2023年化工原理实验流体流动阻力系数的测定实验报告

流体流动阻力系数的测定实验报告一、实验目的: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λ及忽然扩大管和阀门的局部阻力系数ξ。验证湍流区内摩擦阻力系数λ为雷诺系数Re和相对粗糙度的函数。将所得光滑管的λ—Re方程与Blasiｕs方程相比较。二、实验器材:流体阻力实验装置一套三、实验原理: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;流体在流过忽然扩大、弯头等管件时，由于流体运动的速度和方向忽然变化，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有关,可表达为△P=f(d，ｌ,u，ρ，μ，ε)引入下列无量纲数群。雷诺数Rｅ=dｕρ/μ相对粗糙度ε/d管子长径比l/d从而得到△P/(ρｕ2)=ψ(duρ／μ，ε/d,l/ｄ)令λ=φ(Re，ε/ｄ)△P/ρ=(l/d)φ（Re，ε/d）ｕ2/２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。hf=△Ｐ/ρ＝λ（l/d)u2/2式中，ｈf——直管阻力,Ｊ/kｇl——被测管长，ｍｄ——被测管内径,mu——平均流速，m／ｓλ——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λ—Re关系。(1）、湍流区的摩擦阻力系数在湍流区内λ=f(Re，ε／d）。对于光滑管,大量实验证明,当Re在3×103～105范围内,λ和Ｒe的关系遵循Ｂlasius关系式，即λ＝０.３163/Re0．25对于粗糙管,λ和Re的关系均以图来表达。局部阻力ｈｆ＝ξｕ2／2式中，ξ为局部阻力系数,其与流体流过的管件的几何形状及流体的Rｅ有关,当Ｒe达成一定值后，ξ与Ｒe无关，成为定值。四、实验环节：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,保证测压点一一相应。排净系统中的气体以便使液体能连续流动。设备和测压管线中的气体都要排净，观测Ｕ形压差计中两液面是否水平，假如水平说明系统中气体已经排净。测定光滑管和粗糙管摩擦阻力，先将流量从小到大慢慢增长,并观测U形压差计中两液面差，当液面差达成最大并等数据稳定后记录第一组数据,即此时的液体流量和压差。接着将流量由大到小,每相差0.3m3/ｈ左右侧一组数据。充足运用面板量程测取１0组数据,然后再由小到大测取几组数据,以检查数据的反复性(不记录数据）。测定忽然扩大管、球阀和截止阀的局部阻力时,各测取3组数据，具体环节与侧量光滑管和粗糙管相同。注旨在记录整个实验的第一组数据时记录一次液体温度，记录最后一组数据时记录一次温度。测完一根管的数据后，应将流量调节阀关闭，观测压差计的两液面是否水平，水平时才干更换另一条管路，否则所有数据无效。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、实验数据解决:在整个实验过程中，液体温度可由始末温度值之和的平均值代替，则有ｔ=（t始+t末)/２=（２１.2+26.8)／２=24℃此温度相应水的密度可由相关表查得，ρ＝９9７.2ｋg/m３μ=0.9142mＰa·S求光滑管、粗糙管摩擦阻力系数λ和雷诺系数Rｅ由公式u=Q/A=3．５4×１02Q／ｄ2得到流速,由公式Re＝duρ/μ可求得雷诺数，由式hf=△Ｐ/ρ=λ（ｌ/d）u2/2可求得真实的λ,由Blasiｕｓ关系式λ’=0.3１63/Ｒe0.2５可求得理论λ’。光滑管几何尺寸为d=２1mｍ,l=1.5m,相对粗糙度ε/d=0．2/２１=0.０1所求光滑管在不同流量下的u、Re、λ、λ’如下表：光滑管的相关数据如下表：序号１２345678910Q／m3／ｈ３.５０3.２2２.９42.６62.3８2．1０1．8２1．541.2６０．98△Ｐ/kPa6.805.834．93４.１43.322.702．1２1.531.0９0.76ｕ/m/s２.812.582.３62．14１.911．69１.4６1.２41.010．79Rｅ×10－46．4４５．915．414.904.３８3．873．３42.８４2．3１1．８1λ０．02420.０2４６０．０24９0．02540.02５６0.0２660.０2790．02800.03000.034２λ’0.01990.0203０．020７0.02１3０．021９0.022６0.0２340．０244０．０2570.0２7３粗糙管几何尺寸为d=２2mm,l=1.5m，相对粗糙度ε/d=０．3/２2=0.01４所求粗糙管在不同流量下的u、Re、λ、λ’如下表:粗糙管的相关数据表如下：序号1２３456７8９10Ｑ/ｍ3／h3.６73．373.072.77２.472．171．871.5７１.２7０.97△Ｐ／kＰa６．8５5.８94.９04.01３．2２2.541.99１.521.0３０．66ｕ/m/s2.６82.462．252.031．811.5９1.37１.15０．930.71Ｒe×10-46.43５.905.4０4.874.343.8２3．292.762.２31.7０λ0.０2800．0２860.02８50.02860.０289０.０2９5０.0３1２０.03３80.03500.038５λ’０.０19９0．0203０.02070.02130．0２１90.022６0.０２350.02450．02590.０２772、求局部阻力系数ξ由公式u=Ｑ/Ａ=３．5４×102Q/ｄ2得到流速,由式hｆ=△P／ρ＝ξu2/2可得到ξ。其中，扩大管的管径取d＝１６mm,球阀和截止阀的管径取ｄ=20mm。所求得各数据如下表:扩大管、球阀管、截止阀管的相关数据表如下:序号扩大管球阀截止阀123123123Q/m3/ｈ3.５02.701.903．5２2.7２1.921．４11．060.71△P/kPa4.5５1.6４0.273.441．６２０.9１６.69３.841．78ｕ/m/s４.8４3.732.６33.１22.411.７０1．250.940．６3ξ0．3９0４０．2369０.080３０.71030.56060．6３298.60６8．735９．01４所得湍流时λ—Ｒｅ—ε/d关系图如下：六、思考题:(1）、在测量前为什么要将设备中的空气排净？如何才干迅速地排净?设备中要是尚有空气未排净将使设备中液体不能连续地流动,势必影响实验结果。在接通水泵电源以后,再打开流量调节阀门,使之大流量输出便可迅速有效地排净设备中的空气。（２)、在不同设备(涉及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?不能关联到一条曲线上。(3)、测出的直管摩擦阻力与设备的放置状态有关吗?为什么？有关系。由hｆ=(Ｐ1／ρ+z1g)-(P２/ρ+z2g