化工原理化工流动过程综合实验教案

实验四 化工流动过程综合实验
一、实验目的：
1.学习直管摩擦阻力f P ∆、直管摩擦系数λ的测定方法。

2.掌握直管摩擦系数λ与雷诺数Re 和相对粗糙度之间的关系及变化规律。

3.掌握局部摩擦阻力f P ∆,局部阻力系数ζ的测定方法。

4.学习压强差的几种测量方法和提高其测量精确度的一些技巧。

二、实验原理:
1.直管摩擦系数λ与雷诺数Re 的测定:
直管的摩擦阻力系数是雷诺数和相对粗糙度的函数，即)/(Re,d f ελ=，对一定的相对粗糙度而言，(Re)f =λ。

流体在一定长度等直径的水平圆管内流动时，其管路阻力引起的能量损失为：
ρ
ρf
f P P P h ∆=-=
2
1 （1）
又因为摩擦阻力系数与阻力损失之间有如下关系（范宁公式）
2
2
u d l h f
P f λρ
==
∆ （2）
整理（1）（2）两式得 2
2u P l d f
∆⋅⋅=ρλ （3） μ
ρ
⋅⋅=
u d Re （4）
式中： -d 管径，m ； -∆f P 直管阻力引起的压强降，Pa ；
-l 管长，m ； -u 流速，m / s ；
-ρ流体的密度，kg / m 3； -μ流体的粘度，N·
s / m 2。

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
f P ∆与流速u （或流量q v ）之间的关系。

根据实验数据和式（3）可计算出不同流速下的直管摩擦系数λ，用式（4）
计算对应的Re ，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。

2．局部阻力系数ζ的测定： 22
'u P h f
f ζρ
=∆=
' 2'2u
P f ∆⋅⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=ρζ 式中： -ζ局部阻力系数，无因次；
-∆'f P 局部阻力引起的压强降，Pa ； -'f h 局部阻力引起的能量损失，J ／kg 。

图-1 局部阻力测量取压口布置图
局部阻力引起的压强降'f P ∆ 可用下面方法测量：在一条各处直径相等的直管段上，安装待测局部阻力的阀门，在上、下游各开两对测压口a-a'和b-b ＇如图-1，使 ab ＝bc ； a ＇b ＇＝b ＇c ＇，则 △P f ，a b ＝△P f ，bc ； △P f ，a ＇b ＇= △P f ，
b ＇
c ＇
在a~a ＇之间列柏努利方程式 P a －P a ＇ =2△P f ，a b +2△P f ，a ＇b ＇+△P ＇f (5) 在b~b ＇之间列柏努利方程式： P b －P b ＇ = △P f ，bc +△P f ，b ＇c ＇+△P ＇f
= △P f ，a b +△P f ，a ＇b ＇+△P ＇f （6） 联立式(5)和(6)，则：'f P ∆＝2(P b －P b ＇)－(P a －P a ＇)
为了实验方便，称(P b －P b ＇)为近点压差，称(P a －P a ＇)为远点压差。

其数值用差压传感器或U 型管压差计来测量。

3.流量计性能的测定:
流体通过节流式流量计时在上、下游两取压口之间产生压强差，它与流量的关系为： ρ
)
(2q 210
0V P P A C -= （12）
式中：-V q 被测流体(水)的体积流量，m 3/s ；
—0C 流量系数，无因次； —0A 流量计节流孔截面积，m 2；
21
P P -—流量计上、下游两取压口之间的压强差，Pa ； —ρ被测流体(水)的密度，kg ／m 3 。

用涡轮流量计作为标准流量计来测量流量V q ，每一个流量在压差计上都有一对应的读数，将压差计读数△P 和流量V q 绘制成一条曲线，即流量标定曲线。

同时利用上式整理数据可进一步得到—0C Re 关系曲线。

三、实验装置流程与主要设备 1.实验装置流程示意图:
图-2 流动过程综合实验流程示意图
P1-入口压力表；P2-泵出口压力报表；F1-涡轮流量计；F2-转子流量计；F3-转子
流量计；F4-文丘里流量计；P3-差压传感器；V1-泵入口真空表控制阀； V2-泵
出口压力表表控制阀；V3、V20-实验管路1测量阀; V4、V21-实验管路2测量阀；V5、V17-实验管路3远端测量阀;V6、V16-实验管路3近端测量阀；V7、V18、V27-放空阀；V8、V19、V28-放水阀；V9、V22、V23-切断阀；V10、V13-倒U 管排水阀；V11、V12倒U型管测量阀；V14、V15-文丘里流量计测量阀；V24、V25、V26-流量调节阀；V29-泵入口阀。

2.实验装置面板图：
图-3 实验装置仪表面板图
表1 化工流动过程综合装置主要设备及仪器型号表
序号位号名称规格、型号
1 P101 离心泵WB70/055
2 V101 水箱长780mm×宽420mm×高
500mm
3 V102 缓冲罐不锈钢304壁厚实测2.0mm
4 V103 缓冲罐不锈钢304壁厚实测2.0mm
5
F1 涡轮流量计LWGY-40，0-20m3/h
6 数显流量计AI501BV24数显仪表
7 F2 转子流量计VA10-15F (10-100 l/h)
8 F3 转子流量计LZB-25 (100-1000 l/h)
9 F4 文丘里流量计d o=0.020mm
四、实验方法及步骤：
1.实验前准备工作：
（1）向水箱内注入蒸馏水（或者去离子水)至水箱3/4处。

（2）了解每个阀门的作用并检查每个阀门的开关状态,除阀门V29打开，其余阀门均关闭。

（3）实验装置接通电源。

2.流体阻力测定实验：
（1）普通管阻力测定实验：
①将实验管路1（普通管）的阀门V22、V20、V3全开，在流量为零条件下，打开通向倒置U型管的进水阀V11、V12，检查导压管内是否有气泡存在。

若倒置U型管内液柱高度差不为零，则表明导压管内存在气泡。

需要进行赶气泡操作。

导压系统如图3所示操作方法如下：启动泵后，开启大转子流量计调节阀V25，调节流量到最大，打开U型管的进出水阀门V11、V12，使倒U型管内液体充分流动，以赶出管路内的气泡；若观察气泡已赶净，将大转子流量计调节阀V25关闭，倒U型管进出水阀V11、V12关闭，慢慢旋开倒置U型管上部的放空阀V27后，分别缓慢打开排水阀V10、V13，使液柱降至标尺中点上下时马上关闭，管内形成空气—水柱，此时管内液柱高度差不一定为零。

然后关闭放空
阀V27，打开倒U型管进水阀V11、V12，此时U型管两液柱的高度差应为零（1-2mm可以忽略），如相差较大则表明管路中仍有气泡存在，需要重复进行赶气泡操作。

若反复操作两玻璃管液柱仍不平，将阀门V20打开，V22、V3打开，开启大转子流量计调节阀V25，调节流量到最大使倒U型管内有水流动，缓慢将阀门V18、V7打开，待两阀门有水流出，将阀门V18、V7关闭，再进行上述操作，基本可以使两液柱高度差为零。

图4 导压系统示意图
V10、13-排水阀；V11、12-倒置U型管进水阀；V127-U型管放空阀；
P3-压差传感器；P4-倒置U型管压差计。

②该装置两个转子流量计并联连接，根据流量大小选择不同量程的流量计测量流量。

③差压变送器与倒置U型管是并联连接，用于测量压差，小流量（10-100L/h)读取∪型管压差P4，大流量(100-1000L/h)读取压差传感器P3。

应在最大流量和最小流量之间进行实验操作，记录水温、转子流量计F2、F3读数和压差P4和P3，一般测取20组数据。

注：在测大流量的压差时应关闭U型管的进水阀V11、V12，防止水利用倒U型管形成回路影响实验数据。

（2）粗糙管阻力测定实验：
方法与普通管阻力测定实验相同。

（3）局部阻力测量实验：
①远端压差测定实验：
将阀门V19打开，启动离心泵开关，缓慢打开阀门V25，系统稳定即有水回到水箱，将阀门V25固定在某一开度（阀门开度不宜过大或过小），打开阀门V5、V17，调节阀门V25，将流量调至指定数据（见数据表）读取并记录水温以及差压传感器压差的数据。

②近端压差测定实验：
远端实验测定取数据后，将阀门V5、V17关闭，将阀门V6、V16打开，将流量调至与测定远端压差实验时相同的流量，读取并记录水温以及差压传感器压差的数据。

3.流量计性能测定：
（1）检查阀门V26、V24、V25是否关闭(应关闭)。

（2）启动离心泵，缓慢打开调节阀V6至全开。

待系统内流体稳定即水回到水箱，打开压力表和真空表的阀门控制阀门V1、V2。

如果流量计校核实验和离心泵性能实验一起做则需要打开阀门V14、V15。

（3）用阀门V26调节流量，从流量为零至最大或流量从最大到零，测取10～15组数据，同时记录涡轮流量计流量F1、文丘里流量计的压差P3、泵入口压力P1、泵出口压力P2、功率表读数，并记录水温T1。

4.取完所有数据后，将阀门V29以外的所有阀门关闭，关闭离心泵开关，关闭总电源，实验结束。

将实验室一切复原。

实验注意事项
1．仔细阅读数字仪表操作方法说明书，待熟悉其性能和使用方法后再进行使用操作。

2．启动离心泵之前以及从光滑管阻力测量过渡到其它测量之前，都必须检查所有流量调节阀是否关闭。

3．利用压力传感器测量大流量下△P时,应切断空气—水倒置∪型玻璃管的阀门否则将影响测量数值的准确。

4．在实验过程中每调节一个流量之后应待流量和直管压降的数据稳定以后方可记录数据。

5. 若较长时间未使用该装置，启动离心泵时应先盘轴转动以免烧坏电机。

6. 该装置电路采用五线三相制配电，实验设备应良好接地。

7. 启动离心泵前，必须关闭流量调节阀，关闭压力表和真空表的开关，以免损坏测量仪表。

8. 实验用水要用清洁的蒸馏水，以免影响涡轮流量计运行和寿命。

五、实验数据表
1、实验数据
流体阻力光滑管实验数据整理表
第套装置，光滑管内径d i = mm，管长L= m，水温，
流体阻力粗糙管实验数据整理表
第套装置，粗糙管内径d i = mm，管长L= m，水温，
局部阻力实验数据整理表
流量计性能测定实验数据整理表
2、计算。

3、在双对数坐标系中绘制直管摩擦阻力系数与雷诺准数关系图。

4、在双对数坐标系中绘制文丘里流量计标定曲线。

5、在对数坐标系中绘制流量系数Co与Re的关系图。

六、反思与讨论。