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1、化 工 原 理 实 验- 1 -流体流动阻力的测定17321001 1120102761 王晓鸽一、实验目的1. 掌握测定流体流经直管、管件和阀门时阻力损失的实验方法。2. 测定直管摩擦系数 与雷诺准数 Re 的关系，验证在一般湍流区 与Re 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. 学会流量计和压差计的使用方法。5. 识辨组成管路的各种管件、阀门，并了解其作用。二、实验原理流体通过由直管、管件（如三通和弯头等）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
2、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动时，阻力损失为：=12 =22即，=22式中： 直管阻力摩擦系数，无因次；直管内径， ； 流体流经 米直管的压力降， ； 单位质量流体流经 米直管的机械能损失， ； J/kg化 工 原 理 实 验- 2 -流体密度， ； kg/m3直管长度， ； 流体在管内流动的平均流速， 。 m/s层流流时，=64湍流时 是雷诺准数 和相对粗糙度 的函数，须由实验确定。 (/)欲测定 ，需确定 、 ，测定 、 、 、 等参数。 、 为装置参数 l d l d（装置参数表格中给出） ， 、 通过测定流体温度
3、，再查有关手册而得， 通过测定流体流量，再由管径计算得到。 可用 型管、倒置 型管、测 U U压直管等液柱压差计测定，或采用差压变送器和二次仪表显示。求取 和后，再将 和 标绘在双对数坐标图上。 2局部阻力系数 的测定局部阻力损失通常有两种表示方法，即当量长度法和阻力系数法。本实验采用阻力系数法。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。即：= =22因此 ，=22式中： 局部阻力系数，无因次；局部阻力压强降， ；（本装置中，所测得的压降应扣除两测 压口间直管段的压降，直管段的压降由直管阻力实验结果求取。 ）流体密
4、度， ； kg/m3流体在管内流动的平均流速， 。 m/s化 工 原 理 实 验- 3 -根据连接阀门两端管径 ，流体密度 ，流体温度 （查流体物性 、d 0 0 ） ，及实验时测定的流量 、压差计读数，求取阀门的局部阻力系数 。 三、实验内容1. 根据粗糙管实验结果，在双对数坐标纸上标绘出 曲线，对照 化工原理教材上有关曲线图，即可估算出该管的相对粗糙度和绝对粗糙度。2. 根据光滑管实验结果，对照柏拉修斯方程，计算其误差。3. 测定闸阀在不同开度时的阻力系数 。4. 对实验结果进行分析讨论。四、实验装置与流程1. 实验装置流程图流体流动阻力测定实验装置流程示意图1水箱； 2管道泵；3涡轮流量
5、计；4进口阀；5均压阀；6闸阀；7引压阀；8压力变送器；9出口阀；10排水阀；11电气控制箱化 工 原 理 实 验- 4 -2. 实验流程实验对象部分是由贮水箱，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 型压差计等所组成的。管路部分有三段并联的长直管，分别为用于测定局部阻力系数，光滑管直管阻力系数和粗糙管直管阻力系数。测定局部阻力部分使用不锈钢管，其上装有待测管件(闸阀)；光滑管直管阻力的测定同样使用内壁光滑的不锈钢管，而粗糙管直管阻力的测定对象为管道内壁较粗糙的镀锌管。水的流量使用涡轮流量计测量，管路和管件的阻力采用差压变送器将差压信号传递给无纸记录仪。3. 设备的主
6、要技术参数测光滑直管段：管径 d=0.020 m，测压点间距离 L=1.00 m，材料为不锈钢。被测粗糙直管段：管径 d=0.021 m，测压点间距离 L=1.00 m，材料为镀锌铁。被测局部阻力直管段：管径 d=0.020 m, 长度 0.95 m。压差传感器：型号为 3351DP4E22B3，测量范围为 015 kPa。离心泵：型号为 MS60/37SS，流量为 3.6 m3/h，扬程为 14.6 m，电机功率为 370W，转速 2850rpm。涡轮流量计：型号为 LWGY20。五、实验步骤1. 检查储水槽内水位是否正常，若缺水须加水至满，实验中注意保持水体清洁。2. 检查所有阀门并将阀门
7、关紧。化 工 原 理 实 验- 5 -3. 打开总电源和仪表开关，启动水泵至自动档，待电机转动平稳后，把出口阀开到最大。4. 排气：选择实验管路，把对应的进口阀，引压阀和差压变送器 8 的两个阀门打开，并在出口阀最大开度下，保持全流量流动 5min 左右，直至连接差压变送器的透明管路内气泡为止。5. 关闭差压变送器 8 的两个阀门，在计算机监控界面点击该对应管路，则差压变送器开始检测该管路压差。6. 流量调节：手动状态，调节流量，让流量从 15 范围内变化，3/建议每次实验变化 0.250.3 。每次改变流量，待流动达到稳定后，3/记下对应的压差值，温度，流量。7. 依次选择光滑管、粗糙管以及
8、局部阻力管路进行测量，数据测量完毕，关闭所有阀门，关闭水泵和仪表电源。 。五、实验数据记录与处理1原始数据记录。(1)光滑管数据记录序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12流量 3/5.00 4.64 4.31 3.91 3.63 3.23 2.91 2.62 2.32 2.04 1.63 1.23压差 6.95 6.15 5.25 4.45 3.86 3.15 2.60 2.12 1.70 1.34 0.90 0.54温度 19.4 19.5 19.6 19.7 19.7 19.8 19.9 19.9 19.9 19.9 19.9 19.9(2) 粗糙管数据记录序号 1 2
9、 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12流量 3/4.99 4.62 4.30 3.90 3.62 3.21 2.91 2.61 2.30 2.02 1.62 1.22压差 9.60 8.20 7.15 5.80 5.12 4.01 3.30 2.70 2.06 1.64 1.09 0.60温度 20.0 20.0 19.9 20.0 20.1 20.1 20.2 20.2 20.3 20.4 20.5 20.6化 工 原 理 实 验- 6 -(3) 局部阻力测量数据记录类型 半开 全开序号 1 2 1 2流量 3/2.04 1.24 2.01 1.23压差 7.95 2.97 1.51
10、 0.62温度 21.1 21.2 21.2 21.12根据粗糙管实验结果，在双对数坐标纸上标绘出 曲线，对照化工原理教材上有关曲线图，即可估算出该管的相对粗糙度和绝对粗糙度。经计算知在实验测量过程中，平均温度值为 ，查表后由内插法计20.2算可知在此温度下， ； 。=998.2kg/m3 =1.005103欲测定 ，需确定 、 ，测定 、 、 、 等参数。粗糙管中，管径 l d ，测压点间距离 。根据公式：=0.021 l=1.00 对数据经计算后有：= 9002， =， =22序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12流量 3/ 4.99 4.62 4.3 3.9 3.62
11、 3.21 2.91 2.61 2.3 2.02 1.62 1.22压差 9.57 8.2 7.15 5.88 5.08 4.01 3.30 2.66 2.07 1.63 1.07 0.62(/)4.00 3.71 3.45 3.13 2.90 2.57 2.33 2.09 1.84 1.62 1.30 0.98Re 83472 77283 71930 65239 60555 53696 48678 43660 38474 33790 27099 20408 0.0251 0.0251 0.0253 0.0253 0.0254 0.0255 0.0255 0.0255 0.0256 0.026
12、1 0.0267 0.0272lnRe 11.332 11.255 11.183 11.086 11.011 10.891 10.793 10.684 10.558 10.428 10.207 9.924ln -3.683 -3.684 -3.677 -3.677 -3.675 -3.671 -3.669 -3.667 -3.665 -3.645 -3.624 -3.603，因此判断在管内流体流动方式为湍流。4000做出 曲线如下图所示，根据教材有关图线，查表知相对粗糙度，可计算得绝对粗糙度 。/=0.002 =0.042另外，从图线可以看出，随 的不断增大， 逐渐减小。 化 工 原 理 实
13、验- 7 -摩擦系数 曲线3. 根据光滑管实验结果，对照柏拉修斯方程，计算其误差。经计算知在实验测量过程中，平均温度值为 ，查表后由内插法19.8计算可知在此温度下， ； 。=998.2kg/m3 =1.005103对数据进行与粗糙管相同方法的计算，并根据 Blasius 方程计算在 Re条件下的 理论值，计算实验值与理论值的相对误差（相对误差公式为 ） 。计算结果如下表所示：理 论值 实验值理 论值 100%序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12流量 3/ 5.00 4.64 4.31 3.91 3.63 3.23 2.91 2.62 2.32 2.04 1.63 1.2
14、3压差 6.95 6.15 5.25 4.45 3.86 3.15 2.60 2.12 1.70 1.34 0.90 0.54(/)4.01 3.72 3.46 3.14 2.91 2.59 2.33 2.10 1.86 1.64 1.31 0.99Re 83639 77617 72097 65406 60722 54031 48678 43827 38809 34125 27266 20575 0.0182 0.0187 0.0185 0.0190 0.0192 0.0198 0.0201 0.0202 0.0207 0.0211 0.0222 0.0233lnRe 11.334 11.260 11.186 11.088 11.014 10.897 10.793 10.688 10.566 10.438 10.213 9.932ln -4.007 -3.980 -3.991 -3.961 -3.955 -3.925 -3.908 -3.902 -3.879 -3.860 -3.809 -3.757理 论 0.0186 0.0190 0.0193 0.0198 0.0202 0.0208 0.0213 0.0219 0.0225 0.0233 0.0246 0.0264化 工 原 理 实 验- 8 -相对误差 2.25% 1.42% 4.25% 3.76% 4.92%
