流体阻力实验报告.docx
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流体流动阻力的测定
北京化工大学
化工原理实验报告
实验名称：
流体流动阻力测定
班级：
化工10
学号：
2010
姓名：
同组人：
实验日期：
2012.10.10
流体阻力实验
一、摘要
通过测定不同阀门开度下的流体流量，以及测定已知长度和管径d的光滑直管和粗糙直管间的压差，根据公式，其中为实验温度下流体的密度；流体流速，以及雷诺数（为实验温度下流体粘度），得出湍流区光滑直管和粗糙直管在不同Re下的λ值，通过作双对数坐标图，可以得出两者的关系曲线，以及和光滑管遵循的Blasius关系式比较关系，并验证了湍流区内摩擦阻力系数λ为雷诺数Re和相对粗糙度ε/d的函数。
由公式可求出突然扩大管的局部阻力系数，以及由求出层流时的摩擦阻力系数，再和雷诺数Re作图得出层流管关系曲线。
关键词：
摩擦阻力系数局部阻力系数雷诺数Re相对粗糙度ε/d
二、实验目的
1、掌握测定流体流动阻力实验的一般试验方法；
2、测定直管的摩擦阻力系数λ及突然扩大管的局部阻力系数ζ；
3、测定层流管的摩擦阻力系数λ；
4、验证湍流区内摩擦阻力系数λ为雷诺数Re和相对粗糙度ε/d的函数；
5、将所得光滑管的λ-Re方程与Blasius方程相比较。
三、实验原理
1、直管阻力损失函数：
f（hf，ρ，μ，l，d，ε,u）=0
应用量纲分析法寻找hf（ΔP/ρ）与各影响因素间的关系
1）影响因素
物性：
ρ，μ设备：
l，d，ε操作：
u（p,Z）
2）量纲分析
ρ[ML-3]，μ[ML-1T-1]，l[L]，d[L]，ε[L]，u[LT-1]，hf[L2T-2]
3）选基本变量（独立，含M，L，T）
d，u，ρ（l，u，ρ等组合也可以）
4）无量纲化非基本变量
μ：
π1＝μρaubdc[M0L0T0]=[ML-1T-1][ML-3]a[LT-1]b[L]c⇒a=-1,b=-1,c=-1
变换形式后得：
π1＝ρud/μ
l:
π2＝l/dε:
π3＝ε/dhf:
π4＝hf/u2
5）原函数无量纲化
6）实验
摩擦系数：
层流圆直管（Re<2000）：
λ=φ（Re）即λ=64/Re
湍流水力学光滑管（Re>4000）：
λ=0.3163/Re0.25
湍流普通直管（4000λ=φ（Re,ε/d）即
湍流普通直管（Re>临界点）：
λ=φ（ε/d）即
2、局部阻力损失函数
局部阻力系数：
考虑流体阻力等因素，通常管道设计液速值取1～3m/s，气速值取10～30m/s。
大多数阀门：
顺时针旋转是关闭，逆时针旋转是打开。
四、实验流程
层流管：
；突然扩大管：
；粗糙管：
；光滑管：
。
操作装置图如下：
五、实验操作
1、关闭流量调节阀门，启动水泵；
2、调整阀门V1～V5开关，确定测量管路；
3、打开对应引压管切换阀门和压差传感器阀门，进行主管路、测压管路排气；
4、排气结束，关闭传感器阀门，检查其数值回零，否则继续排气；
5、确定量程，布点，改变水流量测多组数据；
6、所有参数在仪表柜集中显示，水流量/m3•h-1，压降/kPa，温度/℃；
7、层流实验水流量由量筒和秒表测出；
8、测完所有数据，停泵，开传感器排气阀，关闭切换阀门；
9、检查数据，整理好仪器设备，实验结束。
六、实验数据处理
原始数据如下表：
ρ（kg/m3）=998.2μ（mPa.s）=1.005
T=20.6℃光滑管l=1.5md=21.5mm
T=21.6℃
粗糙管l=1.5d=21.5mm
序号
流量
qv/m3•h-1
压降
Δp/pa
流量
qv/m3•h-1
压降
Δp/pa
1
4.10
7314.5
4.12
10468.0
2
3.55
5580.0
3.55
7748.7
3
3.05
4225.5
3.05
5739.5
4
2.58
3058.7
2.55
4054.5
5
2.21
2265.8
2.20
3046.7
6
1.85
1608.8
1.86
2179.6
7
1.50
1065.2
1.50
1448.2
8
1.16
643.2
1.15
869.4
9
0.85
349.3
0.84
482.5
10
0.65
205.5
0.65
284.5
突然扩大管
T=22.5℃d=15.6mmD=42mml=140mmL=280mm
序号
流量qv/m3•h-1
Δp/pa
1
3.5
5256.5
2
2.0
1457.5
3
0.8
159.6
层流管d=2.9mml=1mT=23.1℃
序号
V/ml
t/s
Δp/pa
1
111
20
5155.6
2
102
20
5065.5
3
84
20
2172.0
4
70
20
1731.2
5
62
20
1535.6
6
22
20
438.0
数据计算示例：
1、光滑管：
近似取T=20.0℃时水的密度，粘度
以光滑管第一组数据为例：
2、粗糙管：
以粗糙管第一组数据为例：
,,
3、突然扩大管：
以第一组数据为例：
,
同理求出三组数据所对应的值，再求其平均值
4、层流管：
以第一组数据为例：
,
按照以上方法将实验数据处理如下表所示：
⑴光滑管：
l=1.50m，d=21.5mm，压降零点修正ΔP0=0kPa，水温度=20.6℃
表1.光滑管的原始数据记录及处理结果一览表
序号
水流量
/m3•h-1
压降
/Pa
流速
/m•s-1
雷诺数
Re
摩擦系数λ
λBlasius
1
4.10
7314.5
3.1386
67023.14
0.021324
0.019658
2
3.55
5580.0
2.7176
58032.23
0.021699
0.020379
3
3.05
4225.5
2.3349
49858.67
0.022261
0.021167
4
2.58
3058.7
1.9750
42175.53
0.022519
0.022072
5
2.21
2265.8
1.6918
36127.10
0.022735
0.022943
6
1.85
1608.8
1.4162
30242.15
0.023036
0.023985
7
1.50
1065.2
1.1483
24520.66
0.023201
0.025276
8
1.16
643.2
0.8880
18962.64
0.023425
0.026954
9
0.85
349.3
0.6507
13895.04
0.023693
0.029133
10
0.65
205.5
0.4976
10625.62
0.023837
0.031154
粗糙管：
l=1.50m，d=21.5mm，压降零点修正ΔP0=0kPa，水温度=21.6℃
表2.粗糙管的原始数据记录及处理结果一览表
序号
水流量
/m3•h-1
压降
/Pa
流速
/m•s-1
雷诺数
Re
摩擦系数λ
1
4.12
10468.0
3.1540
67350.08
0.030222
2
3.55
7748.7
2.7176
58032.23
0.030132
3
3.05
5739.5
2.3348
49858.67
0.030237
4
2.55
4054.5
1.9521
41685.12
0.030557
5
2.20
3046.7
1.6841
35963.63
0.030849
6
1.86
2179.6
1.4239
30405.62
0.030875
7
1.50
1448.2
1.1483
24520.66
0.031543
8
1.15
869.4
0.8803
18799.17
0.032217
9
0.84
482.5
0.6430
13731.57
0.033512
10
0.65
284.5
0.4976
10625.62
0.033000
根据以上数据做出散点图如下：
图3.光滑管和粗糙管的λ与Re的关系散点图
将上图修正处理，得到曲线图如下
图4.光滑管和粗糙管的λ与Re的关系以及Blasius公式比较
（3）突扩管：
d1=16.0mm，d2=42.0mm，压降零点修正ΔP0=0kPa，水温度=22.5℃
表3.突然扩张管的原始数据记录及处理结果一览表
序号
水流量
/m3•h-1
压降
/Pa
细管流速/m1•s-1
粗管流速/m1•s-1
局部阻力系数ξ
1
3.5
5256.5
5.0892
0.7021
0.570207
2
2.0
1457.5
2.9081
0.4012
0.632167
3
0.8
159.6
1.1632
0.1605
0.742252
（4）层流管：
l=2.9mm，d=1.00m，压降零点修正ΔP0=0kPa，水温度=23.1℃
表3.层流管的原始数据记录及处理结果一览表
序号
水体积/ml
水流量
/m3•s-1
压降
/kPa
流速/m1•s-1
雷诺数Re
摩擦阻力系数λ
λ理论
1
111
0.0000056
5155.6
0.8407
2421.46
0.042387
0.026430
2
102
0.0000051
5065.5
0.7725
2225.12
0.049320
0.028762
3
84
0.0000042
2172
0.6362
1832.45
0.031182
0.034926
4
70
0.0000035
1731.2
0.5302
1527.05
0.035789
0.041911
5
62
0.0000031
1535.6
0.4696
1352.53
0.040467
0.047319
6
22
0.0000011
438.0
0.1666
479.93
0.091671
0.133353
图6.层流管的λ与Re的关系
七、实验结果分析：
由上面图表中的数据信息可以得出以下结论：
1、流动进入湍流区时，摩擦阻力系数λ随雷诺数Re的增大而减小。
至足够大的Re后，λ-Re曲线趋于平缓；
2、实验测出的光滑管λ-Re曲线和利用Blasius关系式得出的λ-Re曲线比较接近，说明当Re在范围内，λ与Re的关系满足Blasius关系式，即；图像有误差可能原因是在调节流量和时间控制中未把握好，人为造成了实验误差。
包括流量的控制大小以及压降度数误差等。
3、突然扩大管的局部阻力系数随流量的减小而增大；
4、在Re<2000范围内，流体流动为层流，实验所得层流管的摩擦阻力系数λ随Re的变化趋势与公式特性曲线相近，证明在层流区λ与Re的关系满足公式。
Re超过2000后明显与特征曲线相差变大，证明Re大于2000不符合特征曲线。
5、主要实验误差来源：
实验过程中水的温度不断改变，数据处理中仅取初始温度20度；压力差计量表的数据在不断变化，读取的是一个瞬时值。
八、思考题
1、在测量前为什么要将设备中的空气排净，怎样才能迅速地排净？
答：
在流动测定中气体在管路中，对流动的压力测量产生偏差，在实验中排出气体，保证流体的连续，这样流体的流动测定才能准确。
先打开出口阀排净管路中的空气，然后关闭出口阀开U形压差计的排气阀。
2、在不同设备（包括相对粗糙度相同而管径不同）、不同温度下测定的λ-Re数据能否关联在一条曲线上？
答：
由，联立得：
，可知λ-Re曲线受ρ、d、l、μ等的影响，故不一定能关联到一条曲线上。
3、以水为工作流体所测得的λ-Re关系能否适用于其他种类的牛顿型流体？
为什么？
答，不能，因为由实验证明在湍流区范围内，λ与Re的关系式遵循Blasius关系式，即，而Re的值与流体密度、粘度等物理性质有关，不同流体物理性质不同，所以不适用。
4、测出的直管摩擦阻力与设备的放置状态有关吗？
为什么？
（管径、管长相同，且R1=R2=R3）
答：
与设备的放置状态无关。
由伯努利方程：
，，其中。
因为U型管所测得的即是两点间的势能差，即为，当R相同时，三次的摩擦阻力系数也相等。
5、如果要增加雷诺数的范围，可采取哪些措施？
答：
根据更改管径，更改流体温度，从而更改流体的粘度和密度。
实验完成日期：
2012年
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