流体实验报告

流体流动阻力的测定实验小构组员：指导老师：刘惠仙实验内容测定流体在特定材质和ε／d的直管中流动时的阻力摩擦系数λ，并拟定λ和Re之间的关系测定流体通过阀门时的局部阻力系数。实验目的理解测定流体流动阻力摩擦系数的工程定义，掌握测定流体阻力的实验组织办法。测定流体流径直管的摩擦阻力和流径管件阀门的局部阻力，拟定直管阻力摩擦系数与雷诺数之间的关系。熟悉压差计和流量计的使用办法。认识构成管路系统的各部件、阀门并理解其作用。实验原理在实验中流体管路是由直管、管件（例如三通、直角弯头等）、阀门等部件构成。当流体在管路中流动时，由于粘性剪应力和涡流的作用，会消耗掉一部分机械能，流体在直管中的机械能损失为直管阻力；但当流体通过阀门、管件等部件时，损失的机械能则称作局部阻力。直管阻力流体在水平的均匀管道中稳定流动时，由截面1流动至截面2的阻力损失体现为压力的减少，即：hf=（p1-p2）/ρ=△p/ρ，由于影响阻力损失的因素众多，因此采用因此分析法列出下列几个因素：①流体性质密度ρ，粘度μ；②管路几何尺寸管径d，管长l，管壁粗糙度ε；③流动条件流速u。由此，根据以上条件能够将阻力损失hf与诸多变量之间的关系表达为△p=f（d,l,μ,ρ,u,ε）,根据因次分析法，可将上述变量之间的关系转变为无因次准数之间的关系其中dρu/μ=Re称为雷诺数，是表征流体流动形态影响的无因次准数；l/d是表达相对长度的无因次几何准数，ε/d称为管壁相对粗糙度。将式改写为Δp/ρ=（l/d）(Re,ε/d)u2/2，令λ=φ(Re,ε/d)，则hf=Δp/ρ=λl/du2/2，上式即为普通计算在直管阻力的公式，其中λ称为直管阻力摩擦系数。直管两端的压差若用水银U型压差计测定，则Δp=R（ρHg-ρH2O）g其中R为U型压差计两侧的液柱高度差。2、局部阻力局部阻力普通用当量长度法或局部阻力系数法来表达。当量长度法：总阻力损失为∑hf=λ[（l+∑ei）/d]u2/2，局部阻力系数法：he=△p/ρ=εu2/2四、实验设计用自来水做实验物料：由实验原理及式hf=λl/du2/2和△p/ρ=εu2/2，知，当实验装置拟定后，只要变化管路中流体流速u或流量v，测定对应的直管阻力压差△p1和局部阻力压差△p2，就能通过计算得到一系列的λ和ξ的值以及对应的Re的值；在安排实验点的分布时，要考虑到随Re的变化趋势，在小流量范畴适合多布点。测试点及测试办法原始数据有流速u（或流量V），直管段压差△p1和局部段压差△p2，流体温度t（据此拟定p，μ），另外尚有管路直径d和直管长度l。测试点需在直管两端各设一对测压点，分别用以测定△p1和△p2，在管路中配备一种流量（或流速）和温度测试点，共6个测试点。测试办法直管段和局部管段压差的测定：采用水银U型压差计流速或流量的测定：测流速较为方便用涡轮流量计测定流量，则Q=f/ξ其中，f——涡轮流量计的转子频率，其数值用数显仪表显示;ξ——涡轮流量计的仪表系数；Q-----流量，L/s。温度的测定：用水银玻璃温度计测定，℃。控制点及调节办法实验中需控制调节的参数是流体流量Q，能够在管路系统出口端设立一控制调节阀门，用以调节流量并确保整个管路系统灌满.实验装置和流程设计1---水泵；2---温度计；3---涡轮流量计；4---控制阀；5----排气瓶；6---测压导管；7---平衡阀；8---U型压差计9---排气阀10---水槽流程阐明：关闭出口阀，打开平衡阀进行排气（排气过程见实验环节详解），在排气结束后关闭平衡阀，将出口阀开至最大，因此流体通过水泵的压力流经阀门3并通过直管流出出口阀10，其中能够通过U型压差计的读数进行最后的直管阻力和局部阻力的计算。五、实验环节1、实验正式开始前，关闭流体出口控制阀门，打开水银压差计平衡阀。2、动离心泵。注意启动前应进行灌泵。3、分别进行管路系统，引压管，压差计的排气工作，排除可能寄存在系统内的空气，以确保数据测定稳定，可靠。管路系统排气：打开调节阀，让水流动半晌，将管路中的大部分空气排出。然后将出口阀关闭。打开管路出口端上方的排气阀，使管路中残存空气排出。引压管和压差计排气：依次打开并快速关闭压差计上方的排气阀，重复操作几次，将引压管和压差计内的空气排出。排气时要注意严防U型压差计中水银冲出。4、气结束后，关闭平衡阀。5、出口控制阀开至最大，观察最大流量范畴，据此拟定合理的实验布点。6、流量调节后，需稳定一段时间，方可测取有关数据。7、实验结束后，先打开平衡阀，关闭出口控制阀，再关闭离心泵和总电源。六、实验数据实验数据统计：流体流动阻力测定实验数据统计表涡旋流量计仪表常数990433：327.16管道材质：镀锌白铁管，直管管长：L=2m管内径：d1=20mm局部管内径：d2=32mm温度T=26℃水的密度：998.2kg/m3水的粘度：100.50×105Pa·s读数统计：序号涡旋流量计(转/s)局部压差计读数（mm）压差直管压差计读数（mm）压差左右左右1590691.5261.2430.3310.5681370.52521644.1304.8339.3349641.5292.53450600.5343.8256.7384607.6223.64391569.5374.1195.4411.6582170.45327539.5402.4137.14365561206273518.5423.495.1454539857212500.5440.759.8469.5522.853.38191493.5446.247.3474.2517.343.19168488.5451.636.9478.6513.835.210150484.5456.128.4481.8509.928.111129480459.520.5485.8506.220.412109477.1463.213.9488.8503.614.81390475.6464.810.8490.8500.8101469472.8466.86492.8498.25.41549471.84683.8493.8497.53.71629470.54691.5494.2496.82.61719470.2469.40.8495496.41.4189470.1469.50.6495.3495.70.41904704700495.5495.50实验数据解决：（1）直管阻力测定：ε/d=0.0006序号涡旋流量计(转/s)仪表常数流量（L/s）流速m/sRe雷诺数压差mmHg阻力损失hfJ/kg直管阻力系数λ1590327.161.5.131234.3092430.353.236860840.0161392521327.161.592492975.115886.568339.341.978310210.016323450327.161.4.100093.9646256.731.759010410.0165514391327.161.3.86970.53373195.424.174953780.0166885327327.160.3.72734.94764137.116.962058140.016746273327.160.834454092.60723.6718895.111.765804010.016667212327.160.2.47155.3789159.87.0.0173728191327.160.1.42484.3272347.35.0.0169289168327.160.1.37368.4134636.94.0.0170710150327.160.1.33364.6548728.43.513657560.0164811129327.160.1.28693.6031920.52.53626690.01608412109327.160.1.24244.9825513.91.0.0152751390327.160.0.8.7929310.81.0.0174081469327.160.0.15347.7412560.742322020.0164541549327.160.0.10899.12063.80.0.0206641629327.160.0.6450.4999451.50.0.0232871719327.160.0.4226.1896180.80.0.028934189327.160.0.200.18792920.60.0（2）局部阻力测定：序号涡旋流量计(转/s)仪表常数流量（L/s）流速m/s雷诺数Re压差mmHg阻力损失heζ1590327.161.803398951.131234.3092370.545.8383847110.906282521327.161.592492971.115886.568292.536.1881984611.041873450327.161.375473771.100093.9646223.627.6638672711.31464391327.161.195133880.86970.53373170.421.0819453611.421115327327.160.999510940.72734.9476412014.8464403911.499476273327.160.834454090.60723.671888510.5162286111.686547212327.160.648000980.47155.3789153.36.12.1528191327.160.58381220.469291642484.3272343.15.12.106069168327.160.513510210.37368.4134635.24.12.7795710150327.160.458491260.33364.6548728.13.12.7972311129327.160.394302480.28693.6031920.42.12.5615412109327.160.333170310.24244.9825514.81.12.764421390327.160.275094750.8.79293101.12.650491469327.160.210905980.15347.741255.40.11.622191549327.160.149773810.1203941810899.12063.70.15.790721629327.160.088641640.6450.4999452.60.31.678871719327.160.058075560.4226.1896181.40.39.73865189327.160.027509480.200.18792920.40.50.60195局部阻力系数ζ平均值：11.95024λ与雷诺数关系：计算示例:以第一组数据为例，已知涡流流量计的读数f=590r/s，仪表常数=327.16/r，由Q=f/ξ=590/327.16=1.L/s,再求出流速u=Q*10-3/(0.25*3.14*d*d)=5.m/s,再求出雷诺数dρu/μ=Re=131234.3092,最后求出λ=2pd/ρlu2=0.016139,hf=Δp/ρ=λl/du2/2=53.23686084J。故以这类推算出其它组的数据。七、实验成果讨论在相对粗糙度一定的状况下，随着雷诺数的增加，直管阻力系数会逐步减小。数据分析：对于在测定直管阻力与局部阻力过程中的背面几组数据突变的因素，是由于在流速较大是属于湍流，故得到的测定值基本比较稳定，而第16组数据开始数据开始浮动较大，因素是由于流速较小，该段为层流，故数据会有不同。八、误差分析由于长久使用这个装置，而装置内的流体为水，但不是实验室所用的蒸馏水，因此对于水的密度和粘度与原则值相比可能会有些许差别，同时，装置内部也会由于长久使用会有些许水垢或者生锈的地方都会对实验的成果有一定的影响。另外，由于读数过程中水银柱的液面上下浮动，因此读数方面存在一定的误差，进而到最后计算时也会产生一定的误差。九、思考题1.U型压差计上装设的平衡阀有何作用？在什么状况下是开着的，在什么状况下是关闭的？答:由于介质（各类可流动的物质，涉及流动的液体和空气）在管道或容器的各个部分存在较大压差或流量差，为减小或平衡该差值，在对应的管道或容器之间安设阀门，用以调节两侧压力平衡。作用：平衡正负压差，避免单压水银溢出，实验正式开始前打开，排期结束后关闭，在实验中测定水银柱压差时是关闭的，。2.为什么要将实验数据在双对数坐标纸上绘制？答：λ与Re呈一定的对数关系，并且由于实验数据某一坐标轴上的数据分布范畴比较大，直接绘图不方便，因此对其取对数缩小范畴方便绘图，同时读数会更加直观。3.不同管径，不同水温下测定的λ～Re数据能否关联到一条曲线上？为什么？答：一次变化一种变量，是能够关联出曲线的，但同时变化两个变量，则会在两个条件下影响数据，而管径与水温对雷诺数的影响不同，因此不能进行关联，因此我们在实验中必须采用控制变量法。4.以水为工作流体测定的曲线能否用于计算空气在管中的流动阻力？为什么？答：能，由于由式λ=φ(R