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1305班
姓名：张玮航
学号：序号： 11
同组人：宋雅楠、陈一帆、陈骏
设备型号：流体阻力-泵联合实验装置UPRSⅢ型-第4套
实验日期： 2015-11-27
一、实验摘要
首先，本实验使用UPRS Ⅲ型第4套实验设备，通过测量不同流速下水流经不锈钢管、镀锌管、层流管、突扩管、阀门的压头损失来测定不同管路、局部件的雷诺数与摩擦系数曲线。确定了摩擦系数和局部阻力系数的变化规律和影响因素，验证在湍流区内λ与雷诺数Re 和相对粗糙度的函数。该实验结果可为管路实际应用和工艺设计提供重要的参考。
结果，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：
0.25
0.3163Re λ= 。
突然扩大管的局部阻力系数随Re 的变化而变化。
关键词：摩擦系数，局部阻力系数，雷诺数，相对粗糙度 二、实验目的
1、掌握测定流体流动阻力实验的一般实验方法：
①测量湍流直管的阻力，确定摩擦阻力系数。 ②测量湍流局部管道的阻力，确定摩擦阻力系数。 ③测量层流直管的阻力，确定摩擦阻力系数。
2、验证在湍流区内摩擦阻力系数λ与雷诺数Re 以及相对粗糙度的关系。
3、将实验所得光滑管的λ-Re 曲线关系与Blasius 方程相比较。 三、实验原理
1、 直管阻力
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会产生摩擦阻力（即直管阻力）；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，会产生局部阻力。由于分子的流动过程的运动机理十分复杂，目前不能用理论方法来解决流体阻力的运算问题，必须通过实验研究来掌握其规律。为了减少实验的工作量、化简工作难度、同时使实验的结果具有普遍的应用意义，应采用基于实验基础的量纲分析法来对直管阻力进行测量。
利用量纲分析的方法，结合实际工作经验，流体流动阻力与流体的性质、流体流经处的几何尺寸、流体的运动状态有关。可表示为：()u l d f p ,,,,,μρε=?。
通过一系列的数学过程推导，引入以下几个无量纲数群：
①雷诺数：
Re du ρ
μ=
；②相对粗糙度： d ε；③长径比： l
d
整理得到：
2
,,p du l u d d ρεψρμ???= ???
其中，令：
Re,d ελ?
?=Φ ?
??为直管阻力系数，则有 2Re,2p l u d d ερ???=Φ ???。 阻力系数与压头损失之间的关系可通过实验测得，上式改写为：
2
2f p
l u H d λρ?==?
（1）
（式中
f
H ——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—直管中的摩擦阻力系数。）
根据机械能衡算方程，实验测量
f
H ：
2
2e
p
u g z H ρ??=?+++ （2）
对于水平无变径直管道，结合式（1）与式（2）可得摩擦系数：
λ测量
22d p l u ρ??=??
当流体在管径为d 的圆形管中流动时选取两个截面，用U 形压差计测出
这两个截面的压强差，即为流体流过两截面间的流动阻力。通过改变流速可测出不同Re 下的摩擦阻力系数，这样便能得到某一相对粗糙度下的Re λ-关系。
其中，经过大量实验后人们发现：
1、层流圆直管（Re<2000）：λ=φ（Re ）即λ=64/Re
2、湍流水力学光滑管（Re>4000）：λ=
3、湍流普通直管（4000 ???? ? ?+-=λελRe 7.182log 274.11 d 4、湍流普通直管（Re>临界点）：λ=φ（ε/d）即??? ??-=d ελ2log 274.11 将上述经验结果归纳为表1 。 表1 摩擦阻力系数与雷诺数关系 直管段两端使用电子压差计来测量压差。对于任意一种流体，其直管摩擦系数λ仅与Re 和有关。因此只要在实验室的小规模装置上利用水作实验物系，进行有限量的实验，就可以确定λ与Re 和的关系，从而计算任意流体在管路中的流动阻力损失，这些结论就可以推广到工业生产实际中去。 2、局部阻力 流体的边界在局部地区发生急剧变化时，迫使主流脱离边壁而形成漩涡，流体质点间产生剧烈的碰撞，所形成的阻力称为局部阻力。局部阻力通常以当量长度法或局部阻力系数法表示。本实验中采用局部阻力系数法。 ①当量长度法：流体通过阀门或管件的局部阻力损失，若与流体流过一定长度的相同管径的直管阻力相当，则称这一直管长度为管件或阀门的当量长度，用符号e l 表示。在管路计算时，可求出管路与阀门的当量长度之和e l ∑。如所计算的管路长度为l ，则流体在管路中流动的总阻力损失为： ②局部阻力系数法：流体通过某一件阀门或管件的阻力损失用流体在管路中的动能系数来表示，这种计算局部阻力的方法，称为阻力系数法，即 对于不同的阀门和管径变化，有着不同的局部阻力系数。局部阻力系数的大小归结为一个表中。见表2 。 表 2 局部阻力系数 与局部结构关系 （Re>4000） () 122 2p p u ?ρ-= （无变径）和() 2122 121p p u u ρ ?-+ =- （有变径） （ 式中，p 1 、p 2分别为上下游截面压强差，u 1 、u 2为两个管径内的平均流速，ρ——流体密度） 四、实验流程和设备 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 实验介质：水（循环使用） 研究对象：不锈钢管，l=,d=; 镀锌管，l=,d=; 突扩管，l1=,d1=,l2=,d2=; 截止阀，DN20,d=; 球阀，DN20,d=; 层流管，l=,d=; 仪器仪表：涡轮流量计，LWGY-25型，~10m3/h,精确度等级； 温度计，Pt100,0~200℃，精度等级 压差传感器，WNK3051型，-20~100kPa，精度等级 显示仪表：AI-708等，精度等级。 变频仪：西门子MM420型。 其他：计算机数据采集和处理，380VAC+220VAC 五、实验操作 1、准备工作及通用操作： 1、开泵。打开各管路的切换阀门，关闭流量调节阀，按变频仪上绿色按钮启动泵，固定转速（f=50Hz），观察到泵出口表压力为左右时即可开始实验。 2、排气。排尽整个系统的气体，包括设备主管和测压管线中的气体。具体步骤为：全开压差传感器排气阀，打开流量调节阀11数十秒钟后再关闭，这时流量为零，等待一段时间，观察压差传感器指示读数是否为0（+），否则，要重新排气。 对于测压管线排气：打开全部测压阀、压差传感器排气阀，查看Δp孔板。再次打开传感器排气阀，10秒后关闭，重复多次至零点不变，记录Δp孔板。 3、实验测取数据。打开镀锌管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。流量由大到小，测取数据。 4、测量球阀和截止阀数据的方法同上。 2、不锈钢管实验： 1、打开传感排气阀并记录ΔP。 2、打开不锈钢管测量管路切换阀，测压阀。 3、打开流量调节阀从小到大调节流量，h以上通过变频器调节，记录数据。 3、镀锌管实验： 1、打开传感排气阀并记录ΔP。 2、打开镀锌管测量管路切换阀，测压阀。关闭其他切换阀、测压阀。 3、打开流量调节阀从小到大调节流量，h以上通过变频器调节，记录数据。 4、球阀、截止阀实验： 1、打开传感排气阀并记录ΔP。 2、打开球阀、截止阀测量管路切换阀。关闭其他切换阀、测压阀。 3、打开球阀两端的测压阀。 4、打开流量调节阀从小到大调节流量，h以上通过变频器调节，记录数据。 5、关闭球阀两端测压阀，开启截止阀两端测压阀，重复上述过程，记录数据。 5、层流管实验： 1、打开传感排气阀并记录ΔP。 2、降低水泵频率。 3、闭其他切换阀、测压阀。全开层流管流量阀。 4、调节层流管路出口阀，改变管路压降，用量桶测量一定时间内流出的液体量，并记录其重量。 6、结束实验： 关闭全部阀门，通过变频器关泵，关闭控制柜。切断电源，整理实验数据，清理实验台。 计算示例：以第一组为例 1） 流速() ()32 2 440.60 0.463.140.02153600 v q m s u m s d π?= = =?? 2） 雷诺数3 0.02150.46996.3 Re 9960.21.0210 du ρ μ -??= = =? 3） 摩擦系数220.02150.391000 0.024996.3 1.50.46 d p lu λρ????= ==?? 4） 理论摩擦系数0.250.31630.032Re Blasius λ= == 计算示例：以第一组为例 1） 流速()3224()40.76 0.583.140.02153600 v q m s u m s d π?= ==?? 2） 雷诺数3 0.02150.58996.3 Re 122161.01710 du ρ μ -??= = =? 3） 摩擦系数220.02150.431000 0.021996.3 1.50.58 d p lu λρ????= ==?? 4） 理论摩擦系数0.25 0.31630.030Re Blasius λ= == 计算示例：以第一组为例 1） 流速 ()()3122 13 222 24()4 1.98 2.743.140.016036004()4 1.98 0.3973.140.04203600v v q m s u m s d q m s u m s d ππ?===??? = ==?? 2） 雷诺数 1113 0.0160 2.74996.13 Re 43670.21.00510d u ρ μ -??= = =? 3） 局部阻力系数 22222 10.3970.781000996.2110.8742.74u p u ρ?????+?+?=-=-= ? ????? 4） 理论局部阻力系数222 221122220.0161110.7310.042A d A d ??????? =-=-=-= ? ? ??????? 计算示例：以第一组为例 1） 流速 ()22 1.673.140.02053600 v u m s d π= ==?? 2） 雷诺数 0.0205 1.67995.919 Re 345440.000987 du ρ μ ??= = = 3） 局部阻力系数22 229.521000 6.86995.92 1.67 p u ?ρ???= ==? 计算示例：以第一组为例 1） 流速()322 4()4 2.02 1.623.140.0213600 v q m s u m s d π?===?? 2） 雷诺数4 0.021 1.62995.9 Re 343969.8510du ρ μ -??= = =? 3） 局部阻力系数22 220.761000 0.58995.9 1.62p u ?ρ???= ==? 计算示例：以第一组为例 1） 流量317.4()3600 1.26()995.9()50() v m g q L h t kg m g L s ρ?= ===? 2） 流速()220.0503.140.00336001000 v u m s d π= ==??? 3） 雷诺数0.00300.05995.9 Re 1510.000985 du ρ μ ??= = = 4） 摩擦系数22 220.00300.281000 0.45995.9 1.50.05 d p lu λρ????= ==?? 5） 理论摩擦系数6464 0.43Re 151 λ= == 七、实验结果作图及分析 进行数据处理后利用Excel 软件进行关系曲线的绘制，得到结果如下： 1、对光滑管与粗糙管的实验结果分析： 对于光滑管，实验数值的阻力摩擦系数应大略微于等于理论值。通过实验测出的光滑管（不锈钢管）的λ-Re 关系曲线与Blasius 理论得出的曲线在Re 临界值之前十分接近，仅仅是略微较低于理论值。这说明了Blasius 公式在Re=4000至临界值区间上与实际情况吻合得较好。当雷诺数继续增大后，阻力系数逐渐趋近于一个定值，此时实验曲线开始偏离理论曲线。即实验结果产生了微小偏差，产生这种偏差的原因很可能是读数时压力波动有不稳定的情况，而我们在读取压力时进行了折中取值。 对于粗糙管（镀锌管），其λ-Re 关系曲线形态与光滑管大体相似，在雷诺数Re 相同时，实验数值的阻力摩擦系数比光滑管的大，其间的曲线关系应该位 于理论值曲线的上方。粗糙管内的摩擦阻力系数不仅随雷诺数的变化而变化，其大小还与管道的相对粗糙度有直接关系。此外，粗糙管的λ-Re关系曲线与理论曲线偏离明显，这说明Blasius公式对水力光滑管更加适用，而不适用于粗糙管。 结论：光滑管与粗糙管的摩擦阻力系数均随雷诺数Re的增大而减小，当Re 增大到一定程度时，有一临界值，λ逐渐趋于一个定值。此后的流动可以认为进入了阻力平方区。 2、对层流管的实验结果分析： 对于层流管，在流速较低时（层流区内），数据点在大体落在理论曲线附近， 呈线性分布，这表明实验结果与理论结果高度吻合。但随着流速增加，曲线较理论线有向下偏离，这与测量过程中的误差有一定关系。 改进办法：延长测量流量的时间，并且在每次改变流速后多稳定一段时间，让管内流动更趋近于稳态来提高测量的稳定性。 3、对突扩管的实验结果分析 对于突扩管，在雷诺数相同时，局部阻力系数的实验数值大于理论值，且能够根据本实验结果得出不同流速下（湍流），突扩管的局部阻力系数大体相同的结论。局部阻力系数的实验数值大于理论值的情况，很可能是由于局部件长时间使用后有一定程度的损耗造成的。但对于一定状态下的同一种局部件，其局部阻力基本为定值。 4、对球阀与截止阀的实验结果分析 从实验数据上看，两种局部件的局部阻力系数随流速的增加略有下降，但幅度不大。相较而言，同种情况下，球阀的局部阻力系数远小于截止阀，这与其结 构密切相关。 八、思考题 1、在测量前为什么要将设备中的空气排净，怎样才能迅速地排净？ 答：为什么要将空气排尽？在流动测定中气体在管路中，对流动的压力测量产生偏差，在实验中排出气体，保证流体的连续，这样流体的流动测定才能准确。 怎样迅速排尽？先打开出口阀排净管路中的空气，然后关闭出口阀开U形压差计的排气阀。 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？ 答：量纲分析法的特点之一就是结论具有普遍的推广性，只要ε/d 相同，λ-Re 数据就能关联在一条曲线上。 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？ 答：对于其他牛顿型流体也适用。因为Re 如果相同时，其他的流体的密度和黏度都能从它上面反应出来，所以仍然适用。 4、以下测出的直管摩擦阻力与设备的放置状态有关吗？它们分别是多少？（管径、管长一样，管内走水，且R1=R2=R3） 答：无关，以上三组测出的直管阻力均相等。由伯努利方程： f H g p g u z g p g u z ∑+++=++ρρ222 212 1 122，12f 12z p p H z g ρ-=-+ ∑，其中 g u d l H f 22 ?=∑λ。因为U 形压差计的高度差R 是反映两个测压点截面位能和压强能（即势能）的综合变化值。即R=（gz 1-gz 2）＋ 12 p p ρ -。因为R 1=R 2=R 3，u 1=u 2，所以三种 状态下的Hf 不变，即λ不变。即当R 相同时，三种情况的摩擦阻力系数也相等。 5、柏努利方程与机械能衡算式有什么关系？它们的适用条件是什么？ 答：二者关系：机械能衡算式是伯努利方程式的理论基础。 适用条件：机械能衡算适用于所有流体。伯努利方程只适用于不可压缩的理想流体在稳定状态下恒温流动的情况。是机械能衡算式的一种特殊及常用的情况。 注：本实验的流体满足柏努利方程，推导水平无变径直管道摩擦阻力系数λ的时候就采用了柏努利方程。 化工原理绪论、流体流动、流体输送机械 、填空题 一个生产工艺是由若干个 各单元操作的操作原理及设备计算都是以 四个概念为依据的。 常见的单位制有 一个过程在一定条件下能否进行，以及进行到什么程度，只有通过 断。 单位时间过程的变化率称为 问答题 7. 什么是单元操作？主要包括哪些基本操作? 8. 提高过程速率的途径是什么？ 第一章流体流动 填空题 流体垂直作用于单位面积上的力，称为 两种。 当管中流体形成稳定流动时，管中必定充满流体，即流体必定是 因。另外，管壁粗糙度和管子的长度、直径均对流体阻力 流体在管道中的流动状态可分为 点运动方式上的区别是 判断液体处于同一水平面上的各点压强是否相等的依据是 流体若由低压头处流向高压头处时，所加入外加功的作用是 在测量流体的流量时，随流量的增加孔板流量计两侧的压差将 ________ ，若改用转 子流量计，随流量增加转子两侧压差值 ___________________ 。 选择题 构成的。 由于在计量各个物理量时采用了不同的 ，因而产生了不同的单位制。 来判 单位体积流体的质量称为 ，它与 互为倒数。 单位时间流经管道任一截面的流体量称为 ,其表示方法有 的。 产生流体阻力的根本原因是 ；而 是产生流体阻力的第二位原 .两种类型，二者在部质 10 . 液体的密度随温度的升高而 11 表压值是从压强表上读得的，它表示的是 D 大气压强 13 - 气体在等截面的管道中流动时，如质量流量不变则其质量流速 14 - 粘度愈大的流体其流动阻力 15 - 柏努利方程式既可说明流体流动时的基本规律也能说明流体静止时的基本规律, 响却越来越明显。 18 - 当液体部任一点的压强有变化时，将使液体部其它各点的压强 二' 判断题 19 - 气体的粘度随压力的升高而增大。 （） 20 - 层流层的厚度随流体湍动程度的增加而增加。 21 -流体在管路中作稳定流动时，任一截面处流体的流速、密度与截面积的乘积均相等。 22 ■当液体部某点压强一定时，则液体的密度越大，此点距液面的高度也越大。 23 -流体阻力的主要表现之一是静压强下降。 24 ■ 真空度为定值时，大气压强越大，则绝对压强越大。 A 增大 B 减小 C 不变 不一定 A 比大气压强高出的部分 B 设备的真实压力 比大气压强低的部分 12 ■ 流体的流动类型可以用 的大小来判定。 A 流速 B 雷诺准数 C 流量 摩擦系数 A 随温度大小变化 B 随压力大小变化 C 不变 D 随流速大小变化 A 愈大 B 愈小 C 二者无关系 D 不会变化 表明静止流体任一点流体的 是常数。 A 总能量 B 静压能与动压能的和 C 压强 静压 台匕 冃匕 16 -流体的流动状态是由多方面因素决定的, 增大，都使流体向 向移动， 增大，使流体向 方向移动。 A 湍流 B 滞流 C 过渡流 D 稳流 17 ■ 湍流流动的流体随 Re 值的增大，摩擦系数与 关系不大，而 的影 A 雷诺准数 B 粘度 C 管壁粗糙度 D 流体阻力 A 发生变化 B 发生同样大小的变化 C 不变化 D 发生不同情况的变 . 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UPRS Ⅲ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e f h u p gZ u p gZ h +++-++=)2()2(2 2 22211 1ρρ (1) 其中h e =0,z 1=z 2,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 2 u d l h f ?=λ……(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λ，代入方程即可求得阻力h f 。 其中，λ的理论值计算方法为：25 .0Re 3163.0=湍流λ ； Re 64 = 层流λ。 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221) (2u l p p d ??-=ρλ测量。 （2）管道局部阻力损失2 2 1 u h f ?=ζ……（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u 1）。将ζ和u 代入方程即可求得局部阻力h f 。 其中，ζ的理论值计算方法为：2 2 1)1(A A - =突扩管ζ ;常数截止阀=ζ；常数球阀=ζ。 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2 21) 2u p p ?-=ρζ（阀门；2 1 122 2) (2-1u p p u ρ ζ-+ =突扩管。 四、实验流程和设备 北 京 化 工 大 学 实 验 报 告 课程名称： 化工原理实验 实验日期： 2008.10.29 班 级： 化工0602 姓 名：许兵兵 学 号： 200611048 同 组 人 ：汤全鑫 阮大江 阳笑天 流体流动阻力的测定 摘要 ● 测定层流状态下直管段的摩擦阻力系数（光滑管、粗糙管和层流管）。 ● 测定湍流状态不同（ε/d）条件下直管段的摩擦阻力系数（突然扩大管）。 ● 测定湍流状态下管道局部的阻力系数的局部阻力损失。 ● 本次实验数据的处理与图形的拟合利用Matlab 完成。 关键词 流体流动阻力 雷诺数 阻力系数 实验数据 Matlab 一、实验目的 1、掌握直管摩擦阻力系数的测量的一般方法； 2、测定直管的摩擦阻力系数λ以及突扩管的局部阻力系数ζ； 3、测定层流管的摩擦阻力 4、验证湍流区内λ、Re 和相对粗糙度的函数关系 5、将所得光滑管的Re -λ方程与Blasius 方程相比较。 二、实验原理 不可压缩流体（如水），在圆形直管中作稳定流动时，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和弯头等管件时，由于流体运动的速度和方向突然发生变化，产生局部阻力。影响流体流动阻力的因素较多，在工程研究中，利用因次分析法简化实验，引入无因此数群 雷 诺 数： μρ du = Re 相对粗糙度： d ε 管路长径比： d l 可导出： 2)(Re,2u d d l p ??=?εφρ 这样，可通过实验方法直接测定直管摩擦阻力系数与压头损失之间的关系： 22u d l p H f ? ?=?=λρ 因此，通过改变流体的流速可测定出不同Re 下的摩擦阻力系数，即可得出一定相对粗糙度的管子的λ—Re 关系。 在湍流区内，λ = f（Re ，ε/ d ），对于光滑管大量实验证明，当Re 在3×103至105的范围内，λ与Re 的关系遵循Blasius 关系式，即： 25 .0Re 3163.0=λ 对于层流时的摩擦阻力系数，由哈根—泊谡叶公式和范宁公式，对比可得： Re 64=λ 局部阻力： f H =2 2 u ?ξ [J/kg] 三、装置和流程 四、操作步骤 1、启动水泵，打开光滑管路的开关阀及压降的切换阀，关闭其它管路的开关阀和切换阀； 2、排尽体系空气，使流体在管中连续流动。检验空气是否排尽的方法是看当流量为零时候U 形压差计的两液面是否水平； 3、调节倒U 型压差计阀门1、2、3、 4、5的开关，使引压管线内流体连续、液柱等高； 4、打开流量调节阀，由大到小改变10次流量（Re min ＞4000）,记录光滑管压降、孔板压降数据； 5、完成10组数据测量后，验证其中两组数据，确保无误后，关闭该组阀门； 6、测量粗糙管（10组）、突然扩大管（6组）数据时，方法及操作同上； 7、测量层流管压降时，首先连通阀门6、7、8、9、10所在任意一条回流管线，其次打开进入高位水灌的上水阀门11，关闭出口流量调节阀16； 8、当高位水灌有溢流时，打开层流管的压降切换阀，对引压管线进行排气操作； 9、打开倒U 型压差计阀门5，使液柱上升到n 型压差计示数为0的位置附近，然后关闭该阀门，检 图1 流体阻力实验装置流程图 1． 水箱 2．离心泵 3．孔板流量计 4．管路切换阀 5．测量管路 6．稳流罐 7．流量调节阀 《化工原理实验》 讲稿 二0一四年二月 1.雷诺实验 一、实验目的 1.观察层流、湍流的流态及其转化特征； 2.测定临街雷诺准数，掌握圆管流动形态的判别准则； 3.观察紊流（或湍流）产生过程，理解紊流产生机理。 二、实验原理 1. 液体在运动时，存在着两种根本不同的流动状态。当液体流速较小时，惯性力较小，粘滞力对质点起控制作用，使各流层的液体质点互不混杂，液流呈层流运动。当液体流速逐渐增大，质点惯性力也逐渐增大，粘滞力对质点的控制逐渐减弱，当流速达到一定程度时，各流层的液体形成涡体并能脱离原流层，液流质点即互相混杂，液流呈紊流运动。这种从层流到紊流的运动状态，反应了液流内部结构从量变到质变的一个变化过程。 2.当初始状态流速较大时，从紊流到层流的过渡流速为下临界流速，对应的雷诺准数为下临界雷诺数，反之为上临界流速和上临界雷诺数。 μ ρu d = Re （1） 式中 d ——导管直径，m ； ρ——流体密度，kg ·m 3-； μ——流体粘度，Pa ·s ； u ——流体流速，m ·s 1-； 大量实验测得：当雷诺准数小于某一下临界值时，流体流动型态恒为层流；当雷诺数大于某一上临界值时，流体流型恒为湍流。在上临界值与下临界值之间，则为不稳定的过渡区域。对于圆形导管，下临界雷诺数为2000，上临界雷诺数为10000。一般情况下，上临界雷诺数为4000时，即可形成湍流。 应当指出，层流与湍流之间并非是突然的转变，而是两者之间相隔一个不稳定过渡区域，因此，临界雷诺数测定值和流型的转变，在一定程度上受一些不稳定的其他因素的影响。 三、实验装置 (雷诺实验仪CEA —F01型) 雷诺试验装置主要由稳压溢流水槽、试验导管和转子流量计等部分组成，如图1所示。自来水不断注入并稳压溢流水槽。稳压溢流水槽的水流经试验导管和流量计，最后排入下水道。稳压溢流水槽的溢流水，也直接排入下水道。 第一章《流体力学》练习题 一、单选题 1．单位体积流体所具有的（）称为流体的密度。 A 质量； B 粘度； C 位能； D 动能。 A 2．单位体积流体所具有的质量称为流体的（）。 A 密度； B 粘度； C 位能； D 动能。 A 3．层流与湍流的本质区别是（）。 A 湍流流速＞层流流速； B 流道截面大的为湍流，截面小的为层流； C 层流的雷诺数＜湍流的雷诺数； D 层流无径向脉动，而湍流有径向脉动。 D 4．气体是（）的流体。 A 可移动； B 可压缩； C 可流动； D 可测量。 B 5．在静止的流体内，单位面积上所受的压力称为流体的（）。 A 绝对压力； B 表压力； C 静压力； D 真空度。 C 6．以绝对零压作起点计算的压力，称为（）。 A 绝对压力； B 表压力； C 静压力； D 真空度。 A 7．当被测流体的（）大于外界大气压力时，所用的测压仪表称为压力表。 A 真空度； B 表压力； C 相对压力； D 绝对压力。 D 8．当被测流体的绝对压力（）外界大气压力时，所用的测压仪表称为压力表。 A 大于； B 小于； C 等于； D 近似于。 A 9．（）上的读数表示被测流体的绝对压力比大气压力高出的数值，称为表压力。 A 压力表； B 真空表； C 高度表； D 速度表。 A 10．被测流体的（）小于外界大气压力时，所用测压仪表称为真空表。 A 大气压； B 表压力； C 相对压力； D 绝对压力。 D 11. 流体在园管内流动时，管中心流速最大，若 为湍流时，平均流速与管中心的最大流速的关系为（）。 A. Um＝1/2Umax； B. Um＝0.8Umax； C. Um＝3/2Umax。 B 12. 从流体静力学基本方程了解到U型管压力计测量其压强差是( )。 A. 与指示液密度、液面高度有关，与U形管粗细无关； B. 与指示液密度、液面高度无关，与U形管粗细有关； C. 与指示液密度、液面高度无关，与U形管粗细无关。 A 实验七、沿程阻力实验 一、实验目的填空 1．掌握测定镀锌铁管管道沿程阻力系数的方法； 2．在双对数坐标纸上绘制λ-Re的关系曲线； 3．进一步理解沿程阻力系数随雷诺数的变化规律。 二、实验装置 在图1-7-1下方的横线上正确填写实验装置各部分的名称 本实验采用管流实验装置中的第1根管路，即实验装置中最细的管路。在测量较大压差时，采用两用式压差计中的汞-水压差计；压差较小时换用水-气压差计。 另外，还需要的测量工具有量水箱、量筒、秒表、温度计、水的粘温表。 F1——文秋利流量计；F2——孔板流量计；F3——电磁流量计； C——量水箱；V——阀门；K——局部阻力实验管路 图1-7-1 管流综合实验装置流程图 三、实验原理在横线正确写出以下公式 本实验所用的管路是水平放置且等直径，因此利用能量方程式可推得管路两点间的沿程水头 损失计算公式： 2 2f L v h D g λ = （1-7-1） 式中： λ——沿程阻力系数； L ——实验管段两端面之间的距离，m ； D ——实验管内径，m ； g ——重力加速度（g=9.8 m/s 2）； v ——管内平均流速，m/s ； h f ——沿程水头损失，由压差计测定。 由式（1-7-1）可以得到沿程阻力系数λ的表达式： 2 2f h D g L v λ= （1-7-2） 沿程阻力系数λ在层流时只与雷诺数有关，而在紊流时则与雷诺数、管壁粗糙度有关。 当实验管路粗糙度保持不变时，可得出该管的λ-Re 的关系曲线。 四、实验要求 填空 1．有关常数 实验装置编号：No. 7 管路直径：D = 1.58 cm ； 水的温度：T = 13.4 ℃； 水的密度：ρ= 0.999348g/cm 3； 动力粘度系数：μ= 1.19004 mPa ?s ； 运动粘度系数：ν= 0.011908 cm 2/s ； 两测点之间的距离：L = 500 cm 化工原理实验报告 实验名称：流体流动阻力测定 班级： 学号： 姓名： 同组人： 实验日期： 流体阻力实验 一、摘要 通过测定不同阀门开度下的流体流量v q ，以及测定已知长度l 和管径d 的光滑直管和粗糙直管间的压差p ?，根据公式22u l p d ρλ?=，其中ρ为实验温度下流体的密度；流 体流速2 4d q u v π= ，以及雷诺数μ ρdu =Re （μ为实验温度下流体粘度），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 -λ双对数坐标图，可以得出两者的关系曲线，以及和光滑管遵循的Blasius 关系式比较关系，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。由公式2 22 1 21p u u ρζ ?+ =- 可求出突然扩大管的局 部阻力系数，以及由Re 64=λ求出层流时的摩擦阻力系数λ，再和雷诺数Re 作图得出层 流管Re -λ关系曲线。 关键词：摩擦阻力系数 局部阻力系数 雷诺数Re 相对粗糙度ε/d 二、实验目的 1、掌握测定流体流动阻力实验的一般试验方法； 2、测定直管的摩擦阻力系数λ及突然扩大管的局部阻力系数ζ； 3、测定层流管的摩擦阻力系数λ； 4、验证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； 5、将所得光滑管的λ-Re 方程与Blasius 方程相比较。 三、实验原理 1、直管阻力损失函数：f （h f ，ρ，μ， l ，d ，ε, u ）=0 应用量纲分析法寻找hf （ΔP /ρ）与各影响因素间的关系 1）影响因素 物性：ρ，μ 设备：l ，d ，ε 操作：u （p,Z ） 2）量纲分析 ρ[ML -3]，μ[ML -1 T -1]，l [L] ，d [L]，ε[L]，u [LT -1]，h f [L 2 T -2] 3）选基本变量（独立，含M ，L ，T ） d ，u ，ρ（l ，u ，ρ等组合也可以） 4）无量纲化非基本变量 μ：π1＝μρa u b d c [M 0L 0T 0] =[ML -1 T -1][ML -3]a [LT -1]b [L]c ? a=-1,b=-1,c=-1 变换形式后得：π1＝ρud /μ l:π2＝l/d ε:π3＝ε/dh f :π4＝h f /u 2 5）原函数无量纲化 实验四 1.实验中冷流体和蒸汽的流向，对传热效果有何影响? 无影响。因为Q=αA△t m，不论冷流体和蒸汽是迸流还是逆流流动，由 于蒸汽的温度不变，故△t m不变，而α和A不受冷流体和蒸汽的流向的影响， 所以传热效果不变。 2.蒸汽冷凝过程中，若存在不冷凝气体，对传热有何影响、应采取什么 措施？ 不冷凝气体的存在相当于增加了一项热阻，降低了传热速率。冷凝器 必须设置排气口，以排除不冷凝气体。 3.实验过程中，冷凝水不及时排走，会产生什么影响？如何及时排走冷 凝水？ 冷凝水不及时排走，附着在管外壁上，增加了一项热阻，降低了传热速 率。在外管最低处设置排水口，及时排走冷凝水。 4.实验中，所测定的壁温是靠近蒸汽侧还是冷流体侧温度？为什么？传热系数k 接近于哪种流体的 壁温是靠近蒸汽侧温度。因为蒸汽的给热系数远大于冷流体的给热系 数，而壁温接近于给热系数大的一侧流体的温度，所以壁温是靠近蒸汽侧温度。而总传热系数K接近于空气侧的对流传热系数 5.如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α关联式有何影响？ 基本无影响。因为α∝(ρ2gλ3r/μd0△t)1/4，当蒸汽压强增加时，r 和△t 均增加，其它参数不变，故(ρ2gλ3r/μd0△t)1/4变化不大，所以认为蒸汽压强 对α关联式无影响。 实验五固体流态化实验 1.从观察到的现象，判断属于何种流化？ 2.实际流化时，p为什么会波动？ 3.由小到大改变流量与由大到小改变流量测定的流化曲线是否重合，为什么？ 4流体分布板的作用是什么？ 实验六精馏 1．精馏塔操作中，塔釜压力为什么是一个重要操作参数，塔釜压力与哪些因素有关? 答（1）因为塔釜压力与塔板压力降有关。塔板压力降由气体通过板上孔口或通道时为克服局部阻力和通过板上液层时为克服该液层的静压力而引起，因而塔板压力降与气体流量（即塔内蒸汽量）有很大关系。气体流量过大时，会造成过量液沫夹带以致产生液泛，这时塔板压力降会急剧加大，塔釜压力随之升高，因此本实验中塔釜压力可作为调节塔釜加热状况的重要参考依据。（2）塔釜温度、流体的粘度、进料组成、回流量。 2．板式塔气液两相的流动特点是什么? 答：液相为连续相，气相为分散相。 3．操作中增加回流比的方法是什么，能否采用减少塔顶出料量D的方法? 答：（1）减少成品酒精的采出量或增大进料量，以增大回流比；（2）加大蒸气量，增加塔顶冷凝水量，以提高凝液量，增大回流比。 5．本实验中进料状态为冷态进料，当进料量太大时，为什么会出现精馏段干板，甚至出现塔顶既没有回流也没有出料的现象，应如何调节? 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：化工10 学号：2010 姓名： 同组人： 实验日期：2012.10.10 流体阻力实验 一、摘要 通过测定不同阀门开度下的流体流量v q ，以及测定已知长度l 和管径d 的光滑直管和粗糙直管间的压差p ?，根据公式2 2u l p d ρλ?=，其中ρ为实验温度下流体的密度；流体流速 24d q u v π= ，以及雷诺数μ ρdu =Re （μ为实验温度下流体粘度），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 -λ双对数坐标图，可以得出两者的关系曲线，以及和光滑管遵循的Blasius 关系式比较关系，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。由公式2 22 1 21p u u ρζ?+ =- 可求出突然扩大管的局部阻力系数，以及由 Re 64= λ求出层流时的摩擦阻力系数λ，再和雷诺数Re 作图得出层流管Re -λ关系曲线。 关键词：摩擦阻力系数 局部阻力系数 雷诺数Re 相对粗糙度ε/d 二、实验目的 1、掌握测定流体流动阻力实验的一般试验方法； 2、测定直管的摩擦阻力系数λ及突然扩大管的局部阻力系数ζ； 3、测定层流管的摩擦阻力系数λ； 4、验证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； 5、将所得光滑管的λ-Re 方程与Blasius 方程相比较。 三、实验原理 1、直管阻力损失函数：f （h f ，ρ，μ， l ，d ，ε, u ）=0 应用量纲分析法寻找hf （ΔP /ρ）与各影响因素间的关系 1）影响因素 物性：ρ，μ 设备：l ，d ，ε 操作：u （p,Z ） 实验名称：流体流动阻力的测定 一、实验目的及任务： 1.掌握测定流体流动阻力实验的一般方法。 2.测定直管的摩擦阻力系数及突然扩大管的局部阻力系数。 3.验证湍流区内摩擦阻力系数为雷诺数和相对粗糙度的函数。 4.将所得光滑管的方程与Blasius方程相比较。 二、实验原理： 流体输送的管路由直管和阀门、弯头、流量计等部件组成。由于粘性和涡流作用，流体在输送过程中会有机械能损失。这些能量损失包括流体流经直管时的直管阻力和流经管道部件时的局部阻力，统称为流体流动阻力。 1.根据机械能衡算方程，测量不可压缩流体直管或局部的阻力 如果管道无变径，没有外加能量，无论水平或倾斜放置，上式可简化为： Δp为截面1到2之间直管段的虚拟压强差，即单位体积流体的总势能差，通过压差传感器直接测量得到。 2.流体流动阻力与流体性质、流道的几何尺寸以及流动状态有关，可表示为： 由量纲分析可以得到四个无量纲数群： 欧拉数，雷诺数，相对粗糙度和长径比 从而有 取，可得摩擦系数与阻力损失之间的关系： 从而得到实验中摩擦系数的计算式 当流体在管径为d的圆形管中流动时，选取两个截面，用压差传感器测出两个截面的静压差，即可求出流体的流动阻力。根据伯努利方程摩擦系数与静压差的关系，可以求出摩擦系数。改变流速可测得不同Re下的λ，可以求出某一相对粗糙度下的λ-Re关系。 在湍流区内摩擦系数，对于光滑管（水力学光滑），大量实验证明，Re 在氛围内，λ与Re的关系遵循Blasius关系式，即 对于粗糙管，λ与Re的关系以图来表示。 3.对局部阻力，可用局部阻力系数法表示： 对于扩大和缩小的直管，式中的流速按照细管的流速来计算。 对一段突然扩大的圆直管，局部阻力远大于其直管阻力。由忽略直管阻力时的伯努利方程 可以得到局部阻力系数的计算式： 式中，、分别为细管和粗管中的平均流速，为2,1截面的压差。 突然扩大管的理论计算式为：ζ（），、分别为细管和粗管的流通 流体流动阻力的测定 1.在测量前为什么要将设备中的空气排尽？怎样才能迅速地排尽？为什么？如何检验管路中的空气已经被排除干净？ 答：启动离心泵用大流量水循环把残留在系统内的空气带走。关闭出口阀后，打开U 形管顶部的阀门，利用空气压强使U 形管两支管水往下降，当两支管液柱水平，证明系统中空气已被排除干净。 2.以水为介质所测得的？~Re关系能否适用于其他流体？ 答：能用，因为雷诺准数是一个无因次数群，它允许d、u、、变化 3?在不同的设备上（包括不同管径），不同水温下测定的?~Re数据能否关联在同一条曲线上？ 答:不能，因为Re二du p仏与管的直径有关 离心泵特性曲线的测定 1.试从所测实验数据分析，离心泵在启动时为什么要关闭出口阀门？本实验中，为了得到较好的实验效果，实验流量范围下限应小到零，上限应到最大，为什么？ 答：关闭阀门的原因从试验数据上分析：开阀门意味着扬程极小，这意味着电机功率极大，会烧坏电机 （2）启动离心泵之前为什么要引水灌泵？如果灌泵后依然启动不起来，你认为可能的原因是什么？ 答：离心泵不灌水很难排掉泵内的空气，导致泵空转而不能排水；泵不启动可能是电路问题或是泵本身已损坏，即使电机的三相电接反了，泵也会启动的。 （3）泵启动后，出口阀如果不开，压力表读数是否会逐渐上升？随着流量的增大，泵进、出口压力表分别有什么变化？为什么？ 答：当泵不被损坏时，真空表和压力表读数会恒定不变，水泵不排水空转不受 外网特性曲线影响造成的 恒压过滤常数的测定 1.为什么过滤开始时，滤液常常有混浊，而过段时间后才变清？ 答：开始过滤时，滤饼还未形成，空隙较大的滤布使较小的颗粒得以漏过，使滤液浑浊，但当形成较密的滤饼后，颗粒无法通过，滤液变清。? 2.实验数据中第一点有无偏低或偏高现象？怎样解释？如何对待第一点数据？ 答：一般来说，第一组实验的第一点△ A A q会偏高。因为我们是从看到计量桶出现第一滴滤液时开始计时，在计量桶上升1cm 时停止计时，但是在有液体流出前管道里还会产生少量滤液，而试验中管道里的液体体积产生所需要的时间并没有进入计算，从而造成所得曲线第一点往往有较大偏差。 3?当操作压力增加一倍，其K值是否也增加一倍？要得到同样重量的过滤液，其过滤时间是否缩短了一半？ 答：影响过滤速率的主要因素有过滤压差、过滤介质的性质、构成滤饼的 颗粒特性，滤饼的厚度。由公式K=2I A P1-s, T=qe/K可知，当过滤压强提高一倍时，K增大，T减小，qe是由介质决定，与压强无关。 传热膜系数的测定 1.将实验得到的半经验特征数关联式和公认式进行比较，分析造成偏差的原因。 答：答：壁温接近于蒸气的温度。 可推出此次实验中总的传热系数方程为 其中K是总的传热系数，a是空气的传热系数，02是水蒸气的传热系数，3是铜管的厚度，入是铜的导热系数，R1、R2为污垢热阻。因R1、R2和金属壁的热阻较小，可忽略不计，则Tw- tw,于是可推导出，显然，壁温Tw接近于给热系数较大一侧的流体温度，对于此实验，可知壁温接近于水蒸气的温度。 化工原理绪论、流体流动、流体输送机械 一、填空题 1．一个生产工艺是由若干个__________ 和___________构成的。 2．各单元操作的操作原理及设备计算都是以__________、___________、___________、和___________四个概念为依据的。 3．常见的单位制有____________、_____________和_______________。 4．由于在计量各个物理量时采用了不同的__________，因而产生了不同的单位制。 5．一个过程在一定条件下能否进行，以及进行到什么程度，只有通过__________来判断。 6．单位时间内过程的变化率称为___________。 二问答题 7．什么是单元操作？主要包括哪些基本操作？ 8．提高过程速率的途径是什么？ 9．第一章流体流动 一填空题 1．单位体积流体的质量称为________，它与________互为倒数。 2．流体垂直作用于单位面积上的力，称为____________。 3．单位时间内流经管道任一截面的流体量称为________，其表示方法有________和________两种。 4．当管中流体形成稳定流动时，管中必定充满流体，即流体必定是_________的。 5．产生流体阻力的根本原因是________；而___________是产生流体阻力的第二位原因。另外，管壁粗糙度和管子的长度、直径均对流体阻力_______________。 6．流体在管道中的流动状态可分为______ 和__________两种类型，二者在内部质点运动方式上的区别是_____________________________________。 7．判断液体内处于同一水平面上的各点压强是否相等的依据是_________、___________、________________。 8．流体若由低压头处流向高压头处时，所加入外加功的作用是______________________________。 9．在测量流体的流量时，随流量的增加孔板流量计两侧的压差将_______，若改用转子流量计，随流量增加转子两侧压差值________。 一、选择题 10．液体的密度随温度的升高而_________。 流体流动阻力系数的测定实验报告 一、实验目的: 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及突然扩大管与阀门的局部阻力系数ξ。 3、验证湍流区内摩擦阻力系数λ为雷诺系数Re与相对粗糙度的函数。 4、将所得光滑管的λ—Re方程与Blasius方程相比较。 二、实验器材: 流体阻力实验装置一套 三、实验原理: 1、直管摩擦阻力 不可压缩流体(如水),在圆形直管中做稳定流动时,由于黏性与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与方向突然变化,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有关,可表示为 △P=f (d, l, u,ρ,μ,ε) 引入下列无量纲数群。 雷诺数Re=duρ/μ 相对粗糙度ε/ d 管子长径比l / d 从而得到 △P/(ρu2)=ψ(duρ/μ,ε/ d, l / d) 令λ=φ(Re,ε/ d) △P/ρ=(l / d)φ(Re,ε/ d)u2/2 可得摩擦阻力系数与压头损失之间的关系,这种关系可用试验方法直接测定。 h f=△P/ρ=λ(l / d)u2/2 ——直管阻力,J/kg 式中,h f 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 与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,这样就可得出某一相对粗糙度下管子的λ—Re关系。 (1)、湍流区的摩擦阻力系数 在湍流区内λ=f(Re,ε/d)。对于光滑管,大量实验证明,当Re在3×103~105范围内,λ与Re的关系遵循Blasius关系式,即λ=0、3163 / Re0、25 对于粗糙管,λ与Re的关系均以图来表示。 2、局部阻力 实验三 单相流体阻力测定实验 一、实验目的 ⒈ 学习直管摩擦阻力△P f 、直管摩擦系数的测定方法。 ⒉ 掌握不同流量下摩擦系数 与雷诺数Re 之间关系及其变化规律。 ⒊ 学习压差传感器测量压差，流量计测量流量的方法。 ⒋ 掌握对数坐标系的使用方法。 二、实验内容 ⒈ 测定既定管路内流体流动的摩擦阻力和直管摩擦系数。 ⒉ 测定既定管路内流体流动的直管摩擦系数与雷诺数Re 之间关系曲线和关系式。 三、实验原理 流体在圆直管内流动时，由于流体的具有粘性和涡流的影响会产生摩擦阻力。流体在管内流动阻力的大小与管长、管径、流体流速和摩擦系数有关，它们之间存在如下关系。 h f = ρf P ?=2 2 u d l λ （3-1） λ= 22u P l d f ?? ?ρ （3-2） Re = μ ρ ??u d （3-3） 式中：-d 管径，m ； -?f P 直管阻力引起的压强降，Pa ； -l 管长，m ； -u 管内平均流速，m / s ； -ρ流体的密度，kg / m 3 ； -μ流体的粘度，N ·s / m 2 。 摩擦系数λ与雷诺数Re 之间有一定的关系，这个关系一般用曲线来表示。在实验装置中，直管段管长l 和管径d 都已固定。若水温一定，则水的密度ρ和粘度μ也是定值。所以本实验实质上是测定直管段流体阻力引起的压强降△P f 与流速u （流量V ）之间的关系。 根据实验数据和式3-2可以计算出不同流速（流量V ）下的直管摩擦系数λ，用式3-3计算对应的Re ，从而整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系，绘出λ与Re 的关系曲线。 四、实验流程及主要设备参数： 1.实验流程图:见图1 水泵8将储水槽9中的水抽出,送入实验系统,首先经玻璃转子流量计2测量流量,然后送入被测直管段5或6测量流体流动的光滑管或粗糙管的阻力,或经7测量局部阻力后回到储水槽, 水循环使用。被测直管段流体流动阻力△p可根据其数值大小分别采用变送器18或空气—水倒置∪型管10来测量。 《实践创新基础》报告 姓名： 班级学号： 指导教师： 日期： 成绩： 南京工业大学化学工程与工艺专业 实验名称:流体流动阻力测定实验 一、实验目的 1 测定流体在圆直等径管内流动时的摩擦系数λ与雷诺数Re的关系，将测得的λ~Re曲线与由经验公式描出的曲线比较； 2 测定流体在不同流量流经全开闸阀时的局部阻力系数ξ 3 掌握流体流经直管和阀门时阻力损失的测定方法，通过实验了解流体流动中能量损失的变化规律 4 学会倒U形差压计 1151差压传感器 Pt温度传感器和转子流量计的使用方法 5 观察组成管路的各种管件阀门，并了解其作用。 6 掌握化工原理实验软件库的使用 二、实验装置流程示意图及实验流程简述 来自高位水槽的水从进水阀1首先流经光滑管11上游的均压环，均压环分别与光滑管的倒U形压差计和1151压差传感器15的一端相连，光滑管11下游的均压环也分别与倒U 形压差计和1151压差传感器的另一端相连。 当球阀3关闭且球阀2开启时，光滑管的水进入粗糙管12，粗糙管上下游的均压环分别同时与粗糙管的倒U形压差计和1151压差传感器的两端相连。当球阀5关闭时，从粗糙管下来的水流经铂电阻温度传感器18，然后经流量调节阀6及流量计16后，排入地沟。 当球阀2关闭且球阀3打开时，从光滑管来的水就流入装有闸阀4的不锈钢管13，闸阀两端的均压环分别与一倒U形压差计的两端相连，最后水流经流量计，再排入地沟。 三、简述实验操作步骤及安全注意事项 1 操作步骤 （1）排管路中的气泡。 打开阀1、2、3、6，排除管路中的气泡，直至流量计中的水不含气泡为至，然后关闭阀6。 （2）1151压差传感器排气及调零。 排除两个1151压差传感器内气泡时，只要打开压差传感器下面的考克7、8、9、10，当软管内水无气泡时，排气结束，此过程可反复多次，直至无气泡为至。 压差传感器排气结束后，用螺丝刀调节压差传感器背后Z旋扭，使相应的仪表数字显示在0左右，压差传感器即可进入实验状态。 （3）U形压差计内及它们连接管内的气泡的排除。 关闭倒U形压差计上方的放空阀，打开U形压差计下方的排水考克，再打开U形压差计下方与软管相连的左右阀，关闭左右阀中间的平衡阀，直到玻璃管中水不出现气泡，然后关闭U形压差计下方与软管相连的左右阀，打开上方的放空阀和下方的排水考克，令玻璃管内水位下降到适当高度，再打开左右阀中间的平衡阀，倒U形压差计两玻璃管内的水位会相平，否则重复上过排汽过程，直至两玻璃管内的水位相平。 测定光滑管直管阻力、粗糙管直管阻力、局部阻力的三个倒U形压差计的排气方法相同，再此不再一一介绍。特别注意的是，实验过程不能碰撞玻璃管，以免断裂。 （4）直管阻力的测定。 打开阀2，关闭阀3，调节阀6，流量从2m3 /h开始，分别记录相应的光滑管及粗糙管的倒U形压差计两玻璃管内的指示剂高度差，流量每次增加1 m3/h, 直至最大流量。在测量过程应密切注意转子流量计中的流量变化，因为四套实验装置的水流量会相互干扰。（5）局部阻力的测定。 关闭阀2，排开阀3，调即阀6，取三个不同的流量，如2、3、4m3/h,记录相应指示剂高度差。水温可在最后测，测一次即可。 2 注意事项 开关阀门时，一定要缓慢开关，以防止仪表受损。 四、实验装置的主要设备仪器一览表 第一章 流体流动 流体的重要性质 1．某气柜的容积为6 000 m 3，若气柜内的表压力为5.5 kPa ，温度为40 ℃。已知各组分气体的体积分数为：H 2 40%、 N 2 20%、CO 32%、CO 2 7%、C H 4 1%，大气压力为 101.3 kPa ，试计算气柜满载时各组分的质量。 解：气柜满载时各气体的总摩尔数 ()mol 4.246245mol 313 314.86000 0.10005.53.101t =???+== RT pV n 各组分的质量： kg 197kg 24.246245%40%4022H t H =??=?=M n m kg 97.1378kg 284.246245%20%2022N t N =??=?=M n m kg 36.2206kg 284.246245%32%32CO t CO =??=?=M n m kg 44.758kg 444.246245%7%722CO t CO =??=?=M n m kg 4.39kg 164.246245%1%144CH t CH =??=?=M n m 2．若将密度为830 kg/ m 3的油与密度为710 kg/ m 3的油各60 kg 混在一起，试求混合油的密度。设混合油为理想溶液。 解： ()kg 120kg 606021t =+=+=m m m 33 122 1 1 21t m 157.0m 7106083060=??? ? ??+=+ = +=ρρm m V V V 3 3t t m m kg 33.764m kg 157 .0120=== V m ρ 流体静力学 3．已知甲地区的平均大气压力为85.3 kPa ，乙地区的平均大气压力为101.33 kPa ，在甲地区的某真空设备上装有一个真空表，其读数为20 kPa 。若改在乙地区操作，真空表的读数为多少才能维持该设备的的绝对压力与甲地区操作时相同？ 解：（1）设备内绝对压力 绝压=大气压-真空度= () kPa 3.65Pa 1020103.8533=?-? 化工原理实验-流体流动阻力系数的测定实验报告 ————————————————————————————————作者: ————————————————————————————————日期: 流体流动阻力系数的测定实验报告 一、实验目的: 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、验证湍流区内摩擦阻力系数λ为雷诺系数Ｒe和相对粗糙度的函数。 4、将所得光滑管的λ—Re方程与Bｌasius方程相比较。 二、实验器材： 流体阻力实验装置一套 三、实验原理: 1、直管摩擦阻力 不可压缩流体(如水),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有关,可表示为 △Ｐ＝f （d, l, ｕ,ρ,μ,ε) 引入下列无量纲数群。 雷诺数Re=duρ／μ 相对粗糙度ε/ d 管子长径比l / d 从而得到 △P/(ρｕ2)=ψ(duρ/μ,ε／d, l / d) 令λ＝φ(Re，ε/ d） △P/ρ＝(l/ d）φ(Re,ε/ d)ｕ２/2 可得摩擦阻力系数与压头损失之间的关系,这种关系可用试验方法 =△P／ρ＝λ（l ／d）u2／2 直接测定。h f ——直管阻力，Ｊ/kg 式中，h f 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。改变流速可测出不同Re下的摩擦阻力系数,这样就可得出某一 相对粗糙度下管子的λ—Re关系。 (１)、湍流区的摩擦阻力系数 一、单选题 1．单位体积流体所具有的（）称为流体的密度。 A A 质量； B 粘度； C 位能； D 动能。 2．单位体积流体所具有的质量称为流体的（）。 A A 密度； B 粘度； C 位能； D 动能。 3．层流与湍流的本质区别是（）。 D A 湍流流速＞层流流速； B 流道截面大的为湍流，截面小的为层流； C 层流的雷诺数＜湍流的雷诺数； D 层流无径向脉动，而湍流有径向脉动。4．气体是（）的流体。 B A 可移动； B 可压缩； C 可流动； D 可测量。 5．在静止的流体，单位面积上所受的压力称为流体的（）。 C A 绝对压力； B 表压力； C 静压力； D 真空度。 6．以绝对零压作起点计算的压力，称为（）。 A A 绝对压力； B 表压力； C 静压力； D 真空度。 7．当被测流体的（）大于外界大气压力时，所用的测压仪表称为压力表。 D A 真空度； B 表压力； C 相对压力； D 绝对压力。 8．当被测流体的绝对压力（）外界大气压力时，所用的测压仪表称为压力表。 A A 大于； B 小于； C 等于； D 近似于。 9．（）上的读数表示被测流体的绝对压力比大气压力高出的数值，称为表压力。 A A 压力表； B 真空表； C 高度表； D 速度表。 10．被测流体的（）小于外界大气压力时，所用测压仪表称为真空表。 D A 大气压； B 表压力； C 相对压力； D 绝对压力。 11. 流体在园管流动时，管中心流速最大，若为湍流时，平均流速与管中心的 最大流速的关系为（）。 B A. Um＝1/2Umax； B. Um＝0.8Umax； C. Um＝3/2Umax。 12. 从流体静力学基本方程了解到U型管压力计测量其压强差是( )。 A A. 与指示液密度、液面高度有关，与U形管粗细无关； B. 与指示液密度、液面高度无关，与U形管粗细有关； C. 与指示液密度、液面高度无关，与U形管粗细无关。 13.层流底层越薄( )。 C A. 近壁面速度梯度越小； B. 流动阻力越小； C. 流动阻力越大； D. 流体湍动程度越小。 14.双液体U形差压计要求指示液的密度差( ) C A. 大； B. 中等； C. 小； D. 越大越好。 15.转子流量计的主要特点是( )。 C A. 恒截面、恒压差； B. 变截面、变压差； C. 恒流速、恒压差； D. 变流速、恒压差。 16.层流与湍流的本质区别是：( )。 D A. 湍流流速>层流流速； B. 流道截面大的为湍流，截面小的为层流； C. 层流的雷诺数<湍流的雷诺数； D. 层流无径向脉动，而湍流有径向脉动。 17.圆直管流动流体，湍流时雷诺准数是（）。 B A. Re ≤ 2000； B. Re ≥ 4000； C. Re = 2000～4000。 18.某离心泵入口处真空表的读数为 200mmHg ，当地大气压为101kPa, 则泵入化工原理流体流动
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