化工原理流体阻力实验报告.docx
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化工原理流体阻力实验报告
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：
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UPRSⅢ型-第4套
实验日期：
2015-11-27
一、实验摘要
首先，本实验使用UPRSⅢ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λ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。
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λ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λ-Re曲线关系与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：
。
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：
；
相对粗糙度：
；
长径比：
整理得到：
其中，令：
为直管阻力系数，则有
。
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：
（1）
（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），
—直管中的摩擦阻力系数。
）
根据机械能衡算方程，实验测量
：
（2）
对于水平无变径直管道，结合式
（1）与式
（2）可得摩擦系数：
测量
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，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
关系。
其中，经过大量实验后人们发现：
1、层流圆直管（Re<2000）：
λ=φ（Re）即λ=64/Re
2、湍流水力学光滑管（Re>4000）：
λ=
3、湍流普通直管（4000λ=φ（Re,ε/d）即
4、湍流普通直管（Re>临界点）：
λ=φ（ε/d）即
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
0~2000
2000~4000
4000~Re临界点
临界点以上
（水力光滑管）
\
（粗糙管）
\
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，其直管摩擦系数λ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λ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，流体质点间产生剧烈的碰撞，所形成的阻力称为局部阻力。
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
表示。
在管路计算时，可求出管路与阀门的当量长度之和
。
如所计算的管路长度为
，则流体在管路中流动的总阻力损失为：
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
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。
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
=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：
（无变径）和
（有变径）
（式中，p1、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，ρ——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，l=,d=;
镀锌管，l=,d=;
突扩管，l1=,d1=,l2=,d2=;
截止阀，DN20,d=;球阀，DN20,d=;
层流管，l=,d=;
仪器仪表：
涡轮流量计，LWGY-25型，~10m3/h,精确度等级；
温度计，Pt100,0~200℃，精度等级
压差传感器，WNK3051型，-20~100kPa，精度等级
显示仪表：
AI-708等，精度等级。
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（+），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Δp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Δp孔板。
3、实验测取数据。
打开镀锌管管路的切换阀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ΔP。
2、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，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ΔP。
2、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，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ΔP。
2、打开球阀、截止阀测量管路切换阀。
关闭其他切换阀、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，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ΔP。
2、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、湍流—不锈钢管数据表
ΔP0/kPa
l/m
d/m
ε/mm
序号
水流量
qv/m3?
h-1
管路压降
Δp/kPa
水温度
t/℃
水密度ρ/kg?
m-3
水粘度
μ/Pa?
s
水流速u/m?
s-1
雷诺数
Re
摩擦系数
λ
λblasius
1
13661
2
17282
3
23042
4
26828
5
32918
6
41147
7
50199
8
65012
9
82788
10
98424
计算示例：
以第一组为例
1）流速
2）雷诺数
3）摩擦系数
4）理论摩擦系数
2、湍流—镀锌管数据表
ΔP0/kPa
l/m
d/m
ε/mm
序号
水流量
qv/m3?
h-1
管路压降
Δp/kPa
水温度
t/℃
水密度ρ/kg?
m-3
水粘度
μ/Pa?
s
水流速u/m?
s-1
雷诺数
Re
摩擦系数
λ
λblasius
1
12251
2
16156
3
20842
4
25850
5
32313
6
40160
7
48581
8
64289
9
80992
10
89432
计算示例：
以第一组为例
1）流速
2）雷诺数
3）摩擦系数
4）理论摩擦系数
3、湍流—突扩管数据表
ΔP0/kPa
l1/m
d1/m
l2/m
d2/m
ε/mm
序号
水流量
qv/m3?
h-1
局部压降
Δp2-1/kPa
水温度
t/℃
水密度ρ/kg?
m-3
水粘度
μ/Pa?
s
水流速u1/m?
s-1
水流速u2/m?
s-1
雷诺数
Re1
局部阻力
系数ζ
ζ理论值
1
43400
2
65099
3
88314
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