银纳米粒子制备及光谱和电化学性能表征- 1 -流体流动阻力的测定王晓鸽一、实验目的1. 掌握测定流体流经直管、管件和阀门时阻力损失的实验方法。
2. 测定直管摩擦系数λ与雷诺准数Re 的关系，验证在一般湍流区λ与Re 的关系曲线。
3. 测定流体流经管件、阀门时的局部阻力系数ξ。
4. 学会流量计和压差计的使用方法。
5. 识辨组成管路的各种管件、阀门，并了解其作用。
二、实验原理流体通过由直管、管件（如三通和弯头等）和阀门等组成的管路系统时，由于粘性剪应力和涡流应力的存在，要损失一定的机械能。
流体流经直管时所造成机械能损失称为直管阻力损失。
流体通过管件、阀门时因流体运动方向和速度大小改变所引起的机械能损失称为局部阻力损失。
1．直管阻力摩擦系数λ的测定流体在水平等径直管中稳定流动时，阻力损失为：h f =∆p f ρ=p 1−p 2ρ=λl d u 22即，λ=2d∆p fρlu 2式中：λ—直管阻力摩擦系数，无因次； d —直管内径，m ；∆p f —流体流经l 米直管的压力降，Pa ；h f —单位质量流体流经l 米直管的机械能损失，J/kg ；ρ—流体密度，kg/m3；l—直管长度，m；u—流体在管内流动的平均流速，m/s。
层流流时，λ=64 Re湍流时λ是雷诺准数Re和相对粗糙度(ε/d)的函数，须由实验确定。
欲测定λ，需确定l、d，测定∆p f、u、ρ、μ等参数。
l、d为装置参数（装置参数表格中给出），ρ、μ通过测定流体温度，再查有关手册而得，u通过测定流体流量，再由管径计算得到。
∆p f可用U型管、倒置U型管、测压直管等液柱压差计测定，或采用差压变送器和二次仪表显示。
求取Re和λ后，再将Re和λ标绘在双对数坐标图上。
2．局部阻力系数ξ的测定局部阻力损失通常有两种表示方法，即当量长度法和阻力系数法。
本实验采用阻力系数法。
流体通过某一管件或阀门时的机械能损失表示为流体在小管径内流动时平均动能的某一倍数，局部阻力的这种计算方法，称为阻力系数法。
即：h f′=∆p f′ρ=ξu22因此，ξ=2∆p f′ρu2式中：ξ—局部阻力系数，无因次；∆p f′－局部阻力压强降，Pa；（本装置中，所测得的压降应扣除两测压口间直管段的压降，直管段的压降由直管阻力实验结果求取。
）ρ—流体密度，kg/m3；u—流体在管内流动的平均流速，m/s。
根据连接阀门两端管径d，流体密度ρ0，流体温度t0（查流体物性ρ、μ），化工原理实验及实验时测定的流量Q、压差计读数，求取阀门的局部阻力系数ξ。
三、实验内容1. 根据粗糙管实验结果，在双对数坐标纸上标绘出λ～Re曲线，对照化工原理教材上有关曲线图，即可估算出该管的相对粗糙度和绝对粗糙度。
2. 根据光滑管实验结果，对照柏拉修斯方程，计算其误差。
3. 测定闸阀在不同开度时的阻力系数ξ。
4. 对实验结果进行分析讨论。
四、实验装置与流程1. 实验装置流程图流体流动阻力测定实验装置流程示意图1－水箱； 2－管道泵；3－涡轮流量计；4－进口阀；5－均压阀；6－闸阀；7－引压阀；8－压力变送器；9－出口阀；10－排水阀；11－电气控制箱2. 实验流程- 3 -实验对象部分是由贮水箱，离心泵，不同管径、材质的水管，各种阀门、管件，涡轮流量计和倒U型压差计等所组成的。
管路部分有三段并联的长直管，分别为用于测定局部阻力系数，光滑管直管阻力系数和粗糙管直管阻力系数。
测定局部阻力部分使用不锈钢管，其上装有待测管件(闸阀)；光滑管直管阻力的测定同样使用内壁光滑的不锈钢管，而粗糙管直管阻力的测定对象为管道内壁较粗糙的镀锌管。
水的流量使用涡轮流量计测量，管路和管件的阻力采用差压变送器将差压信号传递给无纸记录仪。
3. 设备的主要技术参数①测光滑直管段：管径d=0.020 m，测压点间距离L=1.00 m，材料为不锈钢。
②被测粗糙直管段：管径d=0.021 m，测压点间距离L=1.00 m，材料为镀锌铁。
③被测局部阻力直管段：管径d=0.020 m, 长度0.95 m。
⑤压差传感器：型号为3351DP4E22B3，测量范围为0~15 kPa。
⑥离心泵：型号为MS60/37SS，流量为3.6 m3/h，扬程为14.6 m，电机功率为370W，转速2850rpm。
⑦涡轮流量计：型号为LWGY―20。
五、实验步骤1. 检查储水槽内水位是否正常，若缺水须加水至满，实验中注意保持水体清洁。
2. 检查所有阀门并将阀门关紧。
化工原理实验3. 打开总电源和仪表开关，启动水泵至自动档，待电机转动平稳后，把出口阀开到最大。
4. 排气：选择实验管路，把对应的进口阀，引压阀和差压变送器8的两个阀门打开，并在出口阀最大开度下，保持全流量流动5min左右，直至连接差压变送器的透明管路内气泡为止。
5. 关闭差压变送器8的两个阀门，在计算机监控界面点击该对应管路，则差压变送器开始检测该管路压差。
6. 流量调节：手动状态，调节流量，让流量从1~5m3/h范围内变化，建议每次实验变化0.25~0.3m3/h。
每次改变流量，待流动达到稳定后，记下对应的压差值，温度，流量。
7. 依次选择光滑管、粗糙管以及局部阻力管路进行测量，数据测量完毕，关闭所有阀门，关闭水泵和仪表电源。
五、实验数据记录与处理1．原始数据记录。
(1)光滑管数据记录(2) 粗糙管数据记录- 5 -(3) 局部阻力测量数据记录2．根据粗糙管实验结果，在双对数坐标纸上标绘出λ~Re曲线，对照化工原理教材上有关曲线图，即可估算出该管的相对粗糙度和绝对粗糙度。
经计算知在实验测量过程中，平均温度值为20.2℃，查表后由内插法计算可知在此温度下，ρ=998.2kg/m3；μ=1.005×10−3Pa∙s。
欲测定λ，需确定l、d，测定∆p f、u、ρ、μ等参数。
粗糙管中，管径d= 0.021 m，测压点间距离l=1.00 m。
根据公式：u=Q900πd2，Re=ρduμ，λ=2d∆p fρlu2对数据经计算后有：Re≫4000，因此判断在管内流体流动方式为湍流。
做出λ~Re曲线如下图所示，根据教材有关图线，查表知相对粗糙度ε/d=0.002，可计算得绝对粗糙度ε=0.042mm。
化 工 原 理 实 验- 7 -另外，从图线可以看出，随Re 的不断增大，λ逐渐减小。
摩擦系数λ~Re 曲线3. 根据光滑管实验结果，对照柏拉修斯方程，计算其误差。
经计算知在实验测量过程中，平均温度值为19.8℃，查表后由内插法计算可知在此温度下，ρ=998.2kg/m 3；μ=1.005×10−3Pa ∙s 。
对数据进行与粗糙管相同方法的计算，并根据Blasius 方程计算在Re 条件下的λ理论值，计算实验值与理论值的相对误差（相对误差公式为λ理论值−λ实验值λ理论值×100%）。
计算结果如下表所示：分别对实验值和理论值做λ~Re曲线如下图所示读图可知，受某些因素影响，本次实验测得的摩擦系数比理论值偏小，但实验值与理论值都随Re的增大而逐渐减小。
另外，通过数据也可看出，随Re的增大，相对误差逐渐减小。
4. 闸阀在不同开度时的阻力系数ξ。
在实验条件下，平均温度为21℃，查表后由内插法得ρ=998.4kg/m3。
对于一段管路来说，其总阻力损失应为直管的摩擦阻力损失与管件的局部阻力之和。
计算式为：ℎf′=(λld +ξ)u22=∆p f′ρ，因此ξ=2∆p f′ρu2−λld其中，由光滑管测量数据可知，流量为2.04m3/ℎ时，其λ=0.0211；流量为1.23m3/ℎ时，其λ=0.0233；u=Q900πd2。
分别带入上述公式，可得到在不同开度下阀门的局部阻力系数ξ如下表所示化工原理实验计算得半开时，阀门的局部阻力系数ξ平均值为4.93，全开时为0.16。
查教材表可知，闸阀在半开时的局部阻力系数理论值为4.5，全开时为0.17。
因此半开时的相对误差为9.56%，全开时的相对误差为5.88%。
六、实验结果评价与分析1. 在粗糙管实验中，测得的数据及曲线趋势与理论曲线比较吻合，但求出的相对粗糙度（0.042mm）小于教材附表中查得同种材质的标准绝对粗糙度（0.1-0.2mm），分析其原因可能是：（1）所用粗糙管在长期使用后粗糙度降低。
（2）测量过程中所测压差值小于实际值，或流量的测定偏小，导致λ值偏小。
（3）所使用的水已经在蓄水池中存放多时，且并不纯净，不能保证其粘度、密度等参数与理想状态相同。
2. 由光滑管的误差计算可以看出，随Re的增大，相对误差逐渐减小。
说明随流体流速的增加，其他因素的影响逐渐变小，测得的摩擦系数越来越接近于理论值。
3．由局部阻力系数的测定结果可知，流体流速的变化对相同开度的闸阀下测得的局部阻力系数影响不大。
从而可知局部阻力系数在实验条件变化下变化较小。
- 9 -4．实验中的误差分析：（1）调解仪器状态时仪器无法处于完全稳定的状态，读数不准确。
（2）在读取数据时，由于流动过程本身有一定的脉动性，压差不能保持稳定，有上下波动的情况，压差计的数据不断变化，读取的数据是一个范围内的平均值，不稳定，影响结果。
（3）在实验过程中，由于液体流动和管壁有摩擦，会产生热量导致温度变化，且该变化在管道中各部也不完全相同，属分布参数，而温度变送器仅检测所在点温度，不具有完全代表性。
而我们在数据处理时，仅能取温度平均值来查相关参数，造成一定误差。
七、思考题1. 以水为工作流体所测得λ−Re关系能否适用于其他种类的牛顿型流体？请说明原因。
答：不能。
因为其他牛顿型流体的物理性质，如密度、粘度等与水不同，而λ、Re与密度、粘度等都有关，所以不能适用于其他流体。
2. 如果要增加雷诺数的范围，可采取哪些措施？答：可以更改流体的温度、粘度，更改管径，来增加雷诺数的范围。
3. 测出的直管摩擦阻力与直管的放置状态有关吗？请说明原因。
答：三种情况下的管径和管长是相同的，根据伯努利方程推出直管摩擦阻力h f=∆p f，而R1=R2=R3因此测出的直管摩擦阻力与设备的放置状态无ρ关。
4. 离心泵启动前，出口阀处于什么状态？为什么？关闭离心泵时，出口阀处于什么状态？为什么？化工原理实验答：离心泵启动前，出口阀应处于关闭状态。
这样做的原因是使泵在最小功率下启动。
关闭离心泵时，也应关闭出口阀，原因是防止泵停止工作时管道水突然倒流。
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