化原实验一流体阻力

1、北 京 化 工 大 学实 验 报 告课程名称： 化工原理实验 实验日期： 2010.10.29班 级： 化工0809 姓 名： 翟佳秀同 组 人：张丽娜、谢毅鹏、 苏晨、张宏韬 装置型号： FFRS-型流体阻力实验一、摘要本实验以水为介质，使用FFRS-型流体阻力实验装置，测定了水流经直管道、局部管道的阻力系数，Re104105。实验验证了湍流状态下直管摩擦阻力系数受Re和/d共同影响；层流状态下直管摩擦阻力系数仅是Re的函数，且在双对数坐标系内呈线性关系；局部阻力系数受Re和局部形状影响，尤其局部形状的差异影响远大于Re。实验得到的直管道阻力系数关联图与教材P29图1-32接近，满足工程上允

2、许的误差范围，在实际应用中，可适当参考该图数据求取阻力系数，进一步计算流体阻力。关键词：摩擦阻力系数 局部阻力系数 Re /d 二、实验目的1、 借助不锈钢管、镀锌钢管测定随Re，/d的变化关系。2、测定湍流条件下突扩管、全开截止阀、半开截止阀的值。3、测定层流直管道的随Re变化关系。三、实验原理流体在流动过程中，由于粘性会发生相互间的摩擦，从而导致其机械能减少，我们称之为阻力损失。计算流体阻力一种方法是测得管路上、下游两个截面的机械能，当没有外加能量时，两者的差值即是阻力损失；另一种方法是通过因次分析，得到一定条件下通用的公式，此法在科学研究和工程计算上应用广泛，具体如下：1、寻找影响流体阻

3、力的因素，共6个： h f =(d, u,) （1）2、简化实验，确定函数关系：使用因次分析法，将所有变量组合成4个无因次数群：雷诺准数Re du/ 相对粗糙度 /d管道长径比 l/d 能量项 hf/u2确定函数关系： （2）对于水平无变径直管道，结合柏努利方程上式变为： （3）令可得： （4）式中 hf 直管阻力，JKg-1；l 被测管长，m；d 被测管内径，m；u 平均流速，ms-1；摩擦阻力系数。(4)式适用于湍流直管条件下的阻力计算，大量实验表明，当管道内壁非常光滑，即相对粗糙度低于某一数值后，与Re的关系遵循Blasius关系式：=0.3163/Re0.25 （5）当流体处于层流状态

4、时，摩擦阻力系数将不受相对粗糙度的影响，由理论推导得： （6）当流体流经等径管道局部（弯头、阀门等），不考虑直管段长度，方程变为以下形式： (7) 当流体流经突然扩大管道(p1<p2)时： (8)称为局部阻力系数，它与流体流过的管件的几何形状及流体的Re数有关，当Re大到一定值后，与Re数无关，为定值。 用传感器测量压降时，要求主管路和引压管线中的液体必须连续，不能有气泡。主管路排气可开大流量阀门，使水大量快速流过管道，将其中气体带走。引压管线中的气体可在关闭出口流量调节阀的情况下，打开传感器两侧的排气阀门将其排净，最后注意将排气阀关闭。四、实验流程图1、流体阻力实验流程1、水箱 2、水

5、泵 3、涡轮流量计 4、层流水槽 5、层流管 6、截止阀 7、球阀 8、光滑管 9、粗糙管 10、突扩管 11、流量调节阀 12、层流调节阀设备尺寸：不锈钢管：l=1.5m，d=0.021m镀锌钢管：l=1.5m，d=0.023m突 扩 管：l1=0.14m，l2=0.28m，d1=0.016m，d2=0.042m截止阀、球阀管道：d=0.021m层流管：l=1.0m，d=0.0029m五、实验操作1、按下红色按钮开启离心泵，打开被测管线上的开关阀及面板上与相应的切换阀，关闭其他的开关阀和切换阀保证测压点一一对应。2、确定实验管路，打开主管路切换阀及引压管阀门。3、打开排气阀，排尽系统内的空气

6、，保证液体连续流动。检验是否排尽的方法是关闭排气阀，观察引压管读数是否在（0±0.03）KPa范围内，得出压降零点修正值。4、将流量调节阀打到全开，查看最大流量值，在确定流量最小值后，设定出流量间隔值。5、由最小流量值开始调节流量，读取引压管数据，读温度，记录测得的压降及流量、温度。6、每次切换管路后，都要进行排气，并重新读取压降零点修正值。7、在层流实验中，水流量由在一定时间内流出水的质量及其密度求得。接液，计时，读取引压管数据，记录数据。六、实验数据处理1、不锈钢管：l=1.5 m d= 22mm 压降零点修正：P0=-0.02kpad=22mml=1.5m序号流量/m3h-1流

7、速/kpa压降/kpa水温度/雷诺数Re入（Blasuus）入摩擦阻力系数14.273.1218389.981416.9 68338.740.01956290.01859887624.12.9975499.274616.8 656180.01976260.01877777333.952.8878838.634516.7 63217.340.01994760.01906962743.652.668557.479216.6 58416.020.02034540.01930816853.32.4126626.197816.5 52814.480.02086460.019523245663.022.2

8、079515.259216.4 48333.250.02133230.02064479372.631.9228184.096216.3 42091.540.02208260.02149870982.241.6376853.069316.2 35849.830.02298670.02256910591.751.2794421.968516.1 28007.680.02445010.023274087101.240.9065761.078316.9 19845.440.02664920.026485106以第一组数据为例，计算过程如下：t水=15，查表得=999.1kg.m-3 =1.145mPa

9、.s t水=20, 查表得=998.2kg.m-3 =1.008mPa.s用内插法计算：当温度为T时的=（20-T）*998.2/5-(15-T)*999.1/5 = (20-T）*1.008/5-(15-T)*1.145 /5所以，t=16.9时 =998.542 kg.m-3 =1.0601 mPa.s流速u=4Q/(3600×d2)= 4*4.27/(3600*3.14*0.0222)=3.122 m/s雷诺数Re=du/= 22*3.122*998.542*1.0601=72705.75摩擦阻力系数=2pd/(lu2)=2*0.83*22/(1.5*998.542*1.145

10、2)=0.0186摩擦阻力系数理论=0.3163/Re0.25=0.01962、镀锌钢管：l=1.5 m d=22mm 压降零点修正：P0=-0.03 kPad=22mml=1.5m序号流量/m3h-1流速/kpa压降/kpa水温度/雷诺数Re入（Blasuus）入摩擦阻力系数13.992.9171279.099216.9 63857.510.0198970.0193656223.422.5003956.713216.8 54735.010.0206790.0204973432.812.0544186.61516.7 44972.330.021720.0219741542.321.696174

11、3.216216.6 37130.180.0227860.0271916751.811.3233082.039216.5 28967.940.0242450.0241585361.431.0454871.261516.4 22886.280.0257160.0258541371.120.8188430.841216.3 17924.920.0273360.0279080180.890.6506880.546516.2 14243.910.0289530.0289622790.730.533710.36116.1 11683.20.0304230.03001756100.590.4313550.

12、173216.0 9442.590.0320870.03270488以第三组数据为例，计算过程如下：用内插法计算：当温度为T时的=（20-T）*998.2/5-(15-T)*999.1/5 = (20-T）*1.008/5-(15-T)*1.145 /5所以，t=16.9时 =998.542 kg.m-3 =1.0601 mPa.s流速u=4Q/(3600×d2)= 4*2.81/(3600*3.14*0.0222)=2.054m/s雷诺数Re=du/= 22*2.054*998.542/1.0601=42564.02摩擦阻力系数=2pd/(lu2)=2*0.94*22/(1.5*9

13、98.542*1.06012)=0.0208摩擦阻力系数理论=0.3163/Re0.25=0.02173、突扩管：d1= 15.6mm ；d2= 42.0mm（l1=0.14m，l2=0.28m，=0.023） 压降零点修正：P0=-0.02kpa序号流量/m3h-1流速1/kpa流速2/kpa压降/kpa温度/ 入局部阻力系数13.965.4737261150.7943735.4731690.978573522.483.4279900920.4974861.92741680.978610831.051.4513667730.2106290.23451670.9787162说明：此处突扩管压降

14、p1-p2<0，其它p1-p2>0。以第三组数据为例，计算过程如下：用内插法计算：当温度为T时的=（20-T）*998.2/5-(15-T)*999.1/5 = (20-T）*1.008/5-(15-T)*1.145 /5所以，t=16.9时 =998.542 kg.m-3 =1.0601 mPa.s流速u1=4Q/(3600×d12)= 4*1.81/(3600*3.14*0.01562)=2.63m/s流速u2=4Q/(3600×d22)= 4*1.81/(3600*3.14*0.0422)=0.36m/s雷诺数Re1=du/= 15.6*2.63*998.

15、542/1.0601=43390局部阻力系数=1-（0.362+2*0.84/998.542）/2.632=0.94局部阻力系数理论=0.94（查表）4、层流管：l= 1.00 m d=0.0029 m压降零点修正：P0=-0.02kpa序号时间/s体积/ml温度/ 流速/m/s流量/ml/s压降/kpa雷诺数Re入摩擦阻力系数入Blasuus168.418016.9 0.16551.169420.85582.349730.2771730.77717252.667416.8 0.19891.4052411.016498.956120.2647510.64675351.978216.7 0.22

16、331.5778331.1187111.10990.2560060.57600438.367416.6 0.27301.9290931.3756135.84540.2411240.47112534.978016.5 0.32382.2876751.6779161.09650.1972770.39727629.327916.4 0.38132.6944071.9298189.73830.1773070.33730725.848016.3 0.43823.0959752.363218.01640.1435560.29355822.428016.2 0.50503.5682430.6079251.2

17、7320.1047030.25470以第一组数据为例，计算过程如下：用内插法计算：当温度为T时的=（20-T）*998.2/5-(15-T)*999.1/5 = (20-T）*1.008/5-(15-T)*1.145 /5所以，t=16.9时 =998.542 kg.m-3 =1.0601 mPa.s流速u=4Q/(d2)=4*(68.41/106/40)/(3.14*0.00292)=0.1655 m/s雷诺数Re=du/=2.9*0.1655*998.542/1.0601=82.35摩擦阻力系数=2pd/(lu2)= 2*0.65*2.9/(1.0*996.500*998.5422)=0.

18、278Re人七、实验结果作图及分析： 图2 湍流直管摩擦阻力系数与雷诺数关系结果分析：1、不锈钢管与镀锌钢管的摩擦阻力系数均随雷诺数的增大而减小，当雷诺数增加到一定值后，阻力系数减小的程度变缓，这是由于其值取决于相对粗糙度，在完全湍流区当雷诺数足够大时摩擦阻力系数不变。2、当Re相同时，不锈钢管与镀锌钢管的摩擦阻力系数明显不同，且后者高于前者，雷诺数相同时，相对粗糙度越大对应的摩擦阻力系数就越大，由于不锈钢管的比镀锌管的摩擦阻力系数的小，所以不锈钢管的摩擦阻力系数小于镀锌管的。3、相同Re条件下，不锈钢管与镀锌钢管的值大于水力学光滑管，可见前两者的相对粗糙度值并没有小到光滑管以下，其仍对有影响

19、。人Re图3、层流摩擦阻力系数与雷诺数关系结果分析：1、Re<1800时，摩擦阻力系数随雷诺数线性减小，=64/ Re作成双对数坐标系为线性关系，Re>1800后，理论上流体不在层流范围内流动，不符合以上关系。2、过度区的起始点雷诺数大概是1800（小于2300），参考其它组同学数据，影响因素有仪器粗糙度、管道内径、测压计读数不稳、测量时因环境不同而存在差异等。此外：（分析没有作图的表格数据等）序号流量/m3h-1流速1/kpa流速2/kpa压降/kpa温度/ 入局部阻力系数13.965.4737261150.7943735.4731690.978573522.483.427990

20、0920.4974861.92741690.978610831.051.4513667730.2106290.23451690.97871621、突然扩大管的局部阻力系数受水流量（雷诺数）的影响不大，0.97，与理论值基本相符。八、思考题1、不锈钢管、镀锌钢管实验测量的只是Re改变后的值，为什么判断受Re和/d共同影响？ 答：因为由量纲分析法可知，hf=(Re,l/d,/d),而实验装置中l/d固定，所以可以判断受Re和、d共同影响。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-Re数据能否关联在一条曲线上？为什么？ 答：可以， hf=(Re,l/d,/d)，这时采用双纵坐标分别表示不同的相对粗糙度和管径，这样就能达到以上目的3、以水作工作流体所测得的-Re关系能否适用于其它种类的牛顿型流体？为什么？ 答：可以，因为的获得与流体性质无关，对于一套确定的装置，只与Re有关。4、以下测出的直管摩擦阻力与设备的放置状态有关吗？它们分别是多少？（管径、管长一样，管内走水，且R1=R2=R3） 答：有关系，hf1=gR1/, hf2=gR2/+Lsin, hf3=gR3/+L5、柏努利方程的适用条件是什么？该条件与本实验有什么联系？ 答：适用条件