流体阻力实验

1、流体流动阻力的测定实验报告班级：化工1302姓名：周双月学号：2013011048完成日期：2015-11-12流体流体阻力的测定一、 实验目的及任务 掌握测定流体流动阻力实验的一般实验方法。 测定直管的摩擦阻力系数及突然扩大管的局部阻力系数。 测定层流管的摩擦阻力。 验证在湍流区内摩擦阻力系数为雷诺数Re和相对粗糙度的函数。 将所得的光滑管的-Re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。影响流体流动阻力的因素较

2、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，以及流动状态有关，可表示为：p=f (d,l,u,p,)引入无量纲数:雷诺数 相对粗糙度 管子长径比 从而得到： 令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。（1）式中-直管阻力，； -被测管长，； -被测管内径，； -平均流速，； -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摩擦阻力。根据伯努利方程找出不同Re静压强差和摩擦阻力系数的关系式，即可求

3、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，这样就可以得出某一相对粗糙度下管子的Re关系。在湍流区内摩擦阻力系数=f (Re,/d),对于光滑管，大量实验证明，当Re在3103105的范围内，与Re的关系遵循Blasius关系式，即（2）对于粗糙管，与Re的关系均已莫狄摩擦系数图来表示。如下图所示。图 1，莫狄摩擦因数图层流的摩擦阻力系数：（3）2、局部阻力（4）式中,为局部阻力；为局部阻力系数，它与流体流过的管件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、 装置和流程本实验装置如下图所示，管道水平安装，实验用水循环使用。其中5管为层流管，管径（61.

4、5）mm,两测压点之间的距离为1.50m；6、7安装有球阀和截止阀两种管件，管径为（273）mm；8管为d=20.5mm不锈钢管；9管为d=22.0mm镀锌钢管，直管阻力的两测压口间的距离为1.5m；10管为突然扩大管，管子由d1=16.0mm扩大到d2=42.0mm。各测压元件两测压口，均与压差传感器相连（但各口都有阀门，可以切换），系统流量由涡轮流量计3测量。图 2 流体阻力实验带控制点工艺流程1水箱；2水泵；3涡轮流量计；4主管路切换阀；5层流管；6截止阀；7球阀；8不锈钢阀；9镀锌钢管；10突扩管；11流量调节阀（闸阀）；12层流管流量阀（针阀）；13变频仪四、 实验操作要点开泵：打开

5、各管路的切换阀门，关闭流量调节阀11按变频仪13绿色按钮启动泵，固定转速（频率在50Hz），观察泵出口压力表读书在0.2MPa左右时，即可开始实验。排净系统（各主管及测压管线）气体：设备主管和测压管线中的气体都要排净，其方法是打开流量调节阀11数十秒钟后在关闭。这是流量为零，待数十秒钟观察压差传感器指示示数是否为零（允许有13Pa的波动，可记录和在计算时扣除），否则，要重新排气。实验测取数据：需测定哪个元件，则打开哪个管路的切换阀和测压管线上的切换阀门，其余管路的切换阀和测压管线上的切换阀都关闭。流量由小到大，测取810组数据，测定突然扩大管的局部阻力时测取3组数据。层流管的流量用量筒与秒表测

6、取。测完一个元件（如一根管）的数据后，应将流量调节阀11关闭，观察压差传感器指示示数是否为零（允许13Pa波动，可记录和在计算时扣除），否则，要重新排气。层流实验时，应关闭流量调节阀11，调变频仪13频率，应调至1215Hz情况下，用层流流量调节阀（针阀）12调节流量，用量筒与秒表测取数据。五、 数据处理1.原始数据表(1)不锈钢管路原始数据光滑管l/md/m(p1-p2)/kPa1.50.02050.02序号水流量qv/(m3/h)压降p/kPa水温T/°C10.750.4319.820.950.642031.080.8220.141.281.0920.151.852.0820.2

7、62.503.6020.473.055.1220.683.657.1220.894.149.0021104.7511.521.1（2）镀锌钢管路原始数据粗糙管l/md/m(p1-p2)/kPa1.50.0220.00序号水流量qv/(m3/h)压降p/kPa水温T/°C10.740.3821.920.880.5221.931.160.8221.941.441.1821.951.811.7821.962.402.9222.072.703.6322.083.255.1222.293.816.8422.2104.459.1622.3 （3）突然扩大管路原始数据突扩管d1d2(p1-p2)/

8、kPa0.0160.0420.01序号水流量qv/(m3/h)压降p/kPa水温T/°C11.270.3822.822.331.2922.833.342.622.8 （4）层流管路原始数据层流管l/md/m(p1-p2)/kPa1.50.0030.02序号体积V/ml时间/s压降p/kPa水温T/°C155.0600.7222.8267.0600.8422.8387.5601.0622.84131.5601.622.85170.0601.9622.96105.0302.4622.97121.5302.8822.92. 数据处理（见附表）已知l、d，测定pf、T等参数,可通过

9、查表和计算得到、Re、。根据公式： Re=du，=2dpflu2 （1）不锈钢管数据处理以第一组数据为例；qv=0.75m3/h；d=0.0205m；l=1.50m；p=0.43kPa；（p1-p2）=0.02kPa;平均温度T=22.41°C。，查表内插得22.41°C时，水的黏度Pa·s，取水的密度为。；理论（2）镀锌钢管数据处理 以第一组数据为例；qv=0.74m3/h；d=0.022m；l=1.50m；p=0.38kPa；（p1-p2）=0.00kPa;平均温度T=22.02°C。查表内插得22.02°C时，水的黏度Pa·s，

10、取水的密度为。（3）层流管路数据处理以第一组数据为例；V=55mL；t=60s；d=0.003m；l=1.50m；p=0.72kPa；（p1-p2）=0.02kPa;平均温度T=22.80°C。查表内插得22.80°C时，水的黏度Pa·s，取水的密度为理论（4）突然扩大管数据处理以第一组数据为例；qv=1.27 m3/h；d1=0.016m；d2=0.042m ；l=1.50m；p=0.38kPa；（p1-p2）=0.01kPa;平均温度T=22.80°C。查表内插得22.80°C时，水的黏度Pa·s，取水的密度为理论六、结果讨论1、

11、由数据处理的图表可知,光滑管和粗糙管的随 Re 的增大而减小，且 Re 增大到一定数值时，降低的速度变小，流体流型进入完全湍流区后，与Re无关。2、由光滑管的 Re曲线可以看出实验数据和符合Blasuis 方程。3、层流管的所得的实验数据较好地符合公式=64/Re。4、层流管的 Re 小于 2000，光滑管和粗糙管的 Re 在104数量级。七、误差分析1、实验过程中水箱中的水的温度不断升高，但是处理数据时取用平均温度温度，导致黏度和密度都存在一定误差。2、实验水已经在蓄水池中存放多时，且并不纯净，不能保证其粘度、密度等参数与理想状态相同。3、调解仪器状态时仪器无法处于完全稳定的状态，读数不准确

12、。4、在读取数据时，由于流动过程本身有一定的脉动性，压差不能保持稳定，有上下波动的情况，压差计的数据不断变化，读取的数据是一个范围内的平均值，不稳定，影响结果。八、思考题 在测量前为什么要将设备中的空气排尽？怎样才能迅速的排尽？答：因为实验的原理是根据伯努利方程设计的，而伯努利方程仅适用于连续均匀的流体，管路内有气体未排净则流体不是连续均匀的，不适用伯努利方程，进行实验会使数据不准确，影响实验结果的准确性。要迅速排净气体，首先要开大流量，使管内液体充分流动，以赶出管路内的气泡；若认为气泡已赶净，将流量阀关闭。 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 Re数据能否关联在一条直

13、线上？答：不能，因为，跟住四个特征数，分别是长径比l/d,雷诺数Re，相对粗糙度 ，还有欧拉数的平方。即使相对粗糙度相同的管，管径和温度不同都会影响雷诺数及摩擦系数。他们得到的-Re曲线图都不同。例如，由于温度的改变，会影响液体的粘度改变，还有液体密度的改变。因此，摩擦系数的公式中， =64/Re因此，温度的改变会影响，摩擦系数和雷诺数的改变。因此，他们不是在同一条曲线上，但能反映在同一副图中，作出比较。以水作为工作流体所测得的Re关系能否适用于其他种类的牛顿型流体？为什么？答：可以用于牛顿流体的类比，牛顿流体的本构关系一致。应该是类似平行的曲线，但雷诺数本身并不是十分准确，建议取中间段曲线，不要用两边端数据。雷诺数本身只与速度，粘度和管径一次相关，不同流体的粘度可以