化工原理实验报告
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摘要:
本实验通过测定流体在不同管路中流动时的流量qv 、测压点之间的压强差ΔP ,结合已知的管路的内径、长度等数据,应用机械能守恒式算出不同管路的λ‐Re 变化关系及突然扩大管的?-Re 关系。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:0.250.3163Re λ= 。突然扩大管的局部阻力系数随Re 的变化而变化。
一、 目的及任务
①掌握测定流体流动阻力实验的一般实验方法。
②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。 ③验证湍流区内摩擦系数λ为雷诺数Re 和相对粗糙度的函数。 ④将所得光滑管λ-Re 方程与Blasius 方程相比较。
二、 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,由于黏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。影响流体阻力的因素较多,在工程上通常采用量纲分析方法简化实验,得到在一定条件下具有普遍意义的结果,其方法如下:
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相关,可表示为:
△p=?(d ,l ,u ,ρ, μ, ε) 引入下列无量纲数群。
雷诺数 du Re ρ
μ=
相对粗糙度 d
ε 管子长径比l d
从而得到
2
(,,)p du l
u d d
ρερμ∆=ψ 令(Re,)d
ε
λ=Φ
2(Re,)2
p
l u d d ερ∆=Φ 可得到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。
2
2
f p
l u h d λρ∆==⨯
式中
f h ——直管阻力,J/k
g ;
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。
当流体在一管径为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。改变流速科测出不同Re 下的摩擦阻力系数,这样就可得到某一相对粗糙度下的λ-Re 关系。
(1)湍流区的摩擦阻力系数
在湍流区内(Re,)f d
ε
λ=。对于光滑管,大量实验证明,当Re 在35
310~10⨯范围内,λ与Re 的关系式遵循Blasius 关系式,即
0.250.3163Re λ=
对于粗糙管,λ与Re 的关系均以图来表示。 (2)层流的摩擦阻力系数
64Re
λ= 2. 局部阻力
2
2
f u h ξ=
式中,ξ为局部阻力系数,其与流体流过管件的集合形状及流体的Re 有关,当Re 大到一定值后,ξ与Re 无关,为定值。
三、 装置和流程
本实验装置如图,管道水平安装,实验用水循环使用。其中管为层流管,管径Φ(6×mm ,两测压管之间的距离1m ;管安装有球阀和截止阀两种管件,管径为Φ(27×3)mm ;管为Φ(27× mm 不锈钢管;为Φ(27× mm 镀锌钢管,直管阻力的两测压口间的距离为 1.5m ;为突然扩大管,管子由Φ(22×3) mm 扩大到Φ(48×3) mm ;a 1、a 2为层流管两端的两测压口;b 1、b 2为球阀的两测压口;c 1、c 2表示截止阀的两测压口;d 1、d 2表示不锈钢管的两测压口;e 1、e 2表示粗糙管的两测压口;f 1、f 2表示突然扩大管的两测压口。系统中孔板流量计以测流量。
四、操作要点
①启动离心泵,打开被测管线上的开关阀及面板上与其对应的切换阀,
关闭其他开关阀和切换阀,确保测压点一一对应。
②系统要排净气体使液体连续流动。设备和测压管线中的气体都要排
净,检验的方法是当流量为零时,观察U形压差计的两液面是否水平。
③读取数据时,应注意稳定后再读数。测定直管摩擦阻力时,流量由大
到小,充分利用面板量程测取10组数据。测定突然扩大管、球阀和
截止阀的局部阻力时,各取3组数据。本次实验层流管不做测定。
④测完一根管数据后,应将流量调节阀关闭,观察压差计的两液面是否
水平,水平时才能更换另一条管路,否则全部数据无效。同时要了解
各种阀门的特点,学会使用阀门,注意阀门的切换,同时要关严,防
止内漏。
五、数据处理
(1)、原始数据
水温:℃
密度:1000kg/m3
粘度:μ=3
10-
⨯
2、数据处理
1)不锈钢管,镀锌管以及层流管的雷诺数和摩擦阻力系数用以下公式计算
雷诺数
du Re
ρ
μ
=
2
2
f p
l u h d λρ∆==⨯
式中
f h ——直管阻力,J/k
g ;
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。
2)突然扩大管的雷诺数及摩擦阻力系数由以下公式计算
雷诺数 du Re ρ
μ
=
摩擦阻力系数
3、数据处理结果如下表所示
数据处理示例:
1、 光滑管:T=20.0℃时水的密度3
1000/Kg m ρ=,粘度s mPa •=005.1μ
以光滑管第4组数据为例:
q v= m3/h ΔP= d=21.0 mm l=1.50 m
f h =
ΔP ρ 22
3
3
220.250.2544 3.11/3600 2.4954543.140.021
0.021 2.4954541000Re 52117.431.00510
220.021 4.63100.020839
1.501000
2.4954540.31630.31630.020934
Re 52117.43v q u d du d P l u πρμλρλ-⨯∴===⨯⨯⨯===⨯∆⨯⨯⨯===⨯⨯=== 2、 粗糙管:
以粗糙管第4组数据为例:
33.1/v q m h
= 21.5d mm = 1.50l m =
22
44 3.1
2.373081
3.140.00215
v q u d π⨯=
==⨯ 3
0.0215 2.3730811000
Re 50741.72
1.00510du ρ
μ
-⨯⨯=
=
=⨯
322
220.0215 6.39100.0325281.501000 2.373081d p l u λρ∆⨯⨯⨯===⨯⨯
3、 突然扩大管:
以第1组数据为例:3
3.80v m
q h
= 4.1036a P kp ∆= 115.5d mm = 1140l mm =
242.0d mm = 2280l mm =