化工原理实验讲义-NWNU.doc

实验一 流体流动阻力的测定 1.1实验目的 熟悉测定流体流经直管和管件时的阻力损失的实验组织方法及测定摩擦系数的工程意义； 学会用因次分析方法解决工程实际问题； 学会压差计、流量计和变频器的使用方法，以及识别管路中各个管件、阀门的作用。 1.2基本原理 由于流体粘性的存在，流体在流动的过程中会发生流体间的摩擦，从而导致阻力损失。层流时阻力损失的计算式是由理论推导得到的；湍流时由于情况复杂得多，未能得出理论式，但可以通过实验研究，获得经验的计算式。其研究的基本步骤如下： 寻找影响过程的主要因素 对所研究的过程作初步的实验和经验的归纳，尽可能地列出影响过程的主要因素。对湍流时直管阻力损失hf与诸多影响因素的关系式应为： h f =f (d, u,ρ,μ,,ε) (1) 2. 因次分析法规划实验 当一个过程受多个变量影响时，通常用网络法通过实验以寻找自变量与因变量的关系，以（1）式为例，若每个自变量的数值变化10次，测取hf的值而其他自变量保持不变，6个自变量，实验次数将达106。为了减少实验工作量，需要在实验前进行规划，以尽可能减少实验次数。因次分析法是通过将变量组合成无因次数群，从而减少实验自变量的个数，大幅度地减少实验次数，其可以由π定理加以证明： 在物理方程因次一致性的条件下，任何一个方程都可化为无因次方程，无因次方程的变量总数=原方程变量总数—基本因次数,（1）式共有7个变量总数，在流体力学范畴，基本因次共有3个，它们是[L]、[M]、[T], π定理告诉我们： 无因次数群的个数π=7-3=4 则： π1= π2= π3= π4= 因次分析法可以将对（1）式的研究转变成对以下（2）式的4个无因次数之间的关系的研究。 即： （2） 其中，若实验设备已定，那么以上（2）式可写为： （3） 若实验设备是水平直管，以上（3）式可写为： （4） 所以： （5） 即： （6） 由（5）式可知，为了要测定（6）式的曲线关系，若装置已经确立，物系也已确定，那么λ只随Re而变，实验操作变量仅是流量，改变流量的手段是阀门的开度，由阀门开度的变化达到改变流速u的目的。实验组织方法： u―――在管路中需要安装一个流量计； ρ―――在实验装置中需要安装测流体的温度计； ―――引出二个测压点，并接上一个压差计； 所以，除了以上仪表外，再配上水槽、泵、变频器、引压系统、管件等组建成以下循环管路，见如下实验装置流程图。 1.3 实验流程图 1.4 实验步骤 关闭控制阀，打开2个光滑管引压阀，关闭其与引压阀，启动泵。 系统排气 总管排气：先将控制阀开足然后再关闭，重复三次，目的为了使总管中的大部分气体被排走，然后打开总管排气阀，开足后再关闭，重复三遍。 引压管排气：每次测直管阻力或测局部阻力时，打开相应的引压管放气阀，开、关重复三次。 压差计排气：依次分别打开放气阀，开、关重复三次。 检验排气是否彻底：将控制阀开至最大，再关至为零，看压差变送器计读数，若前后读数相等，则判断系统排气彻底；若前后读数不等，则重复上述2步骤。 由于系统的流量计量采用涡轮流量计，其小流量受到结构的限制，因此，从大流量做起，实验数据比较准确。 实验布点 由于Re在充分湍流区时，λ～Re的关系曲线处在双对数座标纸的密集区，所以在大流量时少布点，而Re在比较小时，λ～Re的关系是曲线，所以小流量时多布点。先将控制阀开至最大，读取流量显示仪读数F大，然后关至压差显示值约0.3Kpa时，再读取流量显示仪读数F小，在F小和F大二个读数之间布15个点，变频为16个点。 6. 关闭总管控制阀，切换引压阀，测定相应局部阻力。 7. 实验结束后，关闭泵，打开压差计平衡阀，上机数据处理。 1.5 原始数据 1.6 过程运算表 1. 光滑管和粗糙管λ～Re的关系运算表 030802 030820 局部阻力系数测定运算表 030802局部阻力处理结果： 序号 流量 L/s 流速 m/s 局部阻力1 J/kg 局部阻力 系数1 流量 L/s 流速 m/s 局部阻力1 J/kg 局部阻力 系数2 1 2.85 3.55