化工原理-流体阻力实验报告(北京化工大学)

1、北京化工大学化工 原理实 验报告实验名称：流体阻力实验班 级:化工1305班姓 名:张玮航学 号： 2013011132 序号： 11同组人：宋雅楠、陈一帆、陈骏设备型号：流体阻力-泵联合实验装置 UPRSm型-第4套实验日期：2015-11-27一、实验摘要首先，本实验使用UPRS田型第4套实验设备，通过测量不同流速下水流经 不锈钢管、镀锌管、层流管、突扩管、阀门的压头损失来测定不同管路、局部件 的雷诺数与摩擦系数曲线。确定了摩擦系数和局部阻力系数的变化规律和影响因 素，验证在湍流区内 人与雷诺数Re和相对粗糙度的函数。该实验结果可为管路 实际应用和工艺设计提供重要的参考。结果，从实验数据分

2、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： 0.3163/0和5 o 突然扩大管的局部阻力系数随 Re的变化而变化。关键词：摩擦系数，局部阻力系数，雷诺数，相对粗糙度二、实验目的1、掌握测定流体流动阻力实验的一般实验方法：测量湍流直管的阻力，确定摩擦阻力系数。测量湍流局部管道的阻力，确定摩擦阻力系数。测量层流直管的阻力，确定摩擦阻力系数。2、验证在湍流区内摩擦阻力系数入与雷诺数Re以及相对粗糙度的关系。3、将实验所得光滑管的人-Reft线关系与Blasius方程相比较。三、实验原理1、直管阻力不可压缩流体在圆形直管中做稳

3、定流动时，由于黏性和涡流的作用会产生摩 擦阻力（即直管阻力）；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，会产生局部阻力。由于分子的流动过程的运动机理十分复 杂，目前不能用理论方法来解决流体阻力的运算问题，必须通过实验研究来掌握其规律。为了减少实验的工作量、化简工作难度、同时使实验的结果具有普遍的 应用意义，应采用基于实验基础的量纲分析法来对直管阻力进行测量。利用量纲分析的方法，结合实际工作经验，流体流动阻力与流体的性质、流体流经处的几何尺寸、流体的运动状态有关。可表示为：p f d,l, , , ,u o通过一系列的数学过程推导，引入以下几个无量纲数群：雷诺数:Re

4、du;相对粗糙度:d ;长径比:整理得到:du 1一1d ,d其中，令:Re，：d为直管阻力系数，则有Re，d2u万。阻力系数与压头损失之间的关系可通过实验测得，上式改写为:（式中Hf(1)直管阻力（J/kg）, 1 被测管长（m）, d 被测管内径（m）,U 一平均流速（m/s）,一直管中的摩擦阻力系数。）根据机械能衡算方程，实验测量HfgZi2P1u12He gZ2P22u22Hfg42UigZ2P22生He2-He2对于水平无变径直管道,2d p1 u2测量1 u（2）结合式（1）与式（2）可得摩擦系数:当流体在管径为d的圆形管中流动时选取两个截面，用 U形压差计测出 这两个截面的压强差

5、，即为流体流过两截面间的流动阻力。 通过改变流速可测出不同Re下的摩擦阻力系数，这样便能得到某一相对粗糙度下的Re关系。其中，经过大量实验后人们发现:1、层流圆直管（Re<2000）:入=MRe）即入=64/Re2、湍流水力学光滑管（Re>4000）:入=0.3163/Re2513、湍流普通直管（4000vRe<临界点）：入（Re, £ /d即11.74218.721og 一 d Re1.74 210g 2 d14、湍流普通直管（Re临界点）：人4（e /d即1 将上述经验结果归纳为表1 。表1摩擦阻力系数与雷诺数关系Re02000200040004000Re临界点

6、临界点以上（水力光滑管）Re640.31630.3163Blasius_ 0 25ReBlasius_ 0 25Re（粗糙管）Re641218.7» 1.74 21g 产d Re12下 1.74 21g dd直管段两端使用电子压差计来测量压差。对于任意一种流体，具直管摩擦系数人仅与Re和有关。因此只要在实验室的小规模装置上利用水作实验物系，进行有限量的实验，就可以确定 人与Re和的关系，从而计算任意流体在管路中的 流动阻力损失，这些结论就可以推广到工业生产实际中去。2、局部阻力流体的边界在局部地区发生急剧变化时，迫使主流脱离边壁而形成漩涡，流 体质点问产生剧烈的碰撞，所形成的阻力称为

7、局部阻力。局部阻力通常以当量长 度法或局部阻力系数法表示。本实验中采用局部阻力系数法。当量长度法：流体通过阀门或管件的局部阻力损失， 若与流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1e表示。在管路计算时，可求出管路与阀门的当量长度之和1e。如所计算的管路长度为l ,则流体在管路中流动的总阻力损失为:hf1 le u2局部阻力系数法：流体通过某一件阀门或管件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，即2he J Le2对于不同的阀门和管径变化，有着不同的局部阻力系数。局部阻力系数的大 小归结为一个表中。见表2

8、。表2局部阻力系数与局部结构关系（Re>4000）结构突扩管截止阀球阀21A1/A2=常数=常数在本实验中，由于管道是水平布置，则局部阻力系数计算式化简为:2 P2PiU22Ui（有变径）P1 2P2（无变径）和 1 U（式中，pi、P2分别为上下游截面压强差，U1、U2为两个管径内的平均流速，-流体密度）四、实验流程和设备图1流体阻力实验带控制点工艺流程1-水箱；2-水泵；3-涡轮流量计；4-主管路切换阀；5-层流管；6-截止阀；7-球阀；8-不锈钢管；9-镀锌钢管；10-突扩管；11-流量调节阀（闸阀）12-层流管流量阀（针阀）13-变频仪实验介质：水（循环使用）研究对象：不锈钢管，

9、l=1.500m,d=0.021m;镀锌管，l=1.500m,d=0.021m;突扩管，I1=0.020m,d1=0.016,l2=0.280m,d2=0.042;截止阀，DN20,d=0.021m;球阀，DN20,d=0.021m;层流管，l=1.500m,d=0.003m;仪器仪表：涡轮流量计，LWGY-25型，0.610m3/h,精确度等级0.5;温度计，Pt100,0200C,精度等级0.2压差传感器，WNK3051型，-20100kPa,精度等级0.2显示仪表：AI-708等，精度等级0.1。变频仪：西门子MM420 型。其他：计算机数据采集和处理，380VAC+220VAC五、实验

10、操作1、 准备工作及通用操作：1、开泵。打开各管路的切换阀门，关闭流量调节阀，按变频仪上绿色按钮启动泵，固定转速(f=50Hz),观察到泵出口表压力为0.2MPa左右时即可开始实 验。2、排气。排尽整个系统的气体，包括设备主管和测压管线中的气体。具体步骤为：全开压差传感器排气阀，打开流量调节阀11 数十秒钟后再关闭，这时流量为零，等待一段时间，观察压差传感器指示读数是否为0( +0.05kPa) ， 否则，要重新排气。对于测压管线排气：打开全部测压阀、压差传感器排气阀，查看 Ap孔板再次打开传感器排气阀，10秒后关闭，重复多次至零点不变，记录 Ap孔板。3、实验测取数据。打开镀锌管管路的切换阀

11、和测压管线上的切换阀，其余管路的切换阀和测压管线上的切换阀都关闭。流量由大到小，测取数据。4、测量球阀和截止阀数据的方法同上。2、不锈钢管实验：1、打开传感排气阀并记录 A Po2、打开不锈钢管测量管路切换阀，测压阀。3、打开流量调节阀从小到大调节流量，3.5m3/h 以上通过变频器调节，记录数据。3、镀锌管实验：1、打开传感排气阀并记录 A Po2、打开镀锌管测量管路切换阀，测压阀。关闭其他切换阀、测压阀。3、打开流量调节阀从小到大调节流量，3.5m3/h 以上通过变频器调节，记录数据。4、球阀、截止阀实验：1、打开传感排气阀并记录 A Po2、打开球阀、截止阀测量管路切换阀。关闭其他切换阀

12、、测压阀。3、打开球阀两端的测压阀。4、打开流量调节阀从小到大调节流量，3.5m3/h 以上通过变频器调节，记录数据。5、关闭球阀两端测压阀，开启截止阀两端测压阀，重复上述过程，记录数 据。5、层流管实验：1、打开传感排气阀并记录 A Po2、降低水泵频率。3、闭其他切换阀、测压阀。全开层流管流量阀。4、调节层流管路出口阀，改变管路压降，用量桶测量一定时间内流出的液 体量，并记录其重量。6、结束实验：关闭全部阀门，通过变频器关泵，关闭控制柜。切断电源，整理实验数 据，清理实验台。六、实验数据表格及计算举例1）流速 u4q m3 s d4 0.603.14 0.02152 36000.46 m

13、s2）雷诺数Re0.0215 0.46 996.3131.02 109960.23）摩擦系数2d p 2 0.0215 0.39 1000 八0 0.024lu996.3 1.5 0.461、湍流不锈钢管数据表A P0/kPal/md/me /mm0.001.5000.02150.02序号水流量qv/m3?h-1管路压降A /kPa水温度t/c水密度p /kg?m-3水粘度科/Pa?s水流速u/m?s-1雷诺数Re摩擦系数入入 blasius10.600.3920.0996.30.0010200.67136610.0250.02920.800.5720.0996.30.0010200.8417

14、2820.0230.02831.001.0020.0996.30.0010201.12230420.0220.02641.301.2820.0996.30.0010201.31268280.0210.02551.601.7220.0996.30.0010201.60329180.0190.02362.002.5620.0996.30.0010202.01411470.0180.02272.503.8720.0996.30.0010202.45501990.0180.02183.006.0820.0996.30.0010203.17650120.0170.02094.009.3020.0996.

15、30.0010204.04827880.0160.019105.0012.8520.0996.30.0010204.80984240.0160.018计算示例：以第一组为例2、湍流一镀锌管数据表A P0/kPal/md/me /mm0.001.5000.02150.10序 号水流量qv/m3?h-1管路压降A p/kPa水温度t/C水密度p /kg?m-3水粘度/Pa?s水流速u/m?s-1雷诺数Re摩擦系数入入 blasius10.760.4320.2996.30.0010170.58122510.0210.03021.000.7220.3996.30.0010140.77161560.02

16、70.02831.290.9620.3996.30.0010140.99208420.0280.02641.601.4820.3996.30.0010141.22258500.0350.02552.002.2020.3996.30.0010141.53323130.0410.02462.483.3620.4996.30.0010121.90401600.0510.02273.004.7420.4996.30.0010122.30485810.0590.02183.977.9920.4996.30.0010123.04642890.0760.02094.9912.1820.5996.30.001

17、0103.82809920.0920.019105.5115.3020.5996.30.0010104.22894320.1040.0184）理论摩擦系数Blasius0.254 9646计算示例：以第一组为例3、湍流一突扩管数据表A P0/kPa11/md1/m|2/md2/me /mm0.000.0200.01600.2800.04200.02序 号水流量 qv/m3?h-1局部压降A 展-1/kPa水温度t/C水密度p/kg ?m-3水粘度（j/Pa?s水流速,C -1u1/m?s水流速,C -1u2/m?s雷诺数Re1局部阻 力系数tt理论值11.980.7820.7996.12583

18、0.0010052.740.397434000.8740.73122.971.7520.7996.125830.0010054.110.596650990.8750.73134.023.0020.8996.100030.0010035.560.806883140.8810.73145.005.1120.9996.074230.0010006.911.0031100930.8720.7310.31630.31630.032Re1）流速u4qv(m3 s)d24 0.7623.14 0.02152 36000.58 m. s2)雷诺数Redu0.0215 0.58 996.3_ 31.017 10

19、122163）摩擦系数2d plu2 0.0215 0.43 1000996.3 1.5 0.580.0214）理论摩擦系数Blasius0.31630.3163R2r -42510.030计算示例：以第一组为例1）流速2)3)4)Ui3、4qv(m s)di23、4qv(m s)U22d2雷诺数Re1局部阻力系数dM理论局部阻力系数4 1.983.14 0.01602 36004 1.983.14 0.04202 36000.0160 2.74 996.131.0052U2P2-U119102.74 m. s0.397 m； s43670.20.3972 0.78 1000 996.22.7

20、420.874d22 20.016220.7310.0424、漏流截止阀（全开）A P0/kPad/m0.000.0205序 号水流量qv/m3?h-1局部压降Aj/kPa水温度t/C水密度p/kg ?m-3水粘度p/Pa?s水流速u/m?s-1雷诺数Re局部阻力系数t11.989.5221.5995.9190.0009871.67344916.87822.9921.7521.5995.9190.00098702.52520846.89134.0038.8521.5995.9190.0009873.37696786.8781）流速u，3、4qv(m s)d24 1.98_23.14 0.020

21、536001.67 m s2)雷诺数Redu0.0205 1.67 995.9190.00098734544计算示例：以第一组为例2 p 2 9.52 10003)局部阻力系数一2 2 6.86u 995.92 1.675、漏流一球阀（全开）A P0/kPad/m00000.000.02100.0000000序 号水流量qv/m3?h-1局部压降A p/kPa水温度t/C水密度p /kg?m-3水粘度/Pa?s水流速u/m?s-1雷诺数Re局部阻力系数t12.020.7621.6995.90.0009851.62344100.5822.991.5421.6995.90.0009852.4050

22、9330.5433.982.6121.6995.90.0009853.19677970.51计算示例：以第一组为例1）流速u4qv(m3 s)d24 2.02-Z2 3.14 0.02136001.62 ms2)雷诺数Redu0.021 1.62 995.9 4 343969.85 10 42 0.76 1000 cm 0.58995.9 1.6223）局部阻力系数2）流速u.，3、4qv(m s)d24 1.262 0.050 m. s3.14 0.0033600 10003)雷诺数Redu0.0030 0.05 995.90.0009851514）摩擦系数2dP lu22 0.0030 0

23、.28 1000995.9 1.5 0.0520.456、层流管数据表A P0/kPal/md/m0.001.5000.0030序 号水质 量/g时间/s管路压降A p/kPa水温 度 t/C水密度p /kg?m3水粘度a /Pa?s水流 速u/m?s-1雷诺 数Re摩擦系 数人入理论 值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

24、.4023.4995.40.0009450.288800.0730.0735135.950.001.9224.2995.20.0009290.3812370.0520.0526199.550.002.9925.0995.00.0009130.5618470.0380.0352 u计算示例：以第一组为例1）流量qv17.4(g) 36001.26(Lh)995.9(kg m g L) 50(s)5)理论摩擦系数64 -64 0.43Re 151七、实验结果作图及分析进行数据处理后利用Excel软件进行关系曲线的绘制，得到结果如下:摩擦系数臃雷诺数Re的变化关系1雷诺准数Re不锈钢管镀锌管 * 层

25、流管blasius理论值层流管理论值1、对光滑管与粗糙管的实验结果分析：对于光滑管，实验数值的阻力摩擦系数应大略微于等于理论值。通过实验测 出的光滑管（不锈钢管）的 人-R联系曲线与Blasius理论得出的曲线在Re临界 值之前十分接近，仅仅是略微较低于理论值。这说明了Blasius公式在Re=4000至临界值区间上与实际情况吻合得较好。当雷诺数继续增大后，阻力系数逐渐趋近于一个定值，此时实验曲线开始偏离理论曲线。即实验结果产生了微小偏差， 产生这种偏差的原因很可能是读数时压力波动有不稳定的情况，而我们在读取压力时进行了折中取值。对于粗糙管（镀锌管），具人-R联系曲线形态与光滑管大体相似，在雷

26、诺 数Re相同时，实验数值的阻力摩擦系数比光滑管的大， 其间的曲线关系应该位 于理论值曲线的上方。粗糙管内的摩擦阻力系数不仅随雷诺数的变化而变化， 其大小还与管道的相对粗糙度有直接关系。止匕外，粗糙管的人-R联系曲线与理 论曲线偏离明显，这说明Blasius公式对水力光滑管更加适用，而不适用于粗糙 管。结论：光滑管与粗糙管的摩擦阻力系数均随雷诺数 Re的增大而减小，当Re 增大到一定程度时，有一临界值，入逐渐趋于一个定值。此后的流动可以认为进 入了阻力平方区。2、对层流管的实验结果分析：对于层流管，在流速较低时（层流区内），数据点在大体落在理论曲线附近，呈线性分布，这表明实验结果与理论结果高度吻合。但随着流速增加，曲线较理论线有向下偏离，这与测量过程中的误差有一定关系。改进办法：延长测量流量的时间，并且在每次改变流速后多稳定一段时间，让管内流动更趋近于稳态来提高测量的稳定性。3、对突扩管的实验结果分析对于突扩管，在雷诺数相同时，局部阻力系数的实验数值大于理论值，且能够根据本实验结果得出不同流速下（湍流），突扩管的局部阻力系数大体相同的结论。 局部阻力系数的实验数值大于理论值的情况，很可能是由于局部件长时间使用后有一定程度的损耗造成