流体流动阻力的测定
流体流动阻力的测定
北京化工大学
化工原理实验报告
实验名称:流体流动阻力测定 班 级: 材料1204 学 号: 姓 名: 曲政 同 组 人: 李乾坤、李子新 实验日期: 2014.12.03
一、摘要
流体阻力的大小关系到输送机械的动力消耗和输送机械的选择,测定流体流动阻力对化工及相关过程工业的设计、生产和科研具有重要意义。
在常压下,以水为研究对象,通过调节阀门开度测得不同的流体流量qv,以及该状态下已知长度l和管径d的光滑直管和粗糙直管间的压差p,根据公式流体流速u4qv2将流量转化为流速;再通过
d
2dp(其中
lu2
为实验温度下流
体的密度),以及雷诺数Redu(为实验温度下流体粘度,由粘度温度关系通过内插法得出),得出湍流区光滑直管和粗糙直管在不同Re下的λ值,通过作Re双对数坐标图,可以得出两者的关系曲线,与光滑管遵循的Blasius关系式进行比较,并验证了湍流区内摩擦阻力系数λ为雷诺数Re和相对粗糙度ε/d的函数。此外,由公式
2u2
2p
1
2
1
可求出突然扩大管的局部阻力系数。
u
关键词:摩擦阻力系数 局部阻力系数 雷诺数Re
二、实验目的及任务
1. 2. 3. 4. 5.
掌握测定流体流动阻力实验的一般实验方法。
测定直管的摩擦阻力系数λ及突然扩大管和阀门的局部阻力系数ξ。 测定层流管的摩擦阻力。
验证在湍流区内摩擦阻力系数λ为雷诺准数Re和相对粗糙度的函数。 将所得光滑管的λ-Re方程与Blasius方程相比较。
三、基本原理
1、直管摩擦阻力 不可压缩流体,在圆形直管中做稳定流动时,由于粘性和涡流的作用产生摩擦阻力;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,产生局部阻力。
流体流动阻力与流体的性质,流体流经处的几何尺寸,以及流动状态有关,可表示为:
Δp=f(d,l,u,ρ,μ,ε)
引入无量纲数群:
雷诺数: Re=
相对粗糙度: 管子长径比: 从而得到: =,) 令λ=Φ(Re,ε/d),
=Φ(Re,ε/d)
可得摩擦阻力系数与压头损失之间的关系,这种关系可用实验方法直接测定。
= = λ*
式中,Hf——直管阻力,J/kg;
l——被测管长,m; d——被测管内径,m; u——平均流速,m/s; λ——摩擦阻力系数。
一管径为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间的静压强差,即为流体流过两截面间的流动阻力。根据伯努利方程找出静压强差和摩擦阻力系数的关系式,即可求出摩擦阻力系数。改变流速可测出不同Re下的摩擦阻力系数,这样可以得出某一相对粗糙度下管子的λ-Re关系。
在湍流区内,摩擦阻力系数λ=f(Re,ε/d),对于光滑管,大量实验证明,当Re在3X~范围内,λ与Re的关系遵循Blasius关系式,即:
λ=0.3163/
对于粗糙管,λ与Re的关系均以图来表示。 层流的摩擦阻力系数λ:
λ=
2、局部阻力
=ξ
为局部阻力,ξ为局部阻力系数,它与流体流过的管件的几何形状及流体的Re有关,当Re大到一定值后,ξ与Re无关,成为定值。
四、 装置和流程
本实验装置如图4-1所示,管道水平安装,实验用水循环使用。其中5管为层流管,管径φ(6*1.5)mm,两测压点之间距离为1.50m;6、7安装有球阀和截止阀两种管件,管径为φ(27*3)mm;8管为φ(27*3)mm不锈钢管;9管为
φ(27*2.75)mm镀锌钢管,直管阻力的两侧压口间距离为1.5m;10管为突然扩大管,管子由φ(22*3)mm扩大到φ(48*3)mm。各测量元件两侧压口,均与压差传感器相连,系统流量由涡轮流量计3测量。
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
五、 实验操作要点
(1) 开泵:打开各管路的切换阀门,关闭流量调节阀11,按变频仪13绿
色按钮启动泵,固定转速(频率在50Hz),观察泵出口压力表读数在0.2MPa左右时,即可开始实验。
(2) 排净系统(各主管及测压管线中)气体:设备主管和测压管线中的气
体都要排净,其他方法是打开流量调节阀11数十秒后在关闭。这时流量为零,待数十秒后,观察压差传感器指示读数是否为零(允许有1~3Pa的波动,可以在记录和计算时扣除),否则需要重新排气。
(3) 实验测取数据:需测定哪个元件,则打开哪个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。流量由小到大,测取10~12组数据,然后再由大到小测几组数据,以检查数据的重复性。测定突然扩大管、球阀、截止阀的局部阻力时,可各测取3组数据。层流管的流量用量筒与秒表测取。
(4) 测完一个元件的数据后,应将流量调节阀11关闭,观察压差传感器
指示读数是否为零(允许有1~3Pa的波动,可以在记录和计算时扣除),否则需要重新排气。
(5) 层流实验时,应关闭流量调节阀11。变频仪13频率,应调到12~15Hz
情况下,用层流管流量阀(针阀)12调节流量,用量筒与秒表测取
数据。
要了解各种阀门的特点,学会阀门的使用,注意阀门的切换。
六、 实验数据分析
1、光滑管的数据记录及整理
表1:不锈钢管原始测量数据
已知在21℃下,水的密度为=1000kg/,粘度为=0.981mPa·s。
u=,Re=,λ=,Blasius-λ=0.3163/
以第一组数据为例,计算结果如下:
Re= = = =117772.50
λ= = = =0.018635093
Blasius-λ=0.3163/= 0.3163/= 0.017074
将其余原始数据代入以上公式计算,整理得表2。
表2:不锈钢管整理后数据
分别做Re与λ(Re)和λ(Blasius)的双对数关系图,得图2。
图2:不锈钢管Re与λ(Re)和λ(Blasius)的双对数关系图
2、粗糙管的数据记录及整理
表3:镀锌管原始测量数据
已知在22℃下,水的密度为=1000kg/,粘度为=0.958mPa·s。
u=,Re=,λ=,Blasius-λ=0.3163/
以第一组数据为例,计算结果如下:
Re= = ==118666.1
λ=
== =0.029906
Blasius-λ = 0.3163/= 0.3163/= 0.017042
将其余原始数据代入以上公式计算,整理得表4。
表4:镀锌管整理后数据
分别做Re与λ(Re)和λ(Blasius)的双对数关系图,得图3。
图3:镀锌管Re与λ(Re)和λ(Blasius)的双对数关系图
3、突然扩大管的数据记录及整理
表5:突扩管原始测量数据
已知u=,ξ=1—
以第一组数据为例,计算结果如下:
===0.608, ===4.188ξ=1—=1— =0.728
将其余原始数据代入公式计算,得表6:
4、球阀与截止阀的数据记录及整理
表7:球阀原始测量数据
以第一组数据为例,计算结果如下:
u==4.52
将其余数据代入公式计算,得:
4.52m/s,2.89m/s,1.53m/s, =2.98 m/s,1.01Kpa
ξ===0.227
表8:截止阀原始测量数据
以第一组数据为例,计算结果如下:
u==4.01
将其余数据代入公式计算,求得:
4.01m/s,2.88m/s,1.42m/s,
=2.77m/s,16.03Kpa
ξ===4.18
七、 结论与分析
1、结论
(1) 湍流时,光滑管的λ-Re实验曲线与Blasius关系曲线较为接近,说明
Re在3X~范围内,λ-Re实验曲线较好地满足了Blasius关系。粗糙管的λ-Re实验曲线与Blasius关系略有出入。
(2) 突然扩大管的局部阻力系数ξ=0.703,球阀的局部阻力系数ξ=0.227,
截止阀的局部阻力系数ξ=4.18。
(3) 光滑管和粗糙管的Re数量级为。 (4) 局部阻力系数λ随Re的增大而减小。
(5) 由于各项参数与流速的共同影响,实验中没有满足层流的条件,实验
中也未发生层流。
2、误差分析
(1) 实验中水温一直在不断升高,记录时只取实验过程中某一时刻的温度。 (2) 压力表的读数一直在不断变化,记录时只读取平均压力。 (3) 实验数据处理过程中计算复杂,误差传递和积累较大。 (4) 调节完流速后,读数时流速可能未完全稳定。 (5) 实验仪器本身带有一定的误差。
八、 参考文献
1、《化工原理及化工基础实验》指导书 2、《化工原理》 ,第二版
九、 思考题
1、在测量前为什么要将设备中的空气排尽?
空气是可压缩流体,如果不把空气排尽,使管路中的水成为不连续的流体,影响实验效果,而实验中涉及到的公式和定理均只适用于连续性不可压缩流体。
2、在不同设备(包括相对粗糙度相同而管径不同)、不同温度下测定的λ-Re数据能否关联在一条曲线上?
3
答:由Redu,2dp联立得:2dp,可知λ-Re曲线受ρ、d、l、μ
lu2lRe22等的影响,故由于设备和温度不同,摩擦阻力和承受面积不一样,所以不一定在一条曲线上,
当管壁的相对粗糙度相等时,会关联在一条曲线上。
3、以水为工作流体所测得的λ-Re关系能否适用于其他种类的牛顿型流体?为什么?
35
答,能,因为由实验证明在湍流区Re10~10范围内,λ与Re的关系式遵循Blasius
0.25
关系式,即0.3163/Re,而对于其他牛顿型流体,Re反应了该流体的流动性质,虽
然其他牛顿型流体密度与水不一样,但是最终在。 4、测出的直管摩擦阻力与设备的放置状态有关吗?为什么?(管径、管长相同,且R1=R2=R3)
22
答:与设备的放置状态无关。由伯努利方程:zu1p1zu2p2H,
12f
2gg2gg
2
lupp
Hfz1z21g2,其中Hfd2g。因为U型管所测得的即是两点间的势能
差,即为(z1z2)
p1p2
,当R相同时,三次的摩擦阻力系数也相等。 g