化工原理实验.docx
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化工原理实验
化工原理实验
—流体流动阻力的测定实验
班级：
031104
小组：
第4组
指导老师：
组长：
组员:
目录
1.实验内容················································3
2.实验目的················································3
3.实验原理················································3
4.实验设计···············································6
5.实验步骤···············································9
6.实验数据··············································10
7.计算实例··············································12
8.实验作图···············································139.注意事项·············································.1310.实验要求··············································13
11.实验思考题············································1412.试验总结··············································15
一、实验内容
1.测定水在特定材质和ε/d的直流管中流动时的阻力摩擦系数λ，并确定λ和Re之间的关系。
2.测定水通过阀门时的局部阻力系数。
二、实验目的
1.了解测定流体流动阻力摩擦系数的工程定义。
掌握测定流体组里的实验组织方法。
2.测定流体流经直管的摩擦阻力和流经管件或阀门的局部阻力，确定直管阻力摩擦系数与雷洛数之间的关系。
3.熟悉压差计和流量计的使用方法。
4.认识组成管路系统的各部件，阀门并了解其作用。
三、实验原理
流体管路是由直管、管件（如三通、肘管、弯头）、阀门等部件组成。
流体在管路中流动时，由于黏性剪切力和我留的作用，不可避免的要消耗一定的机械能，流体在直管中流体的机械能损失称为直管阻力；而流体通过阀门、管件等部件时，因流动方向或流动截面的突然改变导致的机械能损失称为局部阻力。
在化工过程设计中，流体流动阻力的测定或计算，对于确定流体输送所需推动力的大小，例如泵的功率、液位或压差，选择适当的输送条件都有不可或缺的作用。
1.直管阻力
流体在水平的均匀管中稳定流动时，由截面1流动至截面2的阻力损失表现为压力的降低，即
由于流体分子在流动过程中的运动机理十分复杂，影响阻力损失的因素众多，目前尚不能完全用理论方法来解决流体阻力的计算问题，必须通过实验研究掌握其规律。
为了减少实验工作量，简化实验工作难度，并使实验结果更具有普遍意义，可采用因此分析法来规划实验。
将所有影响流体阻力的工程因素按一下三类变量列出
流体性质密度ρ，黏度μ；
管路几何尺寸管径d，管长l，管壁粗糙度ε；
流动条件流速u；
可将阻力损失Wf与诸多能量之间的关系表示为
根据因此分析法，可将上述变量之间的关系转变为无因次准
数之间的关系
△P/（ρu²）=φ（dρu/μ，l/d,ε/d）
其中称为雷诺准数，是表征流体流动形态影响的无因次准数。
是表示相对长度的无因次几何准数；
成为管壁相对粗糙度。
将式改写为
△P/ρ=l/d·φ（Re，ε/d）·u²/2
引入λ=φ（Re，ε/d）
则
=△P/ρ=λ·l/d·u²/2
式
即为通常计算直管阻力的公式，其中称为直管阻力摩擦系数。
直管段两端的压差若用水银U型压差计测定，则
其中R为U型压差计两侧的液柱高度差。
由式
可知，不管何种液体，直管摩擦系数
仅与Re和
有关。
因此，只要在实验室规模的小装置上，用水做实验物系，进行有限量的实验，确定
与Re和
的关系，即可由式
计算任意流体在管路中的流动阻力损失。
这也说明了因此分析理论指导下的实验方法具有“由小见大，由此及彼”的功效。
2.局部阻力
局部阻力通常用当量长度法或局部阻力系数法来表示。
当量长度法：
流体通过管件或阀门的局部阻力损失，若与流体通过一定长度的相同管径的直管阻力相当，则称这一支管长度为管件或阀门的当量长度，用符号le表示。
这样，就可用直管阻力公式来算局部阻力的损失。
在管路计算时，可将管路中的的直管长度与管件阀，门的当量长度合并在一起计算，如管路系统中直管长度为l，各种局部阻力的当量长度之和为
，则流体在管路中的总阻力损失为
局部阻力系数法：
流体通过某一管件或阀门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
一般情况下，由于管件和阀门的材料及加工精度不完全相同，每一制造厂及每一批产品的阻力系数是不尽相同的。
4、实验设计
（1）实验方案：
用自来水做实验物料，有实验原理及式hf=λ（l/d）u2/2和hf=△P/ρ=ξu2/2知，当实验装置定后，只需改变管路中流体流速u或流量V，测定相应的直管阻力压差△P1和局部阻力压差△P2，就能通过计算得到一系列的λ和ξ的值以及相应的Re的差；在安排实验点的分布时，要考虑到λ随Re的变化趋势，在小流量范围适当多布点。
（2）测试点及测试方法：
测试点:
由以上分析可知，需要测量出流体的流速，直管段流体的压差
P
，局部段压差
P
，流体温度t。
所以测试点的位置就可以设置了：
在离心泵的出口处设一点测量流体的温度，在温度计稍后局部管之前一段设置一个涡轮流量计用来测量流体的流速f，在直管段两端和局部段两端各设一对测压点，分别用来测量
P
和
P
。
测量方法：
①流体温度可以直接通过水银玻璃温度计读数来读出。
②流体流量由公式Q=f/
来计算，而涡轮流量计的转子频率数值f在数显仪表上读出，
为仪器常数，在涡轮流量计的铭牌上读出。
③在装置正常工作时，分别读出压差计两边的刻度，然后作差得出高度差R，之后由
P=R（
）g求出
P
和
P
。
控制点及调节方法：
实验中需控制调节的参数是流体流量Q，通过调节出水控制阀4来控制调节流量Q并保证整个管路系统满泵.
（3）实验装置和流程设计：
主要设备和部件：
离心泵
循环水箱
涡轮流量计
阀门
直管及管件
玻璃水银U型压差计
温度计
流体流动阻力测定实验装置流程图
1—水泵2—温度计3—涡轮流量计4—控制阀5—排气瓶
6—测压导管7—平衡阀8—U型压差计9—排气阀10—水槽
实验装置流程如上图所示，由管子，管件，闸阀，控制阀，流量计和离心泵等组成一个测试系统。
测试系统的前半部分为局部阻力测试段，后半部分为直管阻力测试段。
为节约用水，配置水箱供水，循环使用；为了防止脏物进入系统造成堵塞，在泵的入口加装过滤器；为了保证系统满灌，装置的出口端应高于测试段或将控制阀安装在出口端；为了排除管路残留的气体，在装置的最高处装设排气阀；为了实验结束排空系统中的液体或定期更换水箱中的水，在循环水箱底部装设排泄阀。
五、实验步骤
1实验正式开始前，关闭流体出口控制阀门，打开水银压差计平衡阀。
2启动离心泵。
3分别进行管路系统、引压管、压差计的排气工作，排除可能积存在系统内的空气，以保证数据测定稳定，可靠。
管路系统排气：
打开出口调节阀，让水流动片刻，将管路中大部分空气排出。
然后将出口阀关闭，打开管路出口端上方的排气阀，使管路中残余空气排出。
引压管和压差计排气：
依次打开并迅速关闭压差计上方的排气阀，反复操作几次，将引压管和压差计内的空气排出。
排气时要注意严防U型压差计中水银冲出。
4排气结束后，关闭平衡阀。
5将出口控制阀开至最大，观察最大流量范围内或最大压差变化范围，据此确定合理的实验数据布点。
6流量调节后，须稳定一段时间，方可测取有关数据。
7实验结束后，先打开平衡阀，关闭出口控制阀，再关闭离心泵和总电源。
六、实验数据
流体流动阻力测定实验数据记录表
涡轮流量变送器编号：
990884涡轮流量变送器仪表常数：
332.66（转\L）
管子材料：
镀锌白铁管管子长度（直管）2m管子内径（直管）：
20㎜管子内径（局部）：
32㎜水温：
14ºC
水的密度999.0㎏/m³水的粘度：
1.1709mPa·s
序号
涡轮流量计频率f
（转/s）
直管阻力压差△P1
局部阻力压差△P2
左侧水银高度
（mm）
右侧水银高度
（mm）
左侧水银高度
（mm）
右侧水银高度
（mm）
1
546
779.0
230.0
238.5
748.0
2
421
668.0
338.5
349.5
644.5
3
342
613.5
393.0
390.0
594.0
4
244
560.5
445.0
439.5
544.0
5
137
522.0
482.5
475.0
509.0
6
88
511.5
493.5
484.5
499.0
7
49
506.0
498.5
490.0
494.5
8
40
505.0
499.5
490.5
494.0
9
31
504.5
500.0
491.0
493.8
10
7
504.0
500.5
491.5
493.5
流体直管阻力测定实验数据整理表
序号
（流量）（
/s）
u（流速）
（m/s）
Re×
雷诺数
R（压差计读
数（mmHg）
（直管阻力）（J/Kg）
×
（摩擦系数）
1
1.64
5.22
8.90
549.0
67.93
4.99
2
1.27
4.04
6.89
329.5
40.77
5.00
3
1.03
3.28
5.60
220.5
27.28
5.07
4
0.73
2.32
4.00
115.5
14.29
5.31
5
0.41
1.31
2.23
39.5
4.89
5.70
6
0.26
0.83
1.42
18.0
2.23
6.47
7
0.15
0.48
0.82
7.5
0.93
8.07
8
0.12
0.38
0.65
5.5
0.68
9.42
9
0.09
0.29
0.49
4.5
0.56
13.32
10
0.02
0.06
0.10
3.5
0.43
238.89
流体局部阻力测定实验数据处理表
序号
（流量）（
/s）
u（流速）
（m/s）
R（压差计读
数（mmHg）
W'f（局部阻力）（J/Kg）
（局部阻力系数）
1
1.64
2.03
509.5
63.05
30.60
2
1.27
1.58
295.0
36.50
29.24
3
1.03
1.28
204.0
25.24
30.81
4
0.73
0.91
194.5
12.93
31.23
5
0.41
0.51
34.0
4.21
32.37
6
0.26
0.32
14.5
1.79
34.96
7
0.15
0.19
4.5
0.56
31.02
8
0.12
0.15
3.5
0.43
38.22
9
0.09
0.12
2.8
0.35
48.61（舍去）
10
0.02
0.02
2.0
0.25
1250（舍去）
的平均值：
32.31
计算实例
计算直管阻力时
=△P/ρ△P=R（ρHg－ρH2O）gR=hL-hRQ=f/ξQ=d2·π/4·u2
=λ·（l/d）·u2/2
例如序号1
f=546转/sR=hL-hR=779.0－230.0=549.0㎜Q=f/ξ=546÷332.66=1.64×10－³m³/s
A=d2·π/4=π/4×0.02²=3.14×10-4m²u=Q/A=1.64×10－³÷3.14×10-4=5.22m/s
Re=d·ρH2O·u/μ=0.02×999.0×5.22÷1.1709×10³=8.90×104
=△P/ρ=△P=R（ρHg－ρH2O）g\ρ
=0.549×（13600-999.0）×9.81÷999.0=67.93J/Kg
λ=Wf·d/l×2/u2=67.93×0.02÷2×2÷5.222=4.8×10-2
计算局部阻力时
W'f=△P/ρ△P=R（ρHg－ρH2O）gR=hL-hRQ=f/ξQ=d2·π/4·u2
W'f=ξ·u2/2
例如序号1
f=546转/sR=hR-hL=748.0-238.5=509.5㎜Q=f/ξ=546÷332.66=1.64×10－³m³/s
A=d2·π/4=π/4×0.032²=8.04×10-4m²u=Q/A=1.64×10－³÷8.04×104=2.03m/s
W'f=△P/ρ=△P=R（ρHg－ρH2O）g\ρ=0.509.5×（13600-999.0）×9.81÷999.0=63.05J/Kg
ξ=W'f×2/u2=63.05×2÷2.03²=30.60
七、作图
取镀锌白铁管的绝对粗糙度ε=0.2㎜，则ε/d=0.2÷20=0.01
由实验数据处理后，所得摩擦系数与雷诺准数的关系图形如下：
八、注意事项：
⒈启动离心泵之前以及从光滑管阻力测量过渡到其它测量之前都必须检查所有流量调节阀是否关闭。
⒉利用差压数字表测量大压差时必须关闭通倒置U形管的阀门防止形成并联管路。
3在实验过程中每调节一个流量之后应待流量和直管压降的数据稳定以后方可记录数据。
九、实验要求：
⒈将实验数据和数据整理结果列在表格中参考表4-1、4-2、4-3并以其中一组数据为例写出计算过程。
⒉在双对数坐标系上标绘光滑直管和粗糙直管λ—Re关系曲线。
⒊根据所标绘的λ—Re曲线求本实验条件下滞流区的λ—Re关系式并与理论公式比较。
十、思考题：
1、答：
平衡阀是为了保持U型压差计两侧管中水银液面相平，防止在排气时水银溢出。
打开平衡阀时间：
实验之前、排气的过程中，及最后实验结束时。
关闭平衡阀时间：
排气之后至实验结束之前。
2
对数坐标适用于幂函数，而平流时λ和Re成λ=64/Re关系，λ和Re的负一次方成正比，是幂函数。
横坐标和纵坐标在数值上均变化了几个数量级，应该用对数坐标。
3能。
不同管径不同水温，即d、μ和ρ不同，因为Re=d·ρH2O·u/μ，λ=Φ（Re，
），所以Re相同时，可以关联到一条直线上。
4能。
因为Re一定时
与流体的流动状态和管路的
有关。
改变流体（从水变为空气），
不变，
—Re曲线也不变，知道空气的流动状态便可用Re找出相应的
从而计算空气中流动阻力。
5流体通过这两段管子的阻力相同，而管子两端压差不同。
由
知管长
，管径d，相对粗糙度
及流速u都相同时，两管
也相同。
水平直管中压差
，而倾斜管中
，故管子两端压差不同。
十一、实验总结
本次实验由于在听取指导老师讲解时，我们没有完全明白老师的指导意见，以至在安排布点时出现了问题，因布点不均匀，导致实验所得数据不够完整同时数据较少，但根据所得结果来看，可以大致反映在一定相对粗糙度ε\d下摩擦系数λ与雷诺准数Re的关系，即：
在雷诺数小于2000时图像为直线，在大于4000后趋于平缓的趋势。
相信在有了本次的前车之鉴后，我们今后会更加重视实验中应该注意的问题，把接下来的实验做好。
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