数中的一个值,这就引进了误差,而且环境因素也会导致一定误差。
七、 实验心得
本次实验是进行流体流动阻力的测定,通过本实验,我更加深入的理解了相关的理论知识,从实际操作中巩固并掌握了测定流体流经直管、管件是阻力损失的方法,并进行直管摩擦系数与雷诺准数关系的验证,让我对理论知识有了更彻底的认识,让我将理论知识联系实验,在实验中理解理论知识,强化理论知识。而且,通过本实验的曲线的绘制,使我对origin软件重新熟悉,并熟练掌握。最重要的一点是在实验中对实验仪器的学习研究,因为以前没接触如此一整套系统的实验装置来进行实验,所以也使我们对整套系统开始由了深入的了解和学习,将理论和实际能结合的更加紧密。