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1、本科生实验报告实验课程 化工原理 学院名称 材料与化学化工学院 专业名称 学生姓名 学生学号 指导教师 曾英 、曹语晴 实验地点 测试楼 实验成绩 二 年 月 二 年 月39实验一 管路流体阻力的测定 同组实验同学： 一、实验目的 研究管路系统中的流体流动和输送，其中重要的问题之一，是确定流体在流动过程中的能量损耗。 流体流动时的能量损耗（压头损失），主要由于管路系统中存在着各种阻力。管路中的各种阻力可分为沿程阻力（直管阻力）和局部阻力两大类。 本实验的目的，是以实验方法直接测定摩擦系数和局部阻力系数。二、实验原理 当不可压缩流体在圆形导管中流动时，在管路系统内任意二个截面之间列出机械能衡算方
2、程为或 式中；Z一流体的位压头，m液柱； P流体的压强，Pa； U一流体的平均流速，ms-1 h；一单位质量流体因流体阻力所造成的能量损失，Jkg-1 Hf一单位重量流体因流体阻力所造成的能量损失，即所谓压头损失，m 液柱；符号下标1和2分别表示上游和下游截面上的数值。 假若：（1）水作为试验物系，则水可视为不可压缩流体； （2）试验导管是按水平装置的，则Z1=Z2； （3）试验导管的上下游截面上的横截面积相同，则u1=u2.因此（1）和（2）两式分别可简化为 由此可见，因阻力造成的能量损失（压头损失），可由管路系统的两截面之间的压力差（压头差）来测定。 当流体在圆形直管内流动时，流体因摩擦阻
3、力所造成的能量损失（压头损失），有如下一般关系式： 或 式中；d一圆形直管的管径，m； l一圆形直管的长度，m； 一摩擦系数，【无因次】。 大量实验研究表明：摩擦系数又与流体的密度和粘度,管径d、流速u和管壁粗糙度有关。应用因次分析的方法，可以得出摩擦系数与雷诺数和管壁相对粗糙度d存在函数关系，即 通过实验测得和Re数据，可以在双对数坐标上标绘出实验曲线。当Re2000时，摩擦系数与管壁粗糙度无关。当流体在直管中呈湍流时，不仅与雷诺数有关，而且与管壁相对粗糙度有关。 当流体流过管路系统时，因遇各种管件、阀门和测量仪表等而产生局部阻力，所造成的能量损失（压头损失），有如下一般关系式： 或 式中：
4、u一连接管件等的直管中流体的平均流速，m s-1； 一局部阻力系数【无因次】。 由于造成局部阻力的原因和条件极为复杂，各种局部阻力系数的具体数值，都需要通过实验直接测定。三、实验装置 本实验装置主要是由循环水系统（或高位稳压水槽）、试验管路系统和高位排气水槽串联组合而成，每条测试管的测压口通过转换阀组与压差计连通。 压差由一倒置U形水柱压差计显示。孔板流量计的读数申另一倒置U形水柱压差计显示。该装置的流程如图2-1所示。图2-1 管路流体阻力实验装置流程1 循环水泵；2光滑试验管3粗糙试验管4扩大与缩小试验管；5孔板流量计；6阀门；7.转换阀组；8.高位排气水槽 试验管路系统是由五条玻璃直管平
5、行排列，经U形弯管串联连接而成。每条直管上分别配置光滑管、粗糙管、骤然扩大与缩小管、阀门和孔板流量计。每根试验管测试段长度月两测压口距离均为 0.6m。流程图中标出符号 G和 D分别表示上游测压口（高压侧）和下游测压口 低压侧）。测压口位置的配置，以保证上游测压口距U形弯管接口的距离，以及下游测压口距造成局部阻力处的距离，均大于50倍管径。 作为试验用水，用循环水泵或直接用自来水由循环水槽送入试验管路系统，由下而上依次流经各种流体阻力试验管，最后流人高位排气水槽。由高位排气水槽溢流出来的水，返回循环水槽。 水在试验管路中的流速，通过调节阀加以调节。流量由试验管路中的孔板流量计测量，并由压差计显
6、示该数。 四、实验方法 实验前准备工作须按如下步骤顺序进行操作： （1）先将水灌满循环水槽，然后关闭试验导管入口的调节阀，再启动循环水泵。待泵运转正常后，先将试验导管中的旋塞阀全部打开，并关闭转换阀组中的全部旋塞，然后缓慢 开启试验导管的入口调节阀。当水流满整个试验导管，并在高位排气水槽中有溢流水排出 时，关闭调节阀，停泵。 （2）检查循环水槽中的水位，一般需要再补充些水，防止水面低于泵吸入口。 （3）逐一检查并排除试验导管和联接管线中可能存在的空气泡。排除空气泡的方法是，先将转换阀组中被检一组测压口旋塞打开，然后打开倒置U形水柱压差计顶部的放空阀，直至排尽空气泡再关闭放空阀。必要时可在流体流
7、动状态下，按上述方法排除空气泡。 （4）调节倒置U形压差计的水柱高度。先将转换阀组上的旋塞全部关闭，然后打开压差计顶部放空阀，再缓慢开启转换阀组中的放空阀，这时压差计中液面徐徐下降。当压差计中的水柱高度居于标尺中间部位时，关闭转换阀组中的放空阀。为了便于观察，在临实验前，可由压差计项部的放空处，滴入几滴红墨水，将压差计水柱染红。 （5）在高位排气水槽中悬挂一支温度计，用以测量水的温度。 （6）实验前需对孔板流量计进行标定，作出流量标定曲线。 实验测定时，按如下步骤进行操作： （1）先检查试验导管中旋塞是否置于全开位置，其余测压旋塞和试验系统入口调节阀是否全部关闭。检查毕启动循环水泵。（2）待泵
8、运转正常后，根据需要缓慢开启调节阀调节流量，流量大小由孔板流量计的压差计显示。（3）待流量稳定后，将转换阀组中，与需要测定管路相连的一组旋塞置于全开位置，这时测压口与倒置U形水柱压差计接通，即可记录由压差计显示出压强降。 （4）当需改换测试部位时，只需将转换阀组由一组旋塞切换为另一组旋塞。例如，将G1和D1一组旋塞关闭，打开另一组G2和D2 旋塞。这时，压差计与G1和D1测压口断开，而与G2和D2测压口接通，压差计显示读数即为第二支测试管的压强降。以此类推。 （5）改变流量，重复上述操作，测得各试验导管中不同流速下的压强降。 （6）当测定旋塞在同一流量不同开度的流体阻力时，由于旋塞开度变小，流
9、量必然会随之下降，为了保持流量不变，需将入口调节阀作相应调节。 （7）每测定一组流量与压强降数据，同时记录水的温度。实验注意事项： （1）实验前务必将系统内存留的气泡排除干净，否则实验不能达到预期效果。（2）若实验装置放置不用时，尤其是冬季，应将管路系统和水槽内水排放干净。五、实验数据记录及整理 （1）实验基本参数 试验导管的内径 d17 mm 试验导管的测试段长度l 600 mm 粗糙管的粗糙度= 0.4 mm 粗糙管的相对粗糙度/d= 0.0235 mm 孔板流量计的孔径d0= 11 mm旋塞的孔径dv= 12 mm （2）流量标定曲线 （3）实验数据实验序号1234567孔板流量计的压差
10、计读数,R/mmHg658553497427354277198实验序号1234567孔板流量计的压差计读数,R/mmHg658553497427354277198水的流量,Vs/m3s-12.2582.071.9621.8191.6561.4651.239水的流速,u/ms-10.9950.9120.8650.8010.730.6450.546水的温度,T/24.624.524.324.92423.723.6水的密度,/kgm-3997.2997.2997.3997.1997.3997.4997.4水的粘度,104/Pas9.029.049.088.969.149.219.23光滑管压头损失,
11、Hf1/mmH2O 64615243383125粗糙管压头损失, Hf2/mmH2O2001741561341159062旋塞压头损失（全开）Hf1/mmH2O2051791611301159264孔板流量计压头损失, Hf2/mmH2O506421377338271212153（4）数据整理实验序号1234567水的流速,u/ms-10.9950.9120.8650.8010.730.6450.546雷诺准数,Re/1.871.711.611.521.351.191光滑管摩擦系数,1/-0.0360.0410.0390.0370.040.0410.047粗糙管摩擦系数,2/-0.1120.1160.1160.1160.120.120.116孔板流量计局部阻力系数,1/-10.039.939.8910.339.999.9810.08旋塞的局部阻力系数（全开）,1/-4.064.224.233.974.244.334.22（5）标绘Re实验曲线雷诺准数,Re/0.2300.3260.3960.4610.515光滑管摩擦系数,1/-00550.0480.0480.0460.045粗糙管摩擦系数,2/-0.0710.0830.0850.0840.089孔板流量计局部阻力系数,1/-9.819.729.679
