流体力学综合实验流体流动阻力的测定Word格式文档下载.docx
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1.直管阻力摩擦系数λ的测定
流体在水平等径直管中稳定流动时，阻力损失为：
·
（1）
·
（2）
公式中：
λ——直管阻力摩擦系数，无因次；
d——直管内径，m；
——流体流经l米直管的压力降，Pa；
——单位质量流体流经l米直管的机械能损失，J/kg；
ρ——流体密度，kg/m3；
l——直管长度，m；
u——流体在管内流动的平均速度，m/s；
滞流（层流）时：
（3）
（4）
式中：
Re——雷诺准数，无因次；
μ——流体粘度，kg/（m·
s）。
湍流时λ是Re和相对粗糙度（ε/d）的函数，须由实验测定。
由
（2）可是，要测定λ，需要确定l、d，测定
、u、ρ、μ等参数。
l、d为装置参数（装置参数表格中给出），ρ、μ通过测定流体温度，再查有关手册而得，u通过测定流体流量，再由管径计算得到。
本装置流量采用涡轮流量计或转子流量计测量，则
（5）
V——流量计测得的流量，m3/h。
可用U型管、倒置U型管、测压直管等液柱压差计测定，或采用压差变送器和二次仪表显示。
根据实验装置结构参数l、d，指示液密度ρ0，流体温度t0（查流体物性ρ、μ），以及实验时测定的流量V、
，求取Re和λ，再将Re和λ标绘在双对数坐标图上。
2局部阻力系数ξ的测定
流体通过某一管件或者阀门时的机械能损失表示为流体在小管径内流动时平均动能的某一倍数，局部阻力的这种算法，叫做阻力系数法。
即：
（6）
故：
（7）
——单位质量流体流经某一管件或阀门时的机械能损失，J/kg；
ξ——局部阻力系数，无因次；
——局部阻力压强降，Pa；
（本装置中，所测得的压强降应扣除阀门二端两侧压口间直管段的压降，直管段的压降由相应管路的直管阻力实验结果求取）；
g——重力加速度，9.81m/s2；
u——流体在小截面管中的平均流速，m/s。
根据连接管件或阀门两端管径中小管的直径d，流体温度t0（查流体物性ρ、μ），以及实验时测定的流量V、
，通过式（6）或（7），求取管件（阀门）的局部阻力系数ξ。
三．实验仪器
1.实验装置
实验对象部分由贮水箱、离心泵，不同管径、材质的水管，各种阀门、管件，涡轮流量计和倒U型压差计等所组成。
管路部分有三段并联长直管，自上而下分别为用于测定直管层流阻力、粗糙管直管阻力系数、光滑管直管阻力系数。
同时在粗糙管直管和光滑管直管上分别装有闸阀和截止阀，用于测定不同种类阀门的局部阻力系数。
水的流量使用转子流量计或涡流流量计测量，管路直管阻力和阀门的局部阻力采用相应的倒U型压差计或压差传感器测量。
2.实验流程：
实验装置流程图如图1中箭头所示。
3.装置参数
装置参数如下表所示。
名称
类型
管内径
（mm）
测量段长度（mm）
光滑管
不锈钢管
21
1000
粗糙管
镀锌铁管
22
光滑管局部阻力
截止阀
660
粗糙管局部阻力
闸阀
680
层流管
6
2000
图1流体力学综合实验装置装置流程示意图
四．实验步骤
1.开启仪表柜上的总电源、仪表电源开关；
2.首先对水泵进行灌水，然后关闭泵出口阀，启动水阀，待电机转动平稳后，把泵的出口阀缓缓开到最大；
3.全开流量调节阀，以排除测试管路内的空气。
当采用U型压差计（或倒U型压差计）测量压差时，应先对U型压差计（或倒U型压差计）进行排气和调零，使压差计两端在带压且零流量时的液位高度相等。
本装置选用差压变送器测量压差，当使用差压变送器测量压差时，也应先对差压变送器两侧的引压管进行排气操作；
4.
实验从最大流量开始做起，最小流量控制在1.5m3/h以上，每次流量为上次的0.85倍，流量改变后，要待流动达到稳定后再读数，实验时同时读取不同流量下的压差、流量和温度等有关参数；
5.装置确定时，根据ΔP和u的实验测定值，可以计算λ和ξ，在等温条件下，雷诺数Re=duρ/μ=Au，其中A为常数，因此只要调节管路流量，即可得到一系列λ~Re的实验点，从而绘出λ~Re曲线；
6.实验结束，关闭泵出口阀，关闭水泵电机，关闭仪表电源和总电源开关，将实验装置恢复原样。
五．实验数据记录及处理
实验原始数据如实验原始数据记录表。
水温t=21℃，此时水的密度
，其粘度
光滑管（d=21mm，l=1000mm）
序号
流量
V/（m3/h）
直管压差
Δpf/kPa
流速
u/（m/s）
雷诺数
Re
1
5.14
8.56
4.12
0.0212
87693
2
4.38
6.40
3.51
0.0219
74709
3
3.71
4.72
2.98
0.0224
63429
4
3.16
3.52
2.53
0.0231
53850
5
2.67
2.59
2.14
0.0238
45549
2.26
1.92
1.81
0.0247
38525
7
1.93
1.41
1.55
32991
8
1.64
0.97
1.32
0.0234
28096
粗糙管（d=22mm，l=1000mm）
5.85
16.09
4.27
0.0389
95214
4.97
11.78
3.63
0.0394
80943
4.23
8.64
3.09
0.0399
68902
3.62
6.42
2.65
0.0403
59090
3.05
4.58
2.23
0.0406
49725
3.35
1.89
0.0413
42144
2.19
2.42
1.60
0.0417
35677
1.86
1.68
1.36
0.0400
30326
9
1.18
1.17
0.0380
26089
在双对数坐标轴上绘出两条λ~Re曲线如下：
光滑管的λ~Re曲线（舍弃误差较大的第7、8组数据）
由流体力学相关知识可知：
当2100<
Re<
105时，光滑管的摩擦系数λ满足柏拉修斯经验公式：
，而测量结果为：
，有一点差距。
查《化工原理》教材莫狄（Moody）图，可得该粗糙管的相对粗糙度ε/d约为0.0004，则其绝对粗糙度约为ε=0.0084mm。
粗糙管的λ~Re曲线（舍弃误差较大的第8、9组数据）
实验结果也各经验公式存在一些误差。
查《化工原理》教材莫狄（Moody）图，可得该粗糙管的相对粗糙度ε/d约为0.01，则其绝对粗糙度约为ε=0.22mm。
2.局部阻力系数ξ的测定
，其粘度
光滑管截止阀（d=21mm，l1=660mm）
阀压差
Δp’f/kPa
ξ平均值
93.3
10.349
10.298
68.0
10.374
48.7
10.287
35.3
10.325
25.3
10.324
18.2
10.358
1,93
13.0
10.068
8.6
9.155
粗糙管闸阀（d=22mm，l1=680mm）
13.39
0.269
0.252
9.79
0.271
7.17
0.272
5.30
0.267
3.76
0.260
2.74
0.259
1.96
0.246
1.35
0.225
0.94
0.201
（注：
在计算截止阀局部阻力系数时舍弃误差较大的第8组数据）
即实验测得该截止阀全开时的局部阻力系数为ξ=10.298，该闸阀全开时的局部阻力系数为ξ=0.252。
六．实验结论及误差分析
实验结论：
本次实验可以有效地测定该管路的λ~Re曲线、估算管路相对粗糙度并计算阀门的局部阻力系数。
实验测得光滑管的相对粗糙度为ε/d=0.0004，则其绝对粗糙度约为ε=0.0084mm；
粗糙管的相对粗糙度为ε/d=0.01，则其绝对粗糙度约为ε=0.22mm.测得截止阀全开时的局部阻力系数为ξ=10.298，闸阀全开时的局部阻力系数为ξ=0.252。
结论分析：
在作光滑管和粗糙管的λ~Re曲线时均将流量最小的两组数据舍弃，用此时的数据计算出来的结果偏差较大；
在计算阀门的局部阻力损失时截止阀的计算中也将最小流量下的数据舍弃。
这可以说明实验装置在小流量的测量状态下误差较大。
在实验过程中也有所体现，当流量减小到很小时，多次调节仪表的读数稳定值差距也较大。
实验结果与理论值之间存在一定的误差。
管路的λ~Re曲线与理论的经验公式没有很准确的对应，阀门局部阻力系数也有一定的误差，例如：
查表的闸阀全开局部阻力系数理论值为ξ=0.17，与实验值0.252也一定差距。
实验中可能产生误差的原因有：
1、实验装置中管路上的测压点的设置存在一些问题，管道上打的孔数目多，对于实验数据的测量造成一定的影响；
2、实验管路并不能做到完全水平，会有一定倾角，而理论计算是以水平来考量，从而产生误差；
3、由于水在管路中流动时摩擦生热，导致水体温度不断变化，而计算时仅用特定温度下水的密度与粘度的数据，从而产生误差；
4、实验所用管路内因长期有水及空气流过，应会有较大锈蚀，导致管径及粗糙度发生变化，从而产生误差；
5、所用的水因反复循环使用，并未更换，导致水中带有很多杂质，其密度与粘度与所查的纯水的数据存在差距，产生误差；
6、仪器系统误差、读数误差、偶然误差等其他误差。
七．思考题
1.在对装置做排气工作时，是否一定要关闭流程尾部的出口阀？
为什么？
答：
对装置做排气工作时，先要打开出口阀，使流体流动稳定后，再关闭流程尾部的出口阀，这样可使管中有较大压力使得气体排出。
排气时出口阀一定要关闭，以防止排气不充分。
2.如何检测管路中的空气已经被排除干净？
调节阀门，使流体流速为0，如果
=0，则说明空气已经排尽。
然而事实上，由于实验装置本身的误差，即使空气已经排除干净，压差也不一定为0。
而且由于实验室不断有人进行实验，所以本实验过程中并不要求做排气这一过程。
3.以水作介质所测得的λ-Re关系能否用于其它流体？
可以。
因为
，即λ-Re关系于管内介质种类无关，只与管子的相对粗糙度有关。
所以只要相对粗糙度相同，不论流体种类如何，λ-Re关系就都相同。
4.在不同设备上（包括不同管径），不同水温下测定的λ~Re数据能否关联在同一条曲线上？
，即λ~Re数据能否关联取决于相对粗糙度是否相同。
在不同设备上（包括不同管径），不同水温下测定的λ~Re数据，若其对应的相对粗糙度相同，则可以关联在同一条曲线上，与水温无关。
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