化工原理实验流体流动阻力系数的测定实验报告.docx
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化工原理实验流体流动阻力系数的测定实验报告
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：
1、掌握测定流体流动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、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。
4、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：
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
△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,这种关系可用试验方法直接测定。
hf=△P/ρ=λ（l/d）u2/2
式中，hf——直管阻力，J/kg
l——被测管长，m
d——被测管内径，m
u——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的关系均以图来表示。
2、局部阻力
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
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Q/m3/h
3.50
3.22
2.94
2.66
2.38
2.10
1.82
1.54
1.26
0.98
△P/kPa
6.80
5.83
4.93
4.14
3.32
2.70
2.12
1.53
1.09
0.76
u/m/s
2.81
2.58
2.36
2.14
1.91
1.69
1.46
1.24
1.01
0.79
Re×10-4
6.44
5.91
5.41
4.90
4.38
3.87
3.34
2.84
2.31
1.81
λ
0.0242
0.0246
0.0249
0.0254
0.0256
0.0266
0.0279
0.0280
0.0300
0.0342
λ’
0.0199
0.0203
0.0207
0.0213
0.0219
0.0226
0.0234
0.0244
0.0257
0.0273
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
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Q/m3/h
3.67
3.37
3.07
2.77
2.47
2.17
1.87
1.57
1.27
0.97
△P/kPa
6.85
5.89
4.90
4.01
3.22
2.54
1.99
1.52
1.03
0.66
u/m/s
2.68
2.46
2.25
2.03
1.81
1.59
1.37
1.15
0.93
0.71
Re×10-4
6.43
5.90
5.40
4.87
4.34
3.82
3.29
2.76
2.23
1.70
λ
0.0280
0.0286
0.0285
0.0286
0.0289
0.0295
0.0312
0.0338
0.0350
0.0385
λ’
0.0199
0.0203
0.0207
0.0213
0.0219
0.0226
0.0235
0.0245
0.0259
0.0277
2、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
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Q/m3/h
3.50
2.70
1.90
3.52
2.72
1.92
1.41
1.06
0.71
△P/kPa
4.55
1.64
0.27
3.44
1.62
0.91
6.69
3.84
1.78
u/m/s
4.84
3.73
2.63
3.12
2.41
1.70
1.25
0.94
0.63
ξ
0.3904
0.2369
0.0803
0.7103
0.5606
0.6329
8.606
8.735
9.014
3、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？
怎样才能迅速地排净？
设备中要是还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（包括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）=△P/ρ可知，阻力损失均主要表现为流体势能的降低，即△P/ρ，只有当管道水平放置时，才能用△P代替△P。
当不是水平管时△P还包含了高度差所产生的势能差，所以如果不是水平管，则所求的摩擦阻力值要比实际的摩擦阻力要大。
（4）、如果要增加雷诺数的范围，可采取哪些措施？
可以同时增大管径和管内水的流量，或者用密度大、黏度小的液体进行试验。
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