化工原理实验—流体流动阻力测定实验.docx

化工原理实验报告
—流体流动阻力测定实验

班 级： 031112班
小 组： 第六组
指导老师： 刘慧仙
组 长： 陈 名
组 员： 魏建武 曹 然
实验时间： 2013年10月18日

目录
目录
一、实验内容 1
二、实验目的 1
三、实验基本原理 1
1.直管阻力 1
2.局部阻力 3
四、实验设计 3
1.实验方案 3
2.测试点及测试方法 3
原始数据 3
测试点 4
测试方法 4
3.控制点及调节方法 4
4.实验装置和流程设计 4
主要设备和部件 4
实验装置流程图 4
五、实验操作要点 5
六、实验数据处理和结果讨论分析 6
实验数据处理 6
1.实验数据记录表 6
2.流体直管阻力测定实验数据整理表 7
3.流体局部阻力测定实验数据整理表 8
4.计算示例。 9
结果讨论分析 10
七、思考题 11

中国地质大学（武汉） 031112班 化工原理实验报告
实验一 流体流动阻力的测定实验

一、实验内容
1.测定流体在特定材质和εd的直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.测定流体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，掌握测定流体阻力的实验方法。
2.测定流体流径直管的摩擦阻力和流经管件或局部阻力，确定直管阻力摩擦系数与雷诺数之间的关系。
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、实验基本原理
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，由于黏性剪应力和涡流的作用，不可避免地要消耗一定的机械能，流体在直管中流动的机械能损失为直管阻力；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道中稳定流动时，由截面1流动至截面2的阻力损失表现为压力的降低，即
hf=p1-p2ρ=Δpρ ①
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，并使实验结果具有普遍应用意义，可采用因次分析方法来规划实验。
将所有影响流体阻力的因素按以下三类变量列出
① 流体性质 密度ρ，黏度μ；
② 管路几何尺寸 管径d，管长l，管壁粗糙度ε；
③ 流动条件 流速u；
可将阻力损失hf与诸多变量之间的关系表示为
Δp=fd,l,μ,ρ,u,ε ②
根据因次分析法，可将上述变量之间的关系转化为无因次准数之间的关系
Δpρu2=φduρμ,ld,εd ③
其中duρμ=Re称为雷诺准数（Reynolds number），是表征流体流动形态影响的无因次准数；
ld是表示相对长度的因次几何维数；
εd称为管壁相对粗糙度。
将式③改写为
Δpρ=ld⋅φRe,εd⋅u22 ④
引入
λ=φRe,εd ⑤
则
hf=Δpρ=λ⋅ld⋅u22 ⑥
式⑥即为通常计算直管阻力的公式，其中λ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
Δp=RρHg-ρH2Og ⑦
其中R为U型压差计两侧的液注高度差。
由式⑤可知，不管何种流体，直管摩擦系数λ仅与Re与εd有关。因此，只要在实验室规模的小装置上，用水作实验物系，进行有限量的实验，确定λ与Re和εd的关系，即可由式⑥计算任一流体在管路中的流动阻力损失。这也说明了因次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，若与流体流这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le表示。这样，就可用直管阻力的公式来计算局部阻力的损失。在管路计算时，可将管路中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ilei，则流体在管路中流动的总阻力损失为
hf=λl+ieid⋅u22 ⑧
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
he=Δpρ=ξu22
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。
四、实验设计
1.实验方案
用自来水做实验物料；由实验原理及式hf=λ⋅ld⋅u22和Δpρ=ξu22知，当实验装置确定后，只要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Δp1和局部阻力压差Δp2，就能通过计算得到的λ和ξ的值以及相应的Re的值；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
原始数据
有流速u（或流量V），直管段压差Δp1和局部段压差Δp2，流体温度t（据此确定ρ、μ），此外还有管路直径d和直管长度l。
测试点
需在直管段两端和局部两端各设一对测压点，分别用以测定Δp1和Δp2，在管路中配置一个流量（或流速）和温度测试点，共6个测试点。
测试方法
直管段和局部段压差的测定：采用水银U型压差计
流速或流量的测定：工程上测量流量较测流速更为方便，如用涡轮流量计测定流量，则
Q=fξ
其中f——涡轮流量计的转子频率，其数值用数显仪表显示；
ξ——涡轮流量计的仪表系数；
Q——流量，L/s。
温度的测定：用水银玻璃温度计测定，℃。
3.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，可以在管路系统出口端设置一控制调节阀门，用以调节流量并保证整个管路系统满灌。
4.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
实验装置流程图
实验装置流程如图1-1所示，由管子、管件、闸阀（用于局部阻力测定）、控制阀、流量计及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。为了节约用水，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。为了排除管路的残留气体，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，在循环水箱底部设排泄阀。
涡轮流量计在安装时须保证前后有足够的直管稳定段和水平度。

五、实验操作要点
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。（为什么）见思考题1
2.启动离心泵。（注意什么）是否需要灌泵，泵在液面下，不需要灌泵。
3.分别进行管路系统、引压管、压差计的排气工作，排出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，将管路中的大部分空气排出。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型管压差计中水银冲出。
4.排气结束后，关闭平衡阀。
5.将出口控制阀开至最大，观察最大流量范围或最大压差变化范围，据此确定合理的实验布点。
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、实验数据处理和结果讨论分析
实验数据处理
1.实验数据记录表

表1-1 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 管子材料 镀锌白铁管
管子长度（直管） 2 m 管子内径（直管） 20 mm 管子内径（局部） 32 mm
水 温 22 ℃ 水的密度 997.8 kg/m3 水的黏度 0.9579 mPa·s
序号
涡轮流量计频率
f
直管阻力压差Δp1
局部阻力压差Δp2
左侧水银柱高hL
（mm）
右侧水银柱高hL
（mm）
左侧水银柱高hL
（mm）
右侧水银柱高hL
（mm）
1
563
792.5
211.5
338.2
743.6
2
494
776.1
275.8
382.4
696.3
3
398
648.7
351.5
435.0
640.5
4
356
618.8
379.3
455.6
622.7
5
322
597.4
401.5
469.7
606.2
6
301
586.2
412.3
477.1
598.2
7
252
566.2
435.1
494.8
580.4
8
237
554.7
443.2
499.4
575.9
9
215
545.7
452.6
506.2
569.2
10
191
536.5
461.7
512.5
563.0
11
162
526.4
469.2
519.0
556.0
12
120
514.6
482.3
526.9
548.8
13
82
507.3
488.2
532.0
543.5
14
44
502.3
494.6
535.1
540.0
15
0
497.6
497.6
537.8
537.8

2.流体直管阻力测定实验数据整理表

表1-2 流体直管阻力测定
序
号
qV×10-3
（流量）
（m3/s）
u
（流速）
（m/s）
Re×10-4
雷诺数
R
（压差计读数）
（mmHg）
Wf
（直管阻力）
（J/kg）
λ×102
（摩擦系数）
1
1.6924
5.3871
11.2231
581.0
71.986
4.961
2
1.4850
4.7269
9.8476
500.3
61.987
5.548
3
1.1964
3.8083
7.9339
297.2
36.823
5.078
4
1.0702
3.4064
7.0966
239.5
29.674
5.115
5
0.9680
3.0811
6.4189
195.9
24.272
5.114
6
0.9048
2.8802
6.0003
173.9
21.546
5.195
7
0.7575
2.4113
5.0235
131.1
16.243
5.587
8
0.7124
2.2678
4.7245
111.5
13.815
5.372
9
0.6463
2.0573
4.2859
93.1
11.535
5.451
10
0.5742
1.8276
3.8075
74.8
9.268
5.549
11
0.4870
1.5501
3.2294
57.2
7.087
5.899
12
0.3607
1.1482
2.3921
32.3
4.002
6.071
13
0.2465
0.7846
1.6346
19.1
2.366
7.688
14
0.1323
0.4210
0.8771
7.7
0.954
10.764
15
0.0000
0.0000
0.0000
0.0
0.000

3.流体局部阻力测定实验数据整理表

表1-3 流体局部阻力测定实验数据整理表
序
号
qV×10-3
（流量）
（m3/s）
u
（流速）
（m/s）
R
（压差计读数）
（mmHg）
Wf
（局部阻力）
（J/kg）
ξ
（局部阻力系数）
1
1.6924
2.1044
405.4
50.229
22.686
2
1.4850
1.8464
313.9
38.892
22.815
3
1.1964
1.4876
205.5
25.461
23.010
4
1.0702
1.3306
167.1
20.704
23.386
5
0.9680
1.2036
136.5
16.912
23.351
6
0.9048
1.1251
121.1
15.004
23.708
7
0.7575
0.9419
85.6
10.606
23.909
8
0.7124
0.8858
76.5
9.478
24.157
9
0.6463
0.8036
63.0
7.806
24.174
10
0.5742
0.7139
50.5
6.257
24.553
11
0.4870
0.6055
37.0
4.584
25.006
12
0.3607
0.4485
21.9
2.713
26.975
13
0.2465
0.3065
11.5
1.425
30.336
14
0.1323
0.1645
4.9
0.607
44.892
15
0.0000
0.0000
0.0
0.000

ξ 的平均值：24.466 （舍弃序号为14的数据）

4.计算示例。

①流体直管阻力实验数据计算示例
公式：
qV=fξ u=qVπ4×d2 Re=duρμ Δp=RρHg-ρH2O×g
Wf=ΔpρH2O=λ⋅ld⋅u22 R=HL-HR
计算：（取表1-1中序号为1的数据为例）
qV=fξ=563332.66=1.6924 L/s=1.6924×10-3 m3/s
u=qVπ4×d2=1.6924×10-3π4×0.022=5.3871 m/s
Re=duρμ=0.02×5.3871×997.80.9579×10-3=11.2231×104
R=HL-HR=792.5-211.5=581.0
Δp=RρHg-ρH2O×g=581.0×10-3×13600-997.8×9.81=71.8276 kPa
Wf=ΔpρH2O=71827.6997.8=71.986 J/kg
λ=2×Wf×dl×u2=2×71.986×0.022×5.38712=0.04961

②流体局部阻力实验数据计算示例
公式：
qV=fξ u=qVπ4×d2 Δp=RρHg-ρH2O×g
Wf=Δpρ=ξu22 R=HR-HL
计算：（取表1-1中序号为1的数据为例）
qV=fξ=563332.66=1.6924 L/s=1.6924×10-3 m3/s
u=qVπ4×d2=1.6924×10-3π4×0.0322=2.1044 m/s
R=HR-HL=743.6-338.2=405.4
Δp=RρHg-ρH2O×g=405.4×10-3×13600-997.8×9.81=50.1186 kPa
Wf=Δpρ=50118.6997.8=50.229 J/kg
ξ=2×Wfu2=2×50.2292.10442=22.686
结果讨论分析
1. 在双对数坐标纸上关联λ和Re之间的关系。
取镀锌白铁管的绝对粗糙度ε=0.2 mm，则εd=0.220=0.01。由实验数据处理后，所得摩擦系数λ与雷诺准数Re的关系图形如下：

图1-2 摩擦系数λ与雷诺准数Re的关系图

根据资料显示，摩擦系数λ与雷诺准数Re的关系应该是随着Re的增大，λ的值逐渐减小。因此应该舍弃表1-2中序号为2、7、11的三组数据。得到如上图所示的关系曲线。
2.对实验结果进行分析讨论，例如：讨论一下λ和Re之间的关系，根据所标绘的曲线引申推测一下管路的粗糙程度，论述所得结果的工程意义等等，并从中得出若干结论。
答：摩擦系数λ与雷诺准数Re的关系应该是随着Re的增大，λ的值逐渐减小。根据所得到的曲线图，可以推测管路的粗糙程度ε=0.2 mm。①根据Re的不同，可以将流体流动分为四个区域，层流区、过渡区、湍流区、完全湍流区。根据要输送的液体的性质，可以根据上图的关系，算出摩擦系数，即可根据流速、管径等要求选择相对应的管材。②在化工生产中的管路，根据其材质和加工情况，大致可以分为两类，即光滑管和粗糙管。管路壁面凸出部分的平均高度称为绝对粗糙度，以ε表示。绝对粗糙度与管径的比值即εd，称为相对粗糙度。根据上图可以查出摩擦系数，即可算出管壁的粗糙度。
3.对实验数据进行必要的误差分析，评价一下数据和结果的误差，并分析其原因。
答：由实验所求得的数据可以看出，计算直管阻力的时候，序号为2、7、11的三组数据明显不符合随着Re的增大，λ的值逐渐减小的变化规律。应该舍弃。计算局部阻力时，序号为14的局部阻力系数明显比其它数据大很多，也应该舍弃。局部阻力系数明显偏大。
原因：管路中水流不稳定，导致U型管水银压差计两端的水银面不稳定，读数的偏差较大。导致算出的数据与原定的曲线有偏差，和个别数据的极不合理。
减少误差：①尽量在U型管水银压差计两端的水银面稳定之后再读数；②让同一个人读数，这样能减少偶然误差。
七、思考题
1.U型压差计上装设的“平衡阀”有何作用？在什么情况下它是开着的，在什么情况下它应该是关闭着的？
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. 为什么要将实验数据在对数坐标纸上标绘？
答：①对数坐标适用于幂函数，而平流时λ和Re成λ=KRe关系（K为常数），λ和Re的负一次方成正比，是幂函数。
②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.不同管径、不同水温下测定的λ—Re数据能否关联到一条曲线上？为什么？
答：能。不同管径不同水温，即d、μ和ρ不同，因为Re=duρμ，λ=φRe,εd，所以Re相同时，可以关联到一条直线上。
4.以水为工作流体测定的λ—Re曲线能否用于计算空气在管内的流体阻力？为什么？
答：能。因为Re一定时λ与流体的流动状态和管路的εd有关。改变流体（从水变为空气），εd不变，λ—Re曲线也不变，知道空气的流动状态便可用Re找出相应的λ从而计算空气中流动阻力。
5.两段管线的管长、管径、相对粗糙度及管内流速均相同，一根水平放置，另一根倾斜放置。问流体流过这两段管线的阻力及管子两端的压差是否相同？为什么？
答：流体通过这两段管子的阻力相同，而管子两端压差不同。由Wf=λ⋅ld⋅u22知管长，管径d，相对粗糙度εd及流速u都相同时，两管Wf也相同。水平直管中压差Δp=RρHg-ρH2O×g，而倾斜管中Δp=RρHg-ρH2O×g-ρH2O×g×h故管子两端压差不同。
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