第7章 化工原理实验
7.1实验一 流体阻力实验
在化工生产中，需要将流体从一台设备输送到另一台设备，或从一个位置输送到另一个位置，这就牵涉到流体输送、流体计量及流体输送机械的选择等问题。因此，为了能更符合现代化工生产的实际，培养学生的工程观念，采用天津大学化工基础实验中心的“化工流动过程综合实验装置”。在该实验装置上可单独进行流体流动阻力和离心泵两个单项实验，也可以进行流体流动阻力及离心泵联合实验，该联合实验装置还可进行离心泵的串联、并联实验。它可以为不同层次的学生提供不同的实验。学生可以根据教学大纲的要求进行实验，也可以根据自己的兴趣进行其他的实验开发、设计和研究等。
本实验装置可测定的项目：光滑管和粗糙管层流、湍流时摩擦系数的测定，球阀局部系数的测定和流量计的校正。
7.1.1 实验目的
（1）学习管路阻力损失f p ∆、摩擦系数λ、局部阻力系数ζ的测定方法，并通过实验了解它们的变化规律，巩固对流体阻力基本理论的认识。
（2）了解测定摩擦系数的工程意义。
（3）学会倒U 型压差计和转子流量计的使用方法，以及了解各个管、阀件在管路中的用途。
（4）学习并掌握对数坐标的使用方法。
7.1.2 实验内容
（1）测定光滑管内流体流动的阻力损失f p ∆、摩擦系数λ、并绘制Re ~λ的关系曲线。
（2）测定粗糙管内流体流动的阻力损失f p ∆、摩擦系数λ、并绘制Re ~λ的关系曲线。
（3）测定管路部件局部阻力损失f p ∆和局部阻力系数ζ。
7.1.3 实验原理
由于流体存在粘性，在流动的过程中会产生内摩擦消耗一定的机械能，引起阻力损失。管路是由直管和管件（如三通、弯头、阀门）等组成。流体在直管中流动造成的机械能损失称为直管阻力。而流体流经管件等局部地方时由于流道突然变化会引起边界层分离，边界层分离会产生大量的漩涡，引起阻力损失，这种阻力损失称为局部阻力损失。
（1）圆形直管摩擦阻力损失（f p ∆）和摩擦系数（λ）测定原理
根据流体力学的基本理论，流体在直管中流过时（无论是层流还是湍流），摩擦系数与阻力损失之间存在如下的关系即（范宁公式）：
2
2
f u d l p ρλ=∆ （7-1-1） 在一根等径的水平放置的圆形直管上，如果没有外加流体输送机械做功，流体流经一定长度管路引起的阻力损失f p ∆等于此段管路的压力降，即
21f p p p p -=∆-=∆ （7-1-2）
因此可通过测定两截面的压差得到阻力损失。在一已知长度、管径的等径水平管段上，通过改变流体的流速，即可测出不同Re 下的阻力损失f p ∆，按式（1）反求出摩擦系数λ，即可得出一定相对粗糙度的管子的Re ~λ的关系。
层流时摩擦阻力损失的计算式可由理论推导得到，即哈根－泊谡叶公式：
2
f 32d lu p μ=
∆ （7-1-3） 式中 f p ∆——摩擦阻力损失，Pa ；
μ——流体的粘度，N ·s/m 2； l ——管段长度，m ；
u ——流速，m/s ；
d ——管径，m 。
由式（8-1-3）可知层流时的压力损失与速度的一次方成正比，层流时的摩擦系数为
Re
64=λ （7-1-4） 湍流时由于情况复杂得多，未能得出较精确的计算λ的理论公式，但可以用因次分析方法来找出它们之间的关系。通过因次分析方法可知：直管的摩擦系数是雷诺数Re 和管壁的相对粗糙度d /ε的函数，即
),(d Re εφλ= （7-1-5）
若相对粗糙度一定，λ是Re 的函数，即)(Re φλ=。
通过实验可测出层流或湍流时摩擦系数λ与Re 的关系并汇出λ与Re 的关系曲线，还可将实验结果与已知的式（7-1-4）、式（7-1-5）进行对比。
（2）局部阻力损失（f p ∆）和局部阻力系数（ζ）的测定原理
流体流经管件、阀门等局部地方引起的局部阻力损失可以通过阻力系数法测定，即可以表示成动能的一个倍数，
22f u p ρζ
='∆ （7-1-6）
式中 ζ——局部阻力系数。 阻力系数测定方法与摩擦系数一样，只要测出流体经过管件时的阻力损失f p ∆'以及流体通过管路的流速u ，即可通过式（7-1-6）计算出局部阻力系数ζ。但在测定局部阻力时，由于在管件前后流体的流动属于不稳定流动，测压口不能取在紧靠管件处，而是取在距管件一定距离的管子上，因此本实验局部阻力测量的取压口采用如图7-1-1所示的布置图。
图7-1-1 局部阻力测量取压口布置图
局部阻力引起的压强降f p '∆可用下面的方法测量：在一条各处直径相等的直管段上，安
装待测局部阻力的阀门，在其上、下游开两对测压口a ~a '和b ~b '，如图7-1-1所示，使
bc ab =； c b b a ''=''
则 bc f,f,ab p p ∆=∆； c b f,b a f,''''∆=∆p p
在a ~a '之间列柏努利方程式：
f b a f,ab f,a a 22p p p p p ∆+∆+∆=-''' （7-1-7）
在b ~b '之间列柏努利方程式：
f
b a f,ab f,f
c b f,bc f,b b p p p p p p p p ∆+∆+∆=∆+∆+∆=-''''' （7-1-8）
联立式（7-1-7）和式（7-1-8），则： )()(2a a b b f ''---='∆p p p p p （7-1-9）
为了实验方便，称)(b b '-p p 为近点压差，)(a a '-p p 为远点压差。用差压传感器或倒U 形管压差计来测量。
7.1.4 实验装置与流程
（1）流程图
实验装置流程如图7-1-2所示，仪表面板布置如图7-1-3所示。
