流体阻力实验装置的设计毕业论文

一、实验目的1、掌握流体阻力及一定管径和管壁粗糙度下摩擦系数λ的测定方法2、掌握测定局部阻力系数ζ的方法3、掌握摩擦系数λ与雷诺数Re之间的关系及工程意义二、实验原理流体阻力产生的根源是流体具有粘性，流动时存在内摩擦。而壁面的形状则促使流动的流体内部发生相对运动，为流动阻力的产生提供了条件，流动阻力的大小与流体本身的物理性质、流动状况及壁面的形状等因素有关。流动阻力可分为直管阻力和局部阻力。流体在流动过程中要消耗能量以克服流动阻力，因此，流动阻力的测定颇为重要。测定流体阻力的基本原理如图所示，水从贮槽由离心泵输入管道，经流量计计量后回到水槽，循环利用。改变流量并测定直管与管件的相应压差，即可测得流体流动阻力。1.直管阻力摩擦系数λ的测定直管阻力是流体流经直管时，由于流体的内摩擦而产生的阻力损失hf 。对于等直径水平直管段，根据两测压点间的柏努利方程有：（1）式中：l ，直管长度，md ，管内径，m（P1 - P2），流体流经直管的压强降，Pau ，流体截面平均流速，m/sρ，流体密度，kg/m3μ，流体粘度，PaS由式（1）可知，欲测定λ，需知道l、d、（P1 - P2）、u、ρ、μ等。（1）若测得流体温度，则可查得流体的ρ、μ值。（2）若测得流量，则由管径可计算流速u。（3）两测压点间的压降（P1 -P2），可用U型压差计测定。此时：（2）式中：R，U型压差计中水银柱的高度差，m则：（3）2.局部阻力系数ζ的测定局部阻力主要是由于流体流经管路中管件、阀门及管截面的突然扩大或缩小等局部位置时所引起的阻力损失，在局部阻力件左右两侧的测压点间列柏努利方程有：（4）即式中：ζ，局部阻力系数   P1′- P2′，局部阻力压强降，Pa式（4）中ρ、u、P1′- P2′等的测定同直管阻力测定方法。三、实验操作步骤1、了解实验装置，熟悉实验各装置的作用和原理。2、进一步熟悉离心泵的操作。3、检查水槽水量是否够用，必要时应为水槽加水；如实验时间稍长，水槽水量不够，可以向水槽加自来水，水位过高时即从溢流口流入地沟，便可保证水槽的水量。4、开始实验前先灌泵，避免在空载状态下开车。打开电源开关，关闭泵出口阀，打开泵电源开关。打开连通阀，将泵出口阀打至最大，等待几分钟后关闭出口阀，反复开关管子上部的排气阀对管子进行排气。5、在连通阀打开的情况下将排空阀开关几次对测压管进行排气。关闭连通阀再开排空阀几次对压差计调零。6、将流量由小逐渐加大，流量每变一次需等待几分钟到压差计内读数稳定，记录下U型管的液柱高度差。7、流量在增加过程中，其流速开始时增加的间隔较为缓慢，一般为10L/h。当流量增大到150L/h 后，便以50L/h 的流速来增加。8、在实验过程中，U型管液柱高度差应当是逐步增加的，如果不符合这一规律，应当从流量为最大值时开始，逆向操作（即逐步减少流量），直至流量为零为止。此时，U型管液柱高度差应当是逐步减少的。9、如果实验结果符合正常实验规律，即可终止实验。先关闭水的出口阀，再停泵，最后关闭电源开关；10、局部阻力系数的测定与直管阻力的测定方法一样，只是通过转向阀使液体流入弯管。11、打扫实验室卫生，整理好原始记录，交实验指导老师签字后再离开实验室。四、实验注意事项与设备的维护保养1、装置配备的U型管压差计内的指示液为水，20℃时密度为998.2kg/m3。2、本装置的直管为垂直安装，与U型管压差计相连的两测压点垂直距离为1054mm,直管内径为15mm，绝对粗糙度ε＝0.2mm；直管垂直安装，测压点测量的应为两截面间的势能差，包括了两者的代数和为ΣΔP＝（P2－P1）＋ρgΔZ。显然，ΔPS＝ΣHf＝λLρu2/(2d)，ρgΔZ则应为常数，且当u＝0时，ΔPS＝ΣHf＝0，ΣΔP取最大值,即ρgΔZ（此值可通过实验测定）。因此，实际的直管阻力ΣHf＝ρgΔZ－ΣΔP。本实验装置的数据还可以用于验证层流条件下λ与Re数的关系。3、设备的维修主要是料液泵，具体要求请参照泵的使用说明书和有关的电机手册；4、设备使用一段时间后，如果管道连接件泄漏，可用维修的活动扳手禁锢连接螺母；5、加密封生料带之后再紧锢，还不行，则必须更换管道接头或管道；6、注意实验过程中切勿捕捉测量点，只能从大到小测，或从小到大有规律的测，若少测了数据则需重新开始实验。不能将流量打回所需测的数值另读一组数据。否则数据将有很大的偏离。五、实验结果处理与要求1、根据实验所测项目，设计原始数据记录表格。2、验证层流时λ～Re的关系。3、湍流时，流量由小（大）到大（小）测8～10组数据，计算λ、ζ、Re值。4、在双对数坐标纸上绘出λ～Re曲线，并与书上λ～Re比较是否相符？5、局部阻力原始记录表格与下表一致。

MATLAB在化学工程与工艺实验数据处理中的应用*摘要]本文对MATLAB在化学工程与工艺实验中的应用进行了初步的尝试,传统的化工实验的数据处理是相当复杂的,需要花费大量的人力物力,由于化工实验需要平行实验,数据处理过程的重复性也非常大。借助MATLAB软件的应用,可以使人们从大量的数据处理当中解脱出来。本文以“化工原理”实验为例,利用MATLAB软件编写一个数据处理程序:只需输入任意一组原始数据,就可以把实验结果,数据模型以及作图一起显示出来。[关键词]化学工程与工艺;专业实验;数据处理;Matlab一、引言化学工程与工艺专业实验是初步了解、学习和掌握化学工程与工艺科学实验研究方法的一个重要的实践性环节。专业实验不同于基础实验,其目的不仅仅是为了验证一个原理、观察一种现象或是寻求一个普遍适用的规律,而应当是为了有针对性地解决一个具有明确工业背景的化学工程与工艺问题。[1]化工实验的特点流程较长,规模较大,数据处理也较为复杂。因此依靠计算机处理数据会使繁琐的数据处理过程变得简单快捷,大大提高工作效率。数据处理是每一个化学工程实验必不可少的步骤,也是至关重要的一个步骤。通过实验可以建立过程模型、分析工艺技术的可行条件。但是化工实验数据的处理往往并不是那么简单,它需要通过复杂的数学计算,若仅仅依靠手工计算则需要花费大量的时间,而且化工实验数据的处理量很大、重现性很高,因此应用计算机来处理实验数据可以大大提高工作效率。化学工程与工艺专业是一个以实验为基础的专业学科。实验的目的是通过有限的实验点去寻找某一对象或某一过程中各参数之间的定量关系,从而揭示某化工过程所遵循的客观规律。由于人力、物力、时间等条件的限制,任何实验所能完成的实验点都是有限的,如何根据这些有限的实验点归纳出各参数之间的关系,便是实验数据的处理问题。由于化工过程的复杂性,实验过程中各参数之间的关系往往是非线性的,数据处理或数据拟合的工作量往往比较大,且计算过程也比较繁琐。若能利用计算机进行数据处理,不仅处理结果的准确度很高,而且还会省下很多不必浪费的人力和时间,大大提高了工作效率。Matlab是集数学计算、结果可视化和编程于一身,能够方便地进行科学计算和大量工程运算的工程软件。它具有简单易用、人机界面良好,能使繁琐的科学计算和编程变得日益简单和准确有效。[2]本文以两个化工原理实验为例,阐述利用Matlab软件处理化工实验数据与人工处理相比较带来的方便,而且数据的结果更精确,误差更小。Matlab软件是一种简单易学的编写语言。它具有支持多平台操作系统(Windows、Unix等)、编写效率高、用途广泛、功能超强、程序极容易维护等等优点。二、数据处理程序的设计(一)程序框图由于化工实验有很多,而且每一个实验数据的处理的步骤、公式都不一样,所以很难用一个程序来描述。但是,每一个实验都有类似之处,因此每一个程序都可以用如图2-1来描述。这样则可以利用Matlab中的polyfit()函数进行线性拟合,此即为本文编写数据处理程序的基本原理。3.基本数据库从文献中只能查出特殊温度下的物性数据。例如:10℃、20℃、30℃等。但是工业生产中的温度就不可能那么凑巧和文献符合,因此,需要我们进行计算。平时学习中遇到这样的问题,我们往往是选两个相近的数据近似认为它们是线性关系,然后采用内插或外推法计算出工作温度下的物性常数。本文中所编写的程序把温度与密度、温度与粘度进行多项式拟合,使它们之间有两两对应关系。即在程序运行后,只需输入工作温度,程序就可以得到该温度下所需的物性常数。(三)程序的调试与运行结果1.流体阻力原始数据输入三、结论在化学工程与工艺实验中用Matlab软件处理实验数据是很有必要的。以本文中的化工原理实验为例,每一次实验都有大量的数据要处理,我们只要处理自己的原始数据,但教师在批改时就要把我们所有的实验数据都要计算,这个工作量是很大的。有了数据处理程序,教师只需要输入原始数据,运行程序后,就可了解学生的实验是否做得好、实验数据处理结果是否准确,这就可以节省很多的时间。在实际工程中,需要处理的数据更多,计算公式更加复杂,有时为了导出计算公式,还需要建立复杂的数学模型,手工计算基本是不可能完成的。因此,把Matlab软件应用到化学工程与工艺实验中进行实验数据的处理是十分必要的。(责任编辑:张明德)参考文献:[1]房鼎业,乐清华,李福清主编.化学工程与工艺专业实验[M].北京:化学工业出版社,2000.[2]李丽,王振领编著.MATLAB工程计算机应用[M].北京:人民邮电出版社,2001.[3]黄华江编著.实用化工计算机模拟———MATLAB在化学工程中的应用[M].北京:化学工业出版社,2004.[4]姚玉瑛主编.化工原理(新版)(上册)[M].天津:天津大学出版社,2003.