实验一流体流动阻力的测定

摘要：通过实验测定流体在光滑管、粗糙管、层流管中流动时，借助于伯努利方程计算摩擦阻力系数和雷诺数之间的关系，并与理论值相比较。同时以实验手段计算突然扩大处的局部阻力，并对以上数据加以分析，得出结论。

一、目的及任务

1.掌握测定流体流动阻力的实验的一般实验方法。

2.测定直管的摩擦阻力系数及突然扩大管和阀门的局部阻力系数。

3.测定层流管的摩擦阻力。

4.验证湍流区内摩擦阻力系数与雷诺数Re和相对粗糙度的函数。

5.将所得的光滑管的-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（如水），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；流体在突然扩大、弯头等管件时，由于流体运动速度和方向的突然变化，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，流体流经处几何尺寸以及流动状态有光，可表示为

p=f（d，l，u，，，）

   引入下列无量纲数群

雷诺数Re=

相对粗糙度

管子的长径比

   从而得到

   令=（Re，）

   可得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；

     l——被测管长，m；

     d——被测管内径，m；

     u——平均流速，m/s；

     ——摩擦阻力系数。

   当流体在一管径为d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。改变流速可测出不同Re下的摩擦阻力系数，这样就可得出某一相对粗糙度下管子的-Re关系。

⑴湍流区的摩擦阻力系数

   在湍流区内=f（Re，）。对于光滑管，大量实验证明，当Re在3~范围内， 与Re的关系遵循Blasius关系式，即

=0.3163/R

   对于粗糙管，与Re的关系均以图来表示。

   ⑵层流的摩擦阻力系数

2.局部阻力

   式中，为局部阻力系数，其与流体流过的几何形状及流体的Re有关，当Re大到一定值后，与Re无关，成为定值。

三、装置与流程

   本实验管道水平安装，实验用水循环使用。其中，1管为层流管，管内径2.9mm，两测压点之间距离为1m；2管为内径21.5mm的不锈钢管，两测压点之间距离为1.50m；3管为内径22.5mm的镀锌钢管，直管阻力两测压点之间距离为1.50mm；4管为突然扩大管，管子由内径16.0mm（l=140mm）扩大到内径为42.0mm（l=280mm）；测压计统一使用电子测压计；一组切换阀；总管安装流量计。

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相应的切换阀，关闭其他的开关阀和切换阀，保证测压点一一对应。

   2.系统要排净气体使流体连续流动。设备和测压线中的气体都要排尽，检验是否排尽的方法是当流量为0时，观察流量计是否为零。

   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量10组数据，然后再由小到大测取几组数据以检查数据的重复性。测定突然扩大管时，测取3组数据。层流管的流量用秒表与量筒测取。

4.测完一根管的数据后，应将流量调节阀关闭，观察流量计是否为零，是才能更换另一条管路，否则数据全部失效。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、实验数据及处理

以第一组为例。

在整个过程中，取温度平均值T=19.5 ^oC并视为不变，由此查表用内插法求得ρ=998.4Kg/ m³，μ=1.050cP。

u===0.54m/s

Re===10954.76

根据伯努利方程：

求得

根据Blasius关系式：=0.3163/R=0.3163/=0.031

偏差=

分析结论：由图可以看出，光滑管中λ随雷诺数的增大而减小。实验测定值和理论值偏差不是很大。

以第一组为例。

在整个过程中，取温度平均值T=20.5 ^oC并视为不变，由此查表用内插法求得ρ=998.2Kg/ m³，μ=1.014cP。

u===0.49m/s

Re===10837.35

根据伯努利方程：

求得

分析结论：由图可以看出，无论光滑管还是粗糙管，其摩擦阻力系数都随雷诺数的增大而减小。并且，同一雷诺数时，相对粗糙度越小（即管越光滑）所对应的摩擦阻力系数也越小。

以第一组为例。

在整个过程中，取温度平均值T=19.1 ^oC并视为不变，由此查表用内插法求得ρ=998.0Kg/ m³，μ=0.987cP。

 m³/s

u===0.13m/s

Re===372

 

分析结论：由图可以看出，层流管所对应的雷诺数偏小，都低于2000。摩擦阻力系数与雷诺数的对数呈线性递减的关系。

以第一组为例。

在整个过程中，取温度平均值T=20.4 ^oC并视为不变，由此查表用内插法求得ρ=997.8Kg/ m³，μ=0.975cP。

==1.01m/s

==0.15m/s

根据伯努力公式：

可得（）

分析结论：从表中可以看出，随着流体流速的逐步增加，局部阻力系数缓慢下降，但是下降幅度并不是很大。

以第一组为例。

在整个过程中，取温度平均值T=21.1 ^oC并视为不变，由此查表用内插法求得ρ=998.1Kg/ m³。

==0.67m/s

根据伯努力公式：

可得（）

以第一组为例。

在整个过程中，取温度平均值T=21.1 ^oC并视为不变，由此查表用内插法求得ρ=998.1Kg/ m³。

==0.67m/s

根据伯努力公式：

可得（）

分析结论：在流速一定的情况下，截止阀的局部阻力系数远远大于球阀的局部阻力系数。

七、思考题

1、以水为工作介质测得的λ-Re曲线，能否适用于其它种类的牛顿型流体？为什么？

答：对于其他牛顿型流体可以，Re反映了流体的性质，虽然其他流体的密度和黏度与水不同，但最终都在Re上反映了出来，所以可以引用。

2、在什么条件下，不同组的λ-Re数据能关联在一条线上？

答：管径不同、温度不同（密度和黏度不同），导致即使在同一流速下的Re都不相同，这样关联出来的曲线是没有意义的。

3、以下情况测出的差值是否代表直管阻力损失？它们分别是多少？在什么条件下 R₁=R₂=R₃？

答：不能，用水做出来的曲线，Re是根据水的密度和黏度计算出来的，除非其他流体的密度与黏度之比与水相同，不然不能用此曲线。

4、根据实验数据，估计不锈钢管和镀锌钢管的粗糙度是多少？

答：不影响直管阻力，直管阻力只和液体的密度、黏度、流速和管子的直径、长度以及相对粗糙度有关，与放置状态无关。在伯努利方程中也只是部分压强能转化为位能，但用仪器测量时是两者和之差，所以不影响。

5、突扩管两测压点间的沿程阻力对局部阻力系数的影响有多大？如何避免或减小？参考下图，借助不锈钢管的λ-Re关系修正突扩管实验结果。

  答：突扩管会使局部阻力系数增大，可以选择将突然扩大改为逐渐扩大，从而减小局部阻力的增加。

 

第二篇：化原实验报告-流体流动阻力的测定

扬 州 大 学

化工原理实验报告

班级         姓名         学号        实验日期         

同组人姓名                            指导教师         

实验名称   流体流动阻力的测定                

 

一、实验预习

1. 实验目的

2. 实验原理

3. 写出下图所示的实验流程示意图中各编号所代表的设备、仪器或仪表的名称。

流体流动阻力实验流程示意图

4. 简述实验所需测定的参数及其测定方法

         

5. 实验操作要点

二、实验数据表

（一）原始数据表

1. 直管阻力

2. 局部阻力

指导教师               （签字）

（二） 数据整理表

 1.  直管阻力  

2.  局部阻力

三、计算举例（并绘出Re ~ λ关系曲线）

四、问题讨论

1. 测压孔大小和位置、测压导管的粗细和长短对实验有无影响？为什么？

2. 如何防止U形压差计内的水银被冲走？本实验中采取了什么防护措施？

3. 为什么在对某一项目测量时，其余各水路必须切断？

4. 本实验中使用了哪些测定压强差的方法？它们各有什么特点？