流体流动阻力的测定

化工原理实验报告报告摘要流体阻力的大小关系到输送机械的动力消耗和输送机械的选择，测定流体流动阻力对化工及相关过程工业的设计、生产和科研具有重要意义。本实验利用由水箱、离心泵、光滑管、粗糙管、层流管、突然扩大管及自动测压、测流量装置等组成的装置，以水为工作流体，在常温常压下测定了光滑管、粗糙管、层流管的摩擦阻力系数λ和突然扩大管的局部阻力系数ξ，依据伯努利方程及Blasius关系式等，探讨了直管的摩擦阻力系数λ随雷诺数Re的变化关系，验证了湍流区内摩擦阻力系数λ为雷诺数Re和相对粗糙度ε/d的函数，并由测得的一系列数据得到了直管的λ-Re关系曲线，实验成功地完成了相关任务，达到了预期的目的。实验目的及任务1、掌握测定流体流的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、测定层流管的摩擦阻力。4、验证湍流区内摩擦阻力系数λ为雷诺数Re和相对粗糙度的函数。5、将所得光滑管的λ—Re方程与Blasius方程相比较。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，可表示为ΔP=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从而得到令λ=Φ（Re,ε/d）可得摩擦阻力系数与压头损失之间的关系，这种关系可用试验方法直接测得。式中—直管阻力，J/kg;L—被测管长，m;D—被测管内径，m;—平均流速，m/s;λ—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。根据伯努利方程找到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的管子λ-Re关系。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，λ与Re的关系遵循Blasius关系式，及λ=0.3163/Re对于粗糙管，λ与Re的关系均以图来表示。层流的摩擦阻力系数2.局部阻力式中，ξ为局部阻力系数，其与流体流过的管件的几何形状及流体的Re有关，当Re大到一定值后，ξ与Re无关，成为定值。实验装置流程图及主要测试仪器表图1流体阻力实验装置流程水箱；2、离心泵；3、自动测压、测流量装置；4、上水阀；5、高位水槽；6、层流管流量调节阀；7、阀门管线开关阀；8、球阀；9、截止阀；10、光滑管开关阀；11、粗糙管开关阀12、突然扩大管开关阀13、流量调节阀实验操作要点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、系统要排净气体使液体连续流动。设备和测压管线中的气体都要排净，检验是否排净的方法是当流量为零时，观察U形压差计中两液面是否水平。3、读取数据时，应注意稳定后再读。测定时，流量由大到小。充分利用面板量程测取10组数据，然后再由小到大测取几组数据，以检查数据的重复性。测定突然扩大管、球阀和截止阀的局部阻力时，各测取三组数据。层流管的流量用量筒与秒表测取。4、测完一根管的数据后，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。实验数据处理1、不锈钢管（光滑管）：l=1.50md=0.0205m实验时水温为16.8℃，查表经计算得在该温度下水的密度ρ=998.68kg/m3，该温度下水的粘度µ=1.101mPa•s，经处理可得如下表格:次数流量

qv(m3/h)压降

△p(kpa)流速

u/(m/s)雷诺数

Re阻力系数

λλ(Blasius)误差w

（%）10.500.26330.42178250.040700.0336321.0220.700.41250.589109540.032530.030925.2230.920.62920.774143970.028730.028880.5241.130.90550.951176840.027400.027430.0951.411.29951.187220650.025260.025952.6761.822.04831.532284820.023900.024351.8672.393.37942.011374020.022860.022740.5282.904.73622.441453830.021760.021670.4293.506.60222.946547720.020830.020680.73103.817.71483.206596240.020540.020241.46以第一组数据为例，计算如下：流速=0.421m/s雷诺数阻力系数误差w（%）=2、镀锌管（粗糙管）：l=1.50md=0.0220m次数流量

qv(m3/h)压降

△p(kpa)流速

u/(m/s)雷诺数

Re阻力系数

λ10.470.21430.34368540.0533620.680.37030.49799160.0440530.860.55570.628125410.0413341.241.02570.906180820.0366951.521.46531.111221650.0348961.922.24471.403279980.0334972.363.22971.725344140.0319082.844.52812.075414140.0308893.406.28932.485495800.02993103.787.69332.762551210.02962以第一组数据为例，计算如下：流速=0.343m/s雷诺数阻力系数3、突然扩大管：d1=0.0160m,l1=0.140m;d2=0.0420m,l2=0.280m次数流量

qv(m3/h)压降

△p(kpa)流速

u1/(m/s)流速

u2/(m/s)局部阻力

系数ξ11.050.16791.45060.21050.81915222.090.69592.88740.41900.81178333.071.62874.24140.61550.797624以第一组数据为例，计算如下：流速=1.4506m/s=0.2105m/s局部阻力系数最后求得局部阻力系数平均值ξ=0.809524、层流管：l=1.00md=0.0025m次数流量

qv(m3/h)压降

△p(kpa)流速

u/(m/s)雷诺数

Re阻力系数λ(实验值)阻力系数λ（理论值）误差

（%）10.00361.03030.2044620.124290.1385410.2820.00441.25600.2495650.101430.1133510.5130.00692.01280.3908850.066100.072288.5540.00762.32050.4309750.062810.065624.2850.00973.23250.54912450.053710.051424.4760.01043.24780.58913350.046950.047962.1070.01254.07830.70716040.040810.039902.28流速=0.204m/s雷诺数阻力系数实验结果及结论用Excel画出摩擦阻力系数λ-雷诺数Re图，分别见图2和图3：粗糙管（实测值）光滑管（实测值）粗糙管（实测值）光滑管（实测值）图2摩擦阻力系数λ与雷诺数Re的关系(光滑管和粗糙管)图3摩擦阻力系数λ与雷诺数Re的关系(层流管)1、对光滑管与粗糙管的实验结果分析：（1）光滑管与粗糙管的摩擦阻力系数λ均随雷诺数Re的增大非线性减小，当Re大到一定程度后，λ逐渐趋于一个定值，此后的流动可认为已进入阻力平方区。这是因为此时层流内层已薄到可以使管壁表面上的凸出物完全暴露在湍流核心之中。（2）对于光滑管，在实验雷诺数下，λ与Re应遵循Blasius关系式，即λ（Blasius）＝0.3163／Re0.251.由图2可知，当Re增大时，光滑管实测值与理论值比较接近，表明实验比较准确。2.有些实验点偏差较大，原因可能是由于管内气泡并未完全排尽造成仪表示数跳动太大，以致读数误差较大。（3）对于粗糙管，在雷诺数Re相同时，粗糙管的摩擦阻力系数λ明显大于光滑管。由此可以看到相对粗糙度ε/d对λ的影响。同Re条件下，ε/d大的管道，其λ也大。2、对层流管的实验结果分析：（1）由层流管的λ-Re关系曲线可以看出，Re<2000时，摩擦阻力系数λ随雷诺数Re呈对数线性减小，其关系符合λ＝64／Re。由图3可以看出，在此范围内实验数据与理论值吻合较好。（2）Re>2000时，该关系已不存在，说明此时层流管已经不是层流状态。3、对突然扩大管的实验结果分析：突然扩大管的局部阻力系数在实验条件下变化较小，平均值为0.8095。4、误差分析：我认为实验中出现误差的原因有读数不准确，调节仪器时状态未处于完全稳态，同时仪器也存在误差。分析讨论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：能关联到一条直线上。只有相对粗糙度相同才能关联到一条曲线上，因为雷诺数Re和管壁的相对粗糙度ε/d这两个变量中，ε/d是相同的，所以这种情况下才可以关联到一条曲线上。3、以水为工作流体所测得的λ-Re关系能否适用于其他种类的牛顿型流体？答：能适用，因为实验采用量纲分析法，其优点是可以使变量的数目大大