流体流动阻力的测定

班级：生实0901             姓名：袁宁                   学号：200982024

实验时间：2011.10.25       同组人：李航  高芳芳

摘要：

本实验通过测定流体在不同管路中流动时的流量qv、测压点之间的压强差ΔP，结合已知的管路的内径、长度等数据，应用机械能守恒式算出不同管路的λ‐Re变化关系及突然扩大管的?-Re关系。从实验数据分析可知，光滑管、粗糙管的摩擦阻力系数随Re增大而减小，并且光滑管的摩擦阻力系数较好地满足Blasuis关系式： 。突然扩大管的局部阻力系数随Re的变化而变化。

一、   目的及任务

①掌握测定流体流动阻力实验的一般实验方法。

②测定直管的摩擦阻力系数λ及突然扩大管和阀门的局部阻力系数ξ。

③验证湍流区内摩擦系数λ为雷诺数Re和相对粗糙度的函数。

④将所得光滑管λ-Re方程与Blasius方程相比较。

二、   基本原理

1.  直管摩擦阻力

不可压缩流体，在圆形直管中做稳定流动时，由于黏性和涡流的作用产生摩擦阻力；流体在流过突然扩大、弯头等管件时，由于流体运动的速度和方向突然变化，产生局部阻力。影响流体阻力的因素较多，在工程上通常采用量纲分析方法简化实验，得到在一定条件下具有普遍意义的结果，其方法如下：

流体流动阻力与流体的性质，流体流经处的几何尺寸以及流动状态相关，可表示为：

△p=?(,,,ρ, μ, ε)

引入下列无量纲数群。

雷诺数

相对粗糙度

管子长径比

从而得到

令

可得到摩擦阻力系数与压头损失之间的关系，这种关系可用实验方法直接测定。

式中

——直管阻力，J/kg；

——被测管长，m；

——被测管内径，m；

——平均流速，m/s；

——摩擦阻力系数。

当流体在一管径为的圆形管中流动时，选取两个截面，用U形压差计测出这两个截面间的静压强差，即为流体流过两截面间的流动阻力。根据伯努利方程找出静压强差和摩擦阻力系数的关系式，即可求出摩擦阻力系数。改变流速科测出不同Re下的摩擦阻力系数，这样就可得到某一相对粗糙度下的λ-Re关系。

(1)湍流区的摩擦阻力系数

在湍流区内。对于光滑管，大量实验证明，当Re在范围内，与Re的关系式遵循Blasius关系式，即

对于粗糙管，与Re的关系均以图来表示。

(2)层流的摩擦阻力系数

2.  局部阻力

式中，ξ为局部阻力系数，其与流体流过管件的集合形状及流体的Re有关，当Re大到一定值后，ξ与Re无关，为定值。

三、   装置和流程

本实验装置如图，管道水平安装，实验用水循环使用。其中No.1管为层流管，管径Φ(6×1.7)mm,两测压管之间的距离1.2m；No.2管安装有球阀和截止阀两种管件，管径为Φ(27×3.5)mm；No.3管为Φ(27×3.5) mm不锈钢管；No.4为Φ(27×2.5) mm镀锌钢管，直管阻力的两测压口间的距离为1.5m；No.5为突然扩大管，管子由Φ(22×3) mm扩大到Φ(48×3) mm；a₁、a₂为层流管两端的两测压口；b₁、b₂为球阀的两测压口；c₁、c₂表示截止阀的两测压口；d₁、d₂表示不锈钢管的两测压口；e₁、e₂表示粗糙管的两测压口；f₁、f₂表示突然扩大管的两测压口。系统中孔板流量计以测流量。

四、   操作要点

①  启动离心泵，打开被测管线上的开关阀及面板上与其对应的切换阀，关闭其他开关阀和切换阀，确保测压点一一对应。

②  系统要排净气体使液体连续流动。设备和测压管线中的气体都要排净，检验的方法是当流量为零时，观察U形压差计的两液面是否水平。

③  读取数据时，应注意稳定后再读数。测定直管摩擦阻力时，流量由大到小，充分利用面板量程测取10组数据。测定突然扩大管、球阀和截止阀的局部阻力时，各取3组数据。本次实验层流管不做测定。

④  测完一根管数据后，应将流量调节阀关闭，观察压差计的两液面是否水平，水平时才能更换另一条管路，否则全部数据无效。同时要了解各种阀门的特点，学会使用阀门，注意阀门的切换，同时要关严，防止内漏。

五、   数据处理

1、原始数据

水温：13.8℃

密度：999.7kg/m³     

粘度：μ=1.305

1）、不锈钢管  d=20.5mm  l=1.5m

 

2）、镀锌管 d=22.0mm l=1.5m

  

3）、突然扩大 d₁=16.0mm l₁=1.4m d₂=42.0mm l₂=280mm

4）、球阀 d=21.0mm l=1.5m

2、数据处理

1）不锈钢管，镀锌管以及球阀雷诺数和摩擦阻力系数用以下公式计算

雷诺数

式中

——直管阻力，J/kg；

——被测管长，m；

——被测管内径，m；

——平均流速，m/s；

——摩擦阻力系数。

2）突然扩大管得雷诺数及摩擦阻力系数由以下公式计算

雷诺数

摩擦阻力系数

3、数据处理结果如下表所示

直管阻力数据处理记录表

球阀数据处理记录表

突然扩大数据处理记录表

六、实验结论及误差处理

1.λ-Re关系图如下图：

由图可知，当雷诺数大于4000（阻力平方区），阻力系数λ随着雷诺数Re增大而减小；当雷诺数增大到相当大后，阻力系数取决于其相对粗糙度。图中光滑管与粗糙管的λ-Re曲线可以很清晰地反应出这一点。

 

2. 系统误差，人为操作所造成的误差，读取数据时的随意性也可导致误差，在数据处理过程中有效值的取舍带来的误差等等

。

六、  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：排气是为了保证流体的连续流动。先打开出口阀排除管路中的气体，然后关闭出口阀，打开U形压差计下端的排气阀。

2.在不同设备、不同温度下测定的λ-Re数据能否关联在一条曲线上？

答：只要相对粗糙度相同，λ-Re数据就能关联到一条曲线上。

3.以水为工作流体所测得的摩擦阻力系数与雷诺数的关系是否适用于其他流体

答：不适用，粘度不同。

4.测出的直管摩擦阻力与设备的放置状态有关吗？为什么？

答：无关。

根据机械能守恒有

U形压差计的

所以不变，故λ不会改变。

5.如果要增加雷诺数的范围 ，可采取哪些措施？

答：雷诺数

故可增大管径、增大流速等方法使雷诺数增大。

 

第二篇：流动阻力实验报告

实验7  流体阻力测定实验

    一、实验目的

⒈ 学习直管摩擦阻力△P_f、直管摩擦系数l的测定方法；

⒉ 掌握直管摩擦系数l与雷诺数Re和相对粗糙度之间的关系及其变化规律；

⒊ 掌握局部阻力的测量方法；

⒋ 学习压强差的几种测量方法和技巧；

⒌ 掌握坐标系的选用方法和对数坐标系的使用方法。

    二、实验内容

    ⒈ 测定实验管路内流体流动的直管摩擦系数l与雷诺数Re和相对粗糙度之间的关系曲线；

⒉ 在本实验压差测量范围内，测量阀门的局部阻力系数；

⒊ 在对数坐标纸上标绘光滑管和粗糙管的l-Re关系曲线。

    三、实验原理

⒈ 直管摩擦系数l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，对一定的相对粗糙度而言，。

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：

                                                 （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）

                        （1-2）

整理（1-1）（1-2）两式得

                                 （1-3）

                                  （1-4）

式中：管径，m ；

      直管阻力引起的压强降，Pa；

      管长，m；

      流速，m / s；

      流体的密度，kg / m³；

           流体的粘度，N·s / m²。

    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△P_f与流速u（流量V）之间的关系。

    根据实验数据和式（1-3）可计算出不同流速下的直管摩擦系数λ，用式（1-4）计算对应的Re，从而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。

    ⒉ 局部阻力系数的测定

                                      （1-5）

                                          （1-6）

式中：局部阻力系数，无因次；

     局部阻力引起的压强降，Pa；

局部阻力引起的能量损失，J／kg。

图1-1 局部阻力测量取压口布置图

局部阻力引起的压强降 可用下面的方法测量：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，在其上、下游开两对测压口a-a’和b-b＇，见图1-1，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                 （1-7）

    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           （1-8）

    联立式（1-7）和（1-8），则：

                        ＝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。用差压传感器来测量。

    四、实验装置

    ⒈ 实验流程示意图   如图1-2所示

图1-2 流动阻力实验流程示意图

  请写出流程图上每个数字标注的名称

1            ；2            ；3           ；4            ；5            ；6             ；7            ；8            ；9            ；10            ；

11               ；12               ；13             ；14            ；15             ；16              ；17              ；18            ；19              ；20              ；21             ；22              ；23                ；24                ；25               ；26               

⒉ 实验装置中主要仪器仪表技术参数

①     被测光滑直管段： 管径d—0.008m；  管长L—1.698m；  材料—不锈钢管

  被测粗糙直管段： 管径 d—0.010m；  管长L—1.698m；  材料—不锈钢管

②     被测局部阻力直管段: 管径 d—0.015m；管长 L—1.2m；   材料—不锈钢管

③     压力传感器:

             型号:LXWY          测量范围: 200 KPa

④     直流数字电压表:        

             型号: PZ139         测量范围: 0 ～ 200 KPa

⑤     离心泵:   

          型号: WB70/055    流量: 8(m³／h)  扬程: 12(m)  电机功率: 550(W)   

⑥     玻璃转子流量计:

             型号          测量范围           精度         

           LZB—40       100～1000(L／h)      1.5

           LZB—10       10～100(L／h)        2.5

五、实验方法

⒈ 向储水槽内注满水（有条件最好用蒸馏水，以保持流体清洁）。

2.接通电源，差压变速器预热约15分钟后，调整好数字仪表的零点，按变频器上的启动按钮，启动离心泵。

⒊ 光滑管阻力测定：

⑴ 关闭粗糙管阀10、粗糙管测压进水阀13、粗糙管测压回水阀15，将光滑管阀11全开。

⑵ 在流量为零条件下，打开光滑管测压进水阀17和回水阀16，旋开倒置U型管进水阀18和出水阀20，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。操作方法如下：

开大流量，使倒置U型管内液体充分流动，以赶出管路内的气泡；若认为气泡已赶净，将流量阀关闭；慢慢旋开倒置U型管上部的放空阀26，打开阀19，使液柱降至零点上下时马上关闭，管内形成气-水柱，此时管内液柱高度差应为零。然后关闭放空阀26。

⑶ 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。

⑷ 差压变速器与倒置U型管也是并联连接，用于测量直管段的压差，小流量时用倒置∪型管压差计测量，大流量时用差压变速器测量。应在最大流量和最小流量之间进行实验，一般测取15～20组数据，建议当流量小于300L／h时,只用倒置∪型管来测量压差。

3．粗糙管阻力测定：

关闭阀11、光滑管测压进水阀17、光滑管测压回水阀16，全开阀10，旋开粗糙管测压进水阀13、粗糙管测压回水阀15，逐渐调大流量调节阀，赶出导压管内气泡。

⑵ 从小流量到最大流量，一般测取15~20组数据。

⑶ 直管段的压差用差压数字表第3路测量。

⑷ 截止阀⒇局部阻力测量：在最大流量时，读取差压数字表第6、7路压差数据。

4．局部阻力测定

关闭阀门10和11，全开或半开阀门12，改变流量，用差压变送器测量远点、近点压差。

5．测取水箱水温。

⒍ 待数据测量完毕,关闭流量调节阀，停泵。

    六、注意事项

⒈ 直流数字表操作方法请仔细阅读说明书后，方可使用。

⒉ 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。

⒊ 用差压数字表测量大流量下压差时，必须关闭通倒置U形管的阀门18、20，防止形成并联管路。

    ⒋ 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。

⒌ 倘若较长时间内不做实验，放掉系统内及储水槽内的水。

⒍ 较长时间未做实验，启动离心泵之前，应先盘轴转动，否则易烧坏电机。

七、数据表

表1  直管阻力实验数据表

表2  粗糙管阻力实验数据表

表3  局部阻力实验数据表

八、计算举例

⒈ 光滑管的第       组数据（取小流量数据，压差是用倒U管测得）

Q =                     = 

⑴ 直管内流速的计算

⑵ 的计算

⑶ 的计算

⑷ 的计算

⒉ 粗糙管的第       组数据（取大流量数据，压差是用传感器测得）

Q =                     = 

⑴ 直管内流速的计算

⑵ 的计算

⑶ 的计算

⑷ 的计算

⒊ 局部阻力的第       组数据

    Q =                    =                 =

⑴ 直管内流速的计算

   

⑵ 的计算

⑶ 局部阻力系数的计算

   

九、曲线图（见坐标纸）

十、实验结果分析

⒈ 摩擦系数是               和            的函数。

⒉ 直管摩擦阻力系数随雷诺数的变化规律因            不同而不同。

⒊ 本实验中用水为工作介质，做出的曲线，对其它流体是否适用？为什么？