流体阻力实验报告.docx
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流体阻力实验报告
北京化工大学
化工原理实验报告
实验名称:
流体阻力实验
班级:
化工11
姓名:
学号:
2011011序号:
同组人:
设备型号:
流体阻力-泵联合实验装置UPRSⅢ型-第套
实验日期:
2013-11-4
一、实验摘要
本实验使用104实验室UPRSⅢ型第7套实验设备,测量了水流经不锈钢管、镀锌管、突扩管、阀门、层流管的阻力损失。
确定了摩擦系数和局部阻力系数的变化规律和影响因素。
该实验提供了一种测量实际管路阻力系数的方法,其结果可为管路实际应用和工艺设计提供重要的参考。
关键词:
流量,压降,雷诺数,摩擦系数,局部阻力系数
二、实验目的
1、测量湍流直管道的阻力,确定摩擦阻力系数。
2、测量湍流局部管道的阻力,确定局部阻力系数。
3、测量层流直管道的阻力,确定摩擦阻力系数。
三、实验原理
1、直管道和局部管道阻力损失
……
(1)
其中he=0,z1=z2,所以测出管道上下游截面的静压能、动能,代入方程即可求得阻力。
2、根据因次分析法可得:
(1)直管道阻力损失
……
(2)。
其中,l为管道长度,d为管道内径,u为管内平均流速。
只要测定l,d,u,和
,代入方程即可求得阻力hf。
其中,λ的理论值计算方法为:
;
。
对于水平无变径直管道,根据式
(1)、
(2)可得到摩擦系数的计算方法为
。
(2)管道局部阻力损失
……(3)。
其中,ζ为管道局部阻力系数,u为平均流速(突扩管对应细管流速u1)。
将ζ和u代入方程即可求得局部阻力hf。
其中,ζ的理论值计算方法为:
;
;
。
对于水平放置的管件,根据式
(1)、(3)可得到局部阻力系数的计算方法为
;
。
四、实验流程和设备
流体阻力实验带控制点工艺流程
试验介质:
水(循环使用)。
研究对象:
不锈钢管,l=1.500m,d=0.021m,ε=0.02mm;
镀锌管,l=1.500m,d=0.0215m,ε=0.10mm;
突扩管,l1=0.02m,d1=0.0160m,l2=0.28m,d2=0.0420m,ε=0.02mm;
截止阀,DN20,d=0.0205m;
球阀,DN20,d=0.0205m;
层流管,l=1.500m,d=0.0030m。
仪器仪表:
涡轮流量计,L2GY-25型,0.6~10m3.h-1,精确度等级0.5;
温度计,Pt100,0~200
,精度等级0.2;
压差传感器,WNK3051型,-20~100kPa,精度等级0.2,测势能差ΔÞ;
显示仪表:
AI-708等,精度等级0.1,;
变频仪:
西门子MM420型;
天平,0.01g;
量筒、秒表等;
控制系统:
控制电柜+电脑+数据采集软件,380VAC+220VAC
五、实验操作
1、关闭流量调节阀门,按变频器绿色按钮启动泵,再启动软件。
2、打开流量调节阀和所有主管路切换阀10s,排净主管路内的气体。
3、关闭流量调节阀,打开截止阀、球阀中间的两个测压阀,再开压差传感器排气阀门10s,排净引压管路内的气体后,关闭截止阀、球阀中间的两个阀门。
4、将选定测量管的主管路切换阀打开,关闭其他主管路切换阀。
5、只打开测量管的两个测压阀门10s,排净气体后,关闭压差传感器排气阀,记录零点ΔP0。
6、全开流量调节阀,通过变频器的向下箭头键(50至10Hz)改变水流量,直管16m3.h-1以下通过阀门调节流量,测完一组数据后关闭流量调节阀,10Hz条件下再次检查零点ΔP0。
7、层流实验调泵20Hz,关闭11,开12排气,水量=总重-量筒净重,软件每次先点击“开始计时”、“停止计时”,输入水量,再点击“记录数据”,最后改流量,Δt﹤120s,ΔP取平均值。
8、实验结束,关闭流量调节阀、主管路和引压管阀门,开压差传感器排气阀门,停泵。
注意事项:
1、截止阀、闸阀、针阀配备阀手柄,逆时针旋转开启,顺时针旋转关闭。
2、球阀配备长条手柄,只能旋转90度,平行于管道开启,垂直于管道关闭。
3、闸阀全开或全关后,通常再反向旋转
圈。
4、切换管路时,先开下一组的主管路切换阀,再关闭本组切换阀。
5、每切换一组管路,重复4~5步操作,检查记录零点。
6、每做完一个点,都要通过软件点击“查看数据/实验结果”,确定点的取舍和分布等。
六、实验数据表格及计算举例
1、(湍流)不锈钢管
l/m
d/m
ε/mm
1.500
0.0210
0.02
序号
水流量/m3•h-1
管路压降/kPa
水温度
/℃
水密度/kg•m-3
水粘度103/Pa•s
水流速/m•s-1
雷诺数Re
摩擦阻力系数λ
λblasius
1
7.06
19.09
20.2
998.1
1.000
5.66
118647
0.017
0.017
2
7.00
19.03
20.5
998.0
0.993
5.61
118490
0.017
0.017
3
5.10
11.32
20.6
998.0
0.991
4.09
86535
0.019
0.018
4
4.01
7.33
20.8
998.0
0.986
3.22
68367
0.020
0.020
5
3.50
5.79
20.9
998.0
0.983
2.81
59815
0.021
0.020
6
2.80
3.77
20.9
998.0
0.983
2.25
47852
0.021
0.021
7
2.50
3.06
20.9
998.0
0.983
2.00
42725
0.021
0.022
8
2.00
1.95
20.9
998.0
0.983
1.60
34180
0.021
0.023
9
1.60
1.28
20.9
998.0
0.983
1.28
27344
0.022
0.025
10
1.30
0.86
20.9
998.0
0.983
1.04
22217
0.022
0.026
11
1.00
0.50
20.9
998.0
0.983
0.80
17090
0.022
0.028
12
0.80
0.31
20.9
998.0
0.983
0.64
13672
0.021
0.029
13
0.60
0.05
20.9
998.0
0.983
0.48
10254
0.006
0.031
计算举例:
(以第一组数据为例)
水流量Qv=7.06m3/h,管路压降ΔP=19.09kPa,水温度T=20.2℃,管路长度l=1.500m,管路直径d=0.0210m,ε=0.02mm
水密度:
水粘度:
水流速:
雷诺数:
摩擦阻力系数
2、(湍流)镀锌钢管
l/m
d/m
ε/mm
1.500
0.0215
0.10
序号
水流量/m3•h-1
路管压降/kPa
水温度
/℃
水密度/kg•m-3
水粘度103/Pa•s
水流速/m•s-1
雷诺数Re
摩擦阻力系数λ
λblasius
1
6.95
26.18
21.5
997.8
0.969
5.32
117678
0.027
0.017
2
5.50
17.88
21.6
997.8
0.967
4.21
93347
0.029
0.018
3
5.01
15.16
21.6
997.8
0.967
3.83
85031
0.030
0.019
4
4.00
9.60
21.6
997.8
0.967
3.06
67889
0.029
0.020
5
3.50
7.41
21.6
997.8
0.967
2.68
59403
0.030
0.020
6
2.80
4.81
21.6
997.8
0.967
2.14
47522
0.030
0.021
7
2.40
3.61
21.6
997.8
0.967
1.84
40733
0.031
0.022
8
2.00
2.66
21.6
997.8
0.967
1.53
33944
0.033
0.023
9
1.60
1.71
21.6
997.8
0.967
1.22
27155
0.033
0.025
10
1.30
1.17
21.6
997.8
0.967
0.99
22064
0.034
0.026
11
1.01
0.73
21.6
997.8
0.967
0.77
17142
0.035
0.028
12
0.81
0.49
21.7
997.8
0.965
0.62
13780
0.037
0.029
13
0.60
0.30
21.7
997.8
0.965
0.46
10207
0.041
0.031
计算举例:
(以第一组数据为例)
水流量Qv=7.06m3/h,管路压降ΔP=19.09kPa,水温度T=20.2℃,管路长度l=1.500m,管路直径d=0.0215m,ε=0.10mm
水密度:
水粘度:
水流速:
雷诺数:
摩擦阻力系数
3、层流管
l/m
d/m
1.00
0.0029
序号
水质量/g
时间/s
管路压降/kPa
水温度
/℃
水密度/kg•m-3
水粘度103/Pa•s
水流量/l•h-1
水流速/m•s-1
雷诺数Re
摩擦阻系数λ
λ理论值
1
51.84
120.5
0.25
22.2
997.7
0.953
1.55
0.07
198
0.341
0.323
2
104.76
80.5
0.75
22.2
997.7
0.953
4.70
0.20
599
0.112
0.107
3
125.23
60.2
1.25
22.2
997.7
0.953
7.51
0.32
958
0.073
0.067
4
146.84
55.5
1.53
22.3
997.7
0.951
9.55
0.40
1221
0.055
0.052
5
183.94
50.5
2.30
22.3
997.7
0.951
13.14
0.55
1681
0.044
0.038
6
230.09
45.5
3.95
22.4
997.6
0.949
18.25
0.77
2340
0.039
0.027
计算举例:
(以第一组数据为例)
水质量m=51.84g,时间t=120.5s,管路压降ΔP=0.25kPa,水温度T=22.2℃,管路长度l=1.00m,管路直径d=0.0029m
水密度:
水粘度:
水流量:
水流速:
雷诺数:
摩擦阻力系数
4、湍流—突扩管
l1/m
d1/m
l2/m
d2/m
ε/mm
0.02
0.0160
0.28
0.0420
0.02
序号
水流量
/m3•h-1
局部压降/kPa
水温度
/℃
水密度/kg.m-3
水流速(细)/m.s-1
水流速(粗)/m.s-1
局部阻力系数ζ
ζ理论
1
1.00
0.27
21.7
997.8
1.38
0.20
0.695
0.7308
2
2.00
0.91
21.6
997.8
2.76
0.40
0.740
0.7308
3
3.00
2.16
21.6
997.8
4.14
0.60
0.727
0.7308
4
4.00
3.84
21.7
997.8
5.53
0.80
0.727
0.7308
5
5.65
7.67
21.8
997.8
7.81
1.13
0.727
0.7308
计算举例:
(以第一组数据为例)
水流量Qv=1.00m3/h,管路压降ΔP=0.27kPa,水温度T=21.7℃,管路长度l1=0.02m,管路直径d1=0.0160m,l2=0.28m,d2=0.0420m,ε=0.02mm
水密度:
水流速:
;
局部阻力系数:
同理可计算得ζ2=0.740,ζ3=0.727,ζ4=0.727,ζ5=0.727
取平均值得
局部阻力系数理论值:
局部阻力系数的相对误差:
5、湍流—截止阀(全开)
d/m
0.0205
序号
水流量
/m3•h-1
局部压降/kPa
水温度
/℃
水密度/kg.m-3
水流速/m.s-1
局部阻力系数ζ
ζ理论
1
2.00
11.56
22.1
997.7
1.68
8.180
2
3.00
25.56
22.1
997.7
2.52
8.038
3
4.00
45.16
22.1
997.7
3.37
7.989
计算举例:
(以第一组数据为例)
水流量Qv=2.00m3/h,管路压降ΔP=11.56kPa,水温度T=22.1℃,管路直径d=0.0205m
水密度:
水流速:
局部阻力系数:
同理可计算得ζ2=8.038,ζ3=7.989
取平均值得
查表可得局部阻力系数理论值:
局部阻力系数的相对误差:
6、湍流—球阀(全开)
d/m
0.0205
序号
水流量
/m3•h-1
局部压降/kPa
水温度
/℃
水密度/m.s-1
水流速/m.s-1
局部阻力系数ζ
ζ理论
1
2.00
0.77
22.0
997.7
1.68
0.545
2
2.99
1.46
22.0
997.7
2.52
0.462
3
4.00
2.53
22.1
997.7
3.37
0.448
计算举例:
(以第一组数据为例)
水流量Qv=2.00m3/h,管路压降ΔP=0.77kPa,水温度T=22.0℃,管路直径d=0.0205m
水密度:
水流速:
局部阻力系数:
同理可计算得ζ2=0.462,ζ3=0.448
取平均值得
查表可得局部阻力系数理论值:
局部阻力系数的相对误差:
七、实验结果作图及分析
结果分析:
结果分析与误差分析:
1、湍流的摩擦阻力系数随雷诺数的增大而减小,层流的摩擦阻力系数也随雷诺数的增大而减小。
但湍流的λ随Re的变化曲线比层流的平缓。
2、层流的lgλ与lgRe大致呈线性关系。
3、第一组实验的最后一个点偏差较大,可能是因为实验中记错了数据。
4、每次改变流量后可能没等到稳定就读数,这样会带来误差,使压强偏高,导致λ偏大。
八、思考题
1、在测量前为什么要将设备中的空气排净?
怎样才能迅速的排净?
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- 流体 阻力 实验 报告