流體滾動(dòng)阻力的測(cè)定試驗(yàn)報(bào)告

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流體滾動(dòng)阻力的測(cè)定

173210011120232761王曉鴿

一、試驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.把握測(cè)定流體流經(jīng)直管、管件和閥門時(shí)阻力損失的試驗(yàn)方法。

2.測(cè)定直管摩擦系數(shù)λ與雷諾準(zhǔn)數(shù)Re的關(guān)系，驗(yàn)證在一般湍流區(qū)λ與Re的關(guān)系曲線。

3.測(cè)定流體流經(jīng)管件、閥門時(shí)的局部阻力系數(shù)ξ。4.學(xué)會(huì)流量計(jì)和壓差計(jì)的使用方法。

5.識(shí)辨組成管路的各種管件、閥門，并了解其作用。二、試驗(yàn)原理

流體通過(guò)由直管、管件（如三通和彎頭等）和閥門等組成的管路系統(tǒng)時(shí)，由于粘性剪應(yīng)力和渦流應(yīng)力的存在，要損失一定的機(jī)械能。流體流經(jīng)直管時(shí)所造成機(jī)械能損失稱為直管阻力損失。流體通過(guò)管件、閥門時(shí)因流體運(yùn)動(dòng)方向和速度大小改變所引起的機(jī)械能損失稱為局部阻力損失。1．直管阻力摩擦系數(shù)λ的測(cè)定

流體在水平等徑直管中穩(wěn)定滾動(dòng)時(shí)，阻力損失為：

pfp1p2lu2

hf===λ

即，

2dpf

λ=式中：λ—直管阻力摩擦系數(shù)，無(wú)因次；

d—直管內(nèi)徑，m；

pf—流體流經(jīng)l米直管的壓力降，Pa；

hf—單位質(zhì)量流體流經(jīng)l米直管的機(jī)械能損失，J/kg；ρ—流體密度，kg/m3；l—直管長(zhǎng)度，m；

u—流體在管內(nèi)滾動(dòng)的平均流速，m/s。層流流時(shí)，

64λ=

湍流時(shí)λ是雷諾準(zhǔn)數(shù)Re和相對(duì)粗糙度(ε/d)的函數(shù)，須由試驗(yàn)確定。欲測(cè)定λ，需確定l、d，測(cè)定pf、u、ρ、μ等參數(shù)。l、d為裝置參數(shù)（裝置參數(shù)表格中給出），ρ、μ通過(guò)測(cè)定流體溫度，再查有關(guān)手冊(cè)而得，u通過(guò)測(cè)定流體流量，再由管徑計(jì)算得到。pf可用U型管、倒置U型管、測(cè)壓直管等液柱壓差計(jì)測(cè)定，或采用差壓變送器和二次儀表顯示。求取Re和λ后，再將Re和λ標(biāo)繪在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖上。2．局部阻力系數(shù)ξ的測(cè)定

局部阻力損失尋常有兩種表示方法，即當(dāng)量長(zhǎng)度法和阻力系數(shù)法。本試驗(yàn)采用阻力系數(shù)法。

流體通過(guò)某一管件或閥門時(shí)的機(jī)械能損失表示為流體在小管徑內(nèi)滾動(dòng)時(shí)平均動(dòng)能的某一倍數(shù)，局部阻力的這種計(jì)算方法，稱為阻力系數(shù)法。即：

f

hf′==ξ因此，

2pf′ξ=式中：ξ—局部阻力系數(shù)，無(wú)因次；

pf′－局部阻力壓強(qiáng)降，Pa；（本裝置中，所測(cè)得的壓降應(yīng)扣除兩測(cè)壓口間直管段的壓降，直管段的壓降由直管阻力試驗(yàn)結(jié)果求取。）ρ—流體密度，kg/m3；

u—流體在管內(nèi)滾動(dòng)的平均流速，m/s。

根據(jù)連接閥門兩端管徑d，流體密度ρ0，流體溫度t0（查流體物性ρ、μ），及試驗(yàn)時(shí)測(cè)定的流量Q、壓差計(jì)讀數(shù)，求取閥門的局部阻力系數(shù)ξ。三、試驗(yàn)內(nèi)容

1.根據(jù)粗糙管試驗(yàn)結(jié)果，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上標(biāo)繪出λ～Re曲線，對(duì)照化工原理教材上有關(guān)曲線圖，即可估算出該管的相對(duì)粗糙度和絕對(duì)粗糙度。2.根據(jù)光滑管試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)照柏拉修斯方程，計(jì)算其誤差。3.測(cè)定閘閥在不同開度時(shí)的阻力系數(shù)ξ。4.對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析探討。四、試驗(yàn)裝置與流程1.試驗(yàn)裝置流程圖

流體滾動(dòng)阻力測(cè)定試驗(yàn)裝置流程示意圖

1－水箱；2－管道泵；3－渦輪番量計(jì)；4－進(jìn)口閥；5－均壓閥；6－閘閥；7－引壓閥；8－壓力變送器；9－出口閥；10－排水閥；11－電氣控制箱

2.試驗(yàn)流程

試驗(yàn)對(duì)象部分是由貯水箱，離心泵，不同管徑、材質(zhì)的水管，各種閥門、

管件，渦輪番量計(jì)和倒U型壓差計(jì)等所組成的。管路部分有三段并聯(lián)的長(zhǎng)直管，分別為用于測(cè)定局部阻力系數(shù)，光滑管直管阻力系數(shù)和粗糙管直管阻力系數(shù)。測(cè)定局部阻力部分使用不銹鋼管，其上裝有待測(cè)管件(閘閥)；光滑管直管阻力的測(cè)定同樣使用內(nèi)壁光滑的不銹鋼管，而粗糙管直管阻力的測(cè)定對(duì)象為管道內(nèi)壁較粗糙的鍍鋅管。

水的流量使用渦輪番量計(jì)測(cè)量，管路和管件的阻力采用差壓變送器將差壓信號(hào)傳遞給無(wú)紙記錄儀。

3.設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)

①測(cè)光滑直管段：管徑d=0.020m，測(cè)壓點(diǎn)間距離L=1.00m，材料為不銹鋼。

②被測(cè)粗糙直管段：管徑d=0.021m，測(cè)壓點(diǎn)間距離L=1.00m，材料為鍍鋅鐵。

③被測(cè)局部阻力直管段：管徑d=0.020m,長(zhǎng)度0.95m。⑤壓差傳感器：型號(hào)為3351DP4E22B3，測(cè)量范圍為0~15kPa。⑥離心泵：型號(hào)為MS60/37SS，流量為3.6m3/h，揚(yáng)程為14.6m，電機(jī)功率為370W，轉(zhuǎn)速2850rpm。⑦渦輪番量計(jì)：型號(hào)為L(zhǎng)WGY―20。五、試驗(yàn)步驟

1.檢查儲(chǔ)水槽內(nèi)水位是否正常，若缺水須加水至滿，試驗(yàn)中注意保持水體清潔。

2.檢查所有閥門并將閥門關(guān)緊。

3.開啟總電源和儀表開關(guān)，啟動(dòng)水泵至自動(dòng)檔，待電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)后，把出口閥開到最大。

4.排氣：選擇試驗(yàn)管路，把對(duì)應(yīng)的進(jìn)口閥，引壓閥和差壓變送器8的兩個(gè)閥門開啟，并在出口閥最大開度下，保持全流量滾動(dòng)5min左右，直至連接差壓變送器的透明管路內(nèi)氣泡為止。

5.關(guān)閉差壓變送器8的兩個(gè)閥門，在計(jì)算機(jī)監(jiān)控界面點(diǎn)擊該對(duì)應(yīng)管路，則差壓變送器開始檢測(cè)該管路壓差。

6.流量調(diào)理：手動(dòng)狀態(tài)，調(diào)理流量，讓流量從1~5m3/h范圍內(nèi)變化，建議每次試驗(yàn)變化0.25~0.3m3/h。每次改變流量，待滾動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定后，記錄下來(lái)對(duì)應(yīng)的壓差值，溫度，流量。

7.依次選擇光滑管、粗糙管以及局部阻力管路進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)測(cè)量完畢，關(guān)閉所有閥門，關(guān)閉水泵和儀表電源。。五、試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理1．原始數(shù)據(jù)記錄。(1)光滑管數(shù)據(jù)記錄

(2)粗糙管數(shù)據(jù)記錄

(3)局部阻力測(cè)量數(shù)據(jù)記錄

2．根據(jù)粗糙管試驗(yàn)結(jié)果，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上標(biāo)繪出~曲線，對(duì)照化工原理教材上有關(guān)曲線圖，即可估算出該管的相對(duì)粗糙度和絕對(duì)粗糙度。經(jīng)計(jì)算知在試驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中，平均溫度值為20.2℃，查表后由內(nèi)插法計(jì)算可知在此溫度下，=998.2/3；=1.005103Pas。欲測(cè)定λ，需確定、，測(cè)定、、、等參數(shù)。粗糙管中，管徑=0.021，測(cè)壓點(diǎn)間距離=1.00。根據(jù)公式：

2

=，=，λ=

對(duì)數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算后有：

4000，因此判斷在管內(nèi)流體滾動(dòng)方式為湍流。

做出~曲線如下圖所示，根據(jù)教材有關(guān)圖線，查表知相對(duì)粗糙度/=0.002，可計(jì)算得絕對(duì)粗糙度=0.042。另外，從圖線可以看出，隨的不斷增大，逐漸減小。

摩擦系數(shù)~曲線

3.根據(jù)光滑管試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)照柏拉修斯方程，計(jì)算其誤差。

經(jīng)計(jì)算知在試驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中，平均溫度值為19.8℃，查表后由內(nèi)插法計(jì)算可知在此溫度下，=998.2/3；=1.005103Pas。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行與粗糙管一致方法的計(jì)算，并根據(jù)Blasius方程計(jì)算在Re條件下的理論值，計(jì)算試驗(yàn)值與理論值的相對(duì)誤差（相對(duì)誤差公式為

λ

理論值

λ

試驗(yàn)值

λ

100%）。計(jì)算結(jié)果如下表所示：

理論值

分別對(duì)試驗(yàn)值和理論值做~曲線如下圖所示

讀圖可知，受某些因素影響，本次試驗(yàn)測(cè)得的摩擦系數(shù)比理論值偏小，但試驗(yàn)值與理論值都隨Re的增大而逐漸減小。另外，通過(guò)數(shù)據(jù)也可看出，隨Re的增大，相對(duì)誤差逐漸減小。4.閘閥在不同開度時(shí)的阻力系數(shù)ξ。

在試驗(yàn)條件下，平均溫度為21℃，查表后由內(nèi)插法得=998.4/3。對(duì)于一段管路來(lái)說(shuō)，其總阻力損失應(yīng)為直管的摩擦阻力損失與管件的局

′

22

部阻力之和。計(jì)算式為：=+ξ

=

′

2′

ξ=

其中，由光滑管測(cè)量數(shù)據(jù)可知，流量為2.043/時(shí)，其=0.0211；流量為1.233/時(shí)，其=0.0233；=

9002

。分別帶入上述公式，可

得到在不同開度下閥門的局部阻力系數(shù)ξ如下表所示

計(jì)算得半開時(shí)，閥門的局部阻力系數(shù)ξ平均值為4.93，全開時(shí)為0.16。

查教材表可知，閘閥在半開時(shí)的局部阻力系數(shù)理論值為4.5，全開時(shí)為0.17。因此半開時(shí)的相對(duì)誤差為9.56%，全開時(shí)的相對(duì)誤差為5.88%。六、試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)與分析

1.在粗糙管試驗(yàn)中，測(cè)得的數(shù)據(jù)及曲線趨勢(shì)與理論曲線比較吻合，但求出的相對(duì)粗糙度（0.042mm）小于教材附表中查得同種材質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)絕對(duì)粗糙度（0.1-0.2mm），分析其原因可能是：

（1）所用粗糙管在長(zhǎng)期使用后粗糙度降低。

（2）測(cè)量過(guò)程中所測(cè)壓差值小于實(shí)際值，或流量的測(cè)定偏小，導(dǎo)致λ值偏小。

（3）所使用的水已經(jīng)在蓄水池中存放多時(shí)，且并不純凈，不能保證其粘度、密度等參數(shù)與理想狀態(tài)一致。

2.由光滑管的誤差計(jì)算可以看出，隨Re的增大，相對(duì)誤差逐漸減小。說(shuō)明隨流體流速的增加，其他因素的影響逐漸變小，測(cè)得的摩擦系數(shù)越來(lái)越接近于理論值。

3．由局部阻力系數(shù)的測(cè)定結(jié)果可知，流體流速的變化對(duì)一致開度的閘閥下測(cè)得的局部阻力系數(shù)影響不大。從而可知局部阻力系數(shù)在試驗(yàn)條件變化下變化較小。

4．試驗(yàn)中的誤差分析：

（1）調(diào)解儀器狀態(tài)時(shí)儀器無(wú)法處于完全穩(wěn)定的狀態(tài)，讀數(shù)不確鑿。（2）在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，由于滾動(dòng)過(guò)程本身有一定的脈動(dòng)性，壓差不能保持穩(wěn)定，有上下波動(dòng)的狀況，壓差計(jì)的數(shù)據(jù)不斷變化，讀取的數(shù)據(jù)是一個(gè)范圍內(nèi)的平均值，不穩(wěn)定，影響結(jié)果。

（3）在試驗(yàn)過(guò)程中，由于液體滾動(dòng)和管壁有摩擦，會(huì)產(chǎn)生熱量導(dǎo)致溫

度變化，且該變化在管道中各部也不完全一致，屬分布參數(shù)，而溫度變送器僅檢測(cè)所在點(diǎn)溫度，不具有完全代表性。而我們?cè)跀?shù)據(jù)處理時(shí)，僅能取溫度平均值來(lái)查相關(guān)參數(shù)，造成一定誤差。七、思考題

1.以水為工作流體所測(cè)得λRe關(guān)系能否適用于其他種類的牛頓型流體？請(qǐng)說(shuō)明原因。

答：不能。由于其他牛頓型流體的物理性質(zhì)，如密度、粘度等與水不同，而λ、Re與密度、粘度等都有關(guān)，所以不能適用于其他流體。

2.假使要增加雷諾數(shù)的范圍，可采取哪些措施？

答：可以更改流體的溫度、粘度，更改管徑，來(lái)增加雷諾數(shù)的范圍。

3.