【正文】 合肥學院化學與材料工程系實驗五 流體流動阻力測定一、實驗?zāi)康?．掌握流體流經(jīng)直管和管閥件時阻力損失的測定方法，通過實驗了解流體流動中能量損失的變化規(guī)律。 2．、測定水流過一段粗糙直管、光滑直管的沿程摩擦阻力損失Δpf，確定摩擦阻力系數(shù)λ和雷諾準數(shù)Re 之間的關(guān)系。將所得的λ~Re方程與公認經(jīng)驗關(guān)系比較。 3．測定流體流經(jīng)閘閥等管件時的局部阻力系數(shù)ξ。 4．學會壓差計和流量計的使用方法，了解差壓變送器、功率傳感器的工作原理。熟悉測定流體流經(jīng)直管和管件時的阻力損失的實驗組織方法及測定摩擦系數(shù)的工程意義。5．觀察組成管路的各種管件、閥件，了解其作用。二、基本原理 流體在管內(nèi)流動時，由于粘性剪應(yīng)力和渦流的存在，不可避免地要消耗一定的機械能，這種機械能的消耗包括流體流經(jīng)直管的沿程阻力和因流體運動方向改變所引起的局部阻力。 1．沿程阻力 流體在水平均勻管道中穩(wěn)定流動時，阻力損失表現(xiàn)為壓力降低。即 影響阻力損失的因素很多，尤其對湍流流體，目前尚不能完全用理論方法求解，必須通過實驗研究其規(guī)律。為了減少實驗工作量，使實驗結(jié)果具有普遍意義，必須采用因次分析方法將各變量綜合成準數(shù)關(guān)聯(lián)式。根據(jù)因次分析，影響阻力損失的因素有， (1)流體性質(zhì)：密度ρ，粘度μ； (2)管路的幾何尺寸：管徑d，管長l，管壁粗糙度ε； (3)流動條件：流速μ。 可表示為： 組合成如下的無因次式： 令 則式中，——壓降 Pa hf——直管阻力損失 J/kg， ρ——流體密度kg/m3 λ——直管摩擦系數(shù)，無因次l——直管長度 m d——直管內(nèi)徑 mu——流體流速，由實驗測定 m/sλ——稱為直管摩擦系數(shù)。滯流(層流)時，λ＝64／Re；湍流時λ是雷諾準數(shù)Re和相對粗糙度的函數(shù)，須由實驗確定.2．局部阻力 局部阻力通常有兩種表示方法，即當量長度法和阻力系數(shù)法。 當量長度法 流體流過某管件或閥門時，因局部阻力造成的損失，相當于流體流過與其具有相當管徑長度的直管阻力損失，這個直管長度稱為當量長度，用符號le表示。這樣，就可以用直管阻力的公式來計算局部阻力損失，而且在管路計算時．可將管路中的直骨長度與管件、閥門的當量長度合并在一起計算，如管路中直管長度為乙各種局部阻力的當量長度之和為 ，則流體在管路中流動時的總阻力損失 為 阻力系數(shù)法 流體通過某一管件或閥門時的阻力損失用流體在管路小的動能系數(shù)來表示，這種計算局 部阻力的方法，稱為阻力系數(shù)法。 即 式中，ξ——局部阻力系數(shù)，無因次； u——在小截面管中流體的平均流速，m／s。 由于管件兩側(cè)距測壓孔問的直管長度很短．引起的摩擦阻力與局部阻力相比，可以忽略不計。因此hf之值可應(yīng)用柏努利方程由壓差計讀數(shù)求取。 三、實驗裝置與流程 1．實驗裝置 圖11 實驗裝置流程圖實驗裝置如圖11所示。主要部分由離心泵，不同管徑、材質(zhì)的管子，各種閥門或管件，轉(zhuǎn)子流量計等組成。從上向下第一根為不銹鋼光滑管，第二根為鍍鋅鐵管，分別用于光滑管和粗糙管湍流流體流動阻力的測定。第三根為不銹鋼管，其上裝有待測管件(閘閥)，用于局部阻力的測定。流體溫度有熱電阻，流體流量由渦輪流量計測量，壓差有壓差變送器測量。本實驗的介質(zhì)為水，由離心泵供給，經(jīng)實驗裝置后的水通過管道流入儲水箱內(nèi)循環(huán)使用。 2．裝置結(jié)構(gòu)尺寸 裝置結(jié)構(gòu)尺寸如表11所示。 表11 裝置參數(shù)名稱材質(zhì)管內(nèi)徑（mm）測試段長度（m）裝置（1m）裝置（2c）光滑管不銹鋼食品管粗糙管鍍鋅鐵管局部阻力閘閥圖12：控制柜面板空氣開關(guān) 4電源指示燈 流量控制儀 6路巡檢儀（單位m3／h）：第一通道測量離心泵進口壓力（單位：kpa），第二通道測量離心泵出口壓力（單位：kpa），第三通道測量離心泵轉(zhuǎn)速（單位：r／min）第四通道測量流體阻力壓差（單位：pa）第五通道測量流體溫度（單位：攝氏度），第六通道沒用，功率表（單位：KW）儀表電源指示燈、儀表電源開關(guān)，變頻器電源指示燈，1變頻器電源開關(guān)，1離心泵電源指示燈、1離心泵直接或變頻器運行轉(zhuǎn)換開關(guān)，1離心泵啟動按鈕，1離心泵停止按鈕。四、實驗步驟及注意事項1．灌泵儲水箱中出水到適當位置（大概三分之二處）關(guān)閉閥閥閥閥閥打開離心泵出口排氣閥和進口灌水閥，用水杯從灌水閥灌水，氣體從排汽閥排出，直到排水閥有水排出并且沒有氣泡灌水完畢，關(guān)閉排氣閥和灌水閥。2．啟動水泵打開控制柜上1空氣開關(guān)，打開9儀表電源開關(guān)，儀表指示燈10亮，儀表上電，顯示被測數(shù)據(jù)。把轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)到直接位置，指示燈12亮，按一下離心泵啟動按鈕，離心泵運轉(zhuǎn)，啟動按鈕指示燈亮，水泵啟動完畢。3．光滑管排氣先打開光滑管與差壓變送器相連的閥門，粗糙管和局部阻力與差壓變送器相連的閥門關(guān)閉，打開閥3和閥2，排出光滑管中的氣體，關(guān)上閥2，打開差壓變送器的兩個排汽閥，排出管道中的氣體，直到?jīng)]有氣泡排出為止，關(guān)閉差壓變送器上的兩個排汽閥，光滑管排氣完畢。4．光滑管實驗打開流體阻力監(jiān)控軟件數(shù)據(jù)班級、姓名、學號等信息，進入流體阻力實驗，點擊光滑管，調(diào)節(jié)閥2，每隔1m3／h采集一組實驗數(shù)據(jù)（等數(shù)據(jù)穩(wěn)定之后再采集），從2m3／h開始到最大流量，但注意最大流量時壓差不能超過10kpa，如果超過調(diào)節(jié)閥門2，使壓差不超過10kpa。光滑管數(shù)據(jù)采集完畢后，先關(guān)閉閥2和閥3，再關(guān)閉光滑管與差壓變送器相連的兩個閥門。粗糙管排氣與光滑管排氣類似，先打開粗糙管與差壓變送器相連的兩個閥門，再打開閥4和閥2，排出粗糙管中的氣體，關(guān)閉閥2，打開差壓變送器的兩個排汽閥，排出管道中的氣體，直到?jīng)]有氣泡排出為止，關(guān)閉差壓變送器上的兩個排汽閥，粗糙管排氣完畢。點擊粗粗管，調(diào)節(jié)閥2，每隔1m3／h采集一組實驗數(shù)據(jù)（等數(shù)據(jù)穩(wěn)定之后再采集），從2m3／h開始到最大流量，但注意最大流量時壓差不能超過10kpa，如果超過調(diào)節(jié)閥門2，使壓差不超過10kpa。粗糙管數(shù)據(jù)采集完畢后，先關(guān)閉閥2和閥4，再關(guān)閉粗糙管與差壓變送器相連的兩個閥門。局部阻力排氣與光滑管排氣類似，先打開局部阻力與差壓變送器相連的兩個閥門，再打開閥5和閥2，排出粗糙管中的氣體，關(guān)閉閥2，打開差壓變送器的兩個排汽閥，排出管道中的氣體，直到?jīng)]有氣泡排出為止，關(guān)閉差壓變送器上的兩個排汽閥，局部阻力排氣完畢。點擊局部阻力，調(diào)節(jié)閥2，每隔1m3／h采集一組實驗數(shù)據(jù)（等數(shù)據(jù)穩(wěn)定之后再采集），從2m3／h開始到最大流量，但注意最大流量時壓差不能超過10kpa，如果超過調(diào)節(jié)閥門2，使壓差不超過10kpa。局部阻力數(shù)據(jù)采集完畢后，先關(guān)閉閥2和閥5，再關(guān)閉局部阻力與差壓變送器相連的兩個閥門。流體阻力實驗完畢。數(shù)據(jù)處理實驗數(shù)據(jù)記錄序號流量L/s（湍流 ）或(L/h)(層流 )光滑管kPa粗糙管kPa局部阻力kPa壓差壓差壓差實驗數(shù)據(jù)采集完畢，打開數(shù)據(jù)處理軟件，打開實驗數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應(yīng)的軟件功能，就可算出流體雷諾系數(shù)與摩擦因數(shù)的關(guān)系，執(zhí)行繪圖功能，就可繪出雷諾系數(shù)與摩擦因數(shù)的曲線關(guān)系，執(zhí)行打印功能就可打印實驗數(shù)據(jù)和實驗處理結(jié)果。五、實驗報告 1．根據(jù)粗糙管實驗結(jié)果，在雙對數(shù)坐標紙上標繪出λ~Re曲線，對照化工原理教材上有關(guān)圖形，即可估出該管的相對粗糙度和絕對粗糙度。 2．根據(jù)光滑管實驗結(jié)果，對照柏拉修斯方程，計算其誤差。 3．根據(jù)局部阻力實驗結(jié)果，求出閘閥全開時的平均ξ值。 4．對實驗結(jié)果進行分析討論。 注：流體阻力控制儀表（AI－519）參數(shù)P＝30 I＝3 D＝1六、思考題 1．在對裝置做排氣工作時，是否一定要關(guān)閉流程尾部的流量調(diào)節(jié)閥?為什么? 2．如何檢驗測試系統(tǒng)內(nèi)的空氣已經(jīng)被排除干凈? 3．以水做介質(zhì)所測得的λ～Re關(guān)系能否適用于其它流體?如何應(yīng)用? 4．在不同設(shè)備上(包括不同管徑)，不同水溫下測定的λ~Re數(shù)據(jù)能否關(guān)聯(lián)在同