流体流动阻力的测定讲解.docx
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流体流动阻力的测定讲解
实验一：
流体流动阻力的测定
一，摘要
本实验以水为介质，使用FFRS-Ⅱ型流体阻力实验装置，通过测定不同管道中流体流量和测压点间的压强差，结合已知管径管长，应用机械能守恒式算出不同管道摩擦阻力系数和雷诺数关系。
实验验证了湍流状态下直管摩擦阻力系数受Re和ε/d共同影响；层流状态下，直管摩擦阻力系数仅是Re的函数，且在双对数坐标系内呈线性关系；局部阻力系数受Re和局部性状影响。
二，目的及任务
1掌握测定流体流动阻力实验的一般方法。
2测定直管的摩擦阻力系数λ及突然扩大管的局部阻力系数ζ。
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为雷诺系数Re和粗糙度的函数。
5将所得光滑管的λ－Re方程与Blasius方程比较。
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，由于粘性和涡流的作用产生摩擦阻力；流体在突然扩大，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比较多，在工程上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Δp/﹙ρu^2﹚=Ψ（duρ/μ,ε/d,l/d）
令λ=Φ（Re,ε/d）则有Δp/ρ=l/dΦ（Re,ε/d）uu/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=Δp/ρ=λl/d*uu/2
式中：
hf——直管阻力，J/㎏；
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形压差计测出着两个截面间的静压差，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，就可求出某一相对粗糙度下的λ-Re关系。
（1）湍流区的摩擦系数
在湍流区内λ=f（Re,ε/d）.对于光滑管，大量实验证明，当Re在
范围内，λ与Re的关系遵循Blasius关系式，即λ=
/
对于粗糙管，λ与Re的关系均以图来表示。
（2）层流的摩擦阻力系数
λ=64/Re
2.局部阻力
当流体流过等直径的管道局部（弯头，阀门），不考虑直管段长度，方程变为：
当流体流经突然扩大管道时（
）
ζ称为局部阻力系数，它与流体流过的管件的几何形状及流体的雷诺数Re有关，当雷诺数Re大到一定值后，ζ与Re无关，为定值。
3．排气原理
用传感器测量压降时，要求主管路和引压管线中的液体必须相连，不能有气泡。
主管路排气可开大流量阀，使水快速大量流过管道，将其中气体带走。
引压管线中的气体可在关闭出口流量调节阀的情况下。
打开传感器两侧的排气阀门将其排净。
最后注意将排气阀门关闭进行测量。
四，流程图及仪表
设备尺寸：
光滑管d=21.5mml=1.50m
粗糙管d=21.5mml=1.50m
突然扩大管d1=16mmd2=42mm
层流管d=29mml=1.00m
五，实验内容
⑴关闭阀门，启动水泵
⑵确定实验管路为光滑管，打开光滑管主管路切换阀门V3以及光滑管的引压管路切换阀门和压力传感器两侧的阀门。
进行主管路，测压管路的排气，大约一到两分钟时间。
关闭切换阀门和压力传感器两侧的阀门，看传感器是否回零（
左右）。
如果没有达到要求，则重复上述排气步骤。
如果达到要求则可以进行测量。
从达到小改变流量，按照要求记录相关数据。
A负责调节流量大小；B负责分配数据间隔，以便得到更科学化的数据，数据记录，同时与A配合控制流量范围；C负责读取压力传感器的数据，实验温度以及流量读数。
由于压力压力波动大，AB要协同配合选取适宜实验点，C务必要在示数波动平稳读取数据。
读数从0.6到4.0左右测量十组。
测量完后关闭光滑管切换阀门，看传感器是否回零，否则该实验数据弃用，重新测量。
实验完毕关闭光滑管主观切换阀门和引压管切换阀门。
⑶确定实验管路为粗糙管，参照⑵中所示方法进行粗糙管路实验数据的测量，从0.6到4.0左右测取十组数据并记录。
⑷确定实验管路为突然扩大管，参照⑵中所示方法进行实验，从0.6到4.0左右测取三组数据并记录即可。
⑸确定实验管路为层流管，打开层流管主管路切换阀及层流管的引压管路切换阀门和压力传感器两侧的阀门进行排气，待排气合格后，关闭压力传感器两侧的阀门。
为保证设备安全，避免水泵过热，打开其他任意一个管路切换阀，使水流流动起来。
打开层流管调节阀，在保证水流较小却连续的情况下，在一定时间内用量筒量取排出水体积，并读出压力传感器示数。
测量六组数据并记录。
测量完毕，关闭层流管切换阀，看传感器是否回零，否则该实验数据弃用，重新测量。
实验完毕，关闭切换阀门和引压管阀门。
⑹关闭主管路阀门，关闭水泵。
六，操作要点
（1）启动离心泵，打开被测管线上的开关阀，及面板上与其相对应的切换阀，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。
设备和测压管线上的气体都要排净，检查是否排净的方法是当流量为零时，观察U形压差计两侧液面是否相平。
（3）读取数据时，应注意稳定后再读数。
测定直管摩擦阻力时，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3组数据。
层流管的流量由量筒和秒表测取。
（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条管路，否则全部数据无效。
同时要了解各阀门的特点，学会使用阀门，注意各阀门的切换，同时要关严，防止内漏。
七，数据处理
数据的记录及处理：
（1）光滑管测量数据记录及处理：
光滑管
D=21.5mml=1.5mρ=995.35㎏／m^3
（
）
Δp
（kPa）
T
（℃）
μ
（cP）
U
（
）
λ
Re
λ（Blasius）
0.80
0.3989
30.0
0.8007
0.61
0.0306
16368
0.0280
0.95
0.5352
30.3
0.7957
0.73
0.0291
19559
0.0267
1.13
0.7027
30.4
0.794
0.87
0.0270
23314
0.0256
1.43
1.0988
30.7
0.789
1.09
0.0264
29691
0.0241
1.75
1.5710
30.9
0.7857
1.34
0.0252
36488
0.0229
2.13
2.1882
31.0
0.784
1.63
0.0237
44507
0.0218
2.53
2.9558
31.3
0.7589
1.94
0.0227
54614
0.0207
3.05
4.1589
31.7
0.7727
2.33
0.0220
64663
0.0198
3.55
5.4688
31.5
0.776
2.72
0.0213
74943
0.0191
4.03
6.8485
32.0
0.7679
3.09
0.0207
85974
0.0185
数据处理实例：
以第六组数据为例。
因为温度变化后引起的密度变化相对较小，故取密度为近似定值ρ=995.35㎏／m^3
所测数据：
管路流量
=2.53
；
压差计测得两截面压力差Δp=2.9558kPa；
温度T=31.3℃。
根据公式：
u=
算得u=1.94m/s
根据公式：
λ=
算得λ=0.0227此为实验数据
根据温度，查表，利用内插法算得粘度μ=0.759mPa·s
根据公式：
Re=
算得Re=54613
根据Blasius公式：
λ=0.3163/
算得λ=0.0207此为理论数据
（2）粗糙管实验数据记录及处理表
粗糙管
D=21.5mml=1.50mρ=996.7㎏／m^3
（
）
Δp
（kPa）
T
（℃）
μ
（cP）
u（
）
λ
Re
0.60
0.3638
27.3
0.8490
0.46
0.0496
11593
0.70
0.4588
26.9
0.8564
0.54
0.0460
13408
0.81
0.5890
26.8
0.8583
0.62
0.0441
15481
0.92
0.7188
26.6
0.8622
0.70
0.0417
17504
1.11
0.9588
26.5
0.8641
0.85
0.0382
21072
1.63
1.9419
26.3
0.8679
1.25
0.0359
30809
2.17
3.2388
26.2
0.8699
1.66
0.0338
40921
2.74
5.0909
25.9
0.8757
2.10
0.0333
51327
3.34
7.5423
25.8
0.8778
2.56
0.0332
62417
4.02
10.5080
25.4
0.8857
3.08
0.0319
74455
数据处理实例：
以第6组数据为例。
因为温度变化后引起的密度变化相对较小，故取密度为近似定值ρ=996.7㎏／m^3
所测数据：
管路流量
=1.63
；
压差计测得两截面压力差Δp=1.9419kPa；
温度T=26.3℃。
根据公式：
u=
算得u=1.25m/s
根据公式：
λ=
算得λ=0.0359
根据温度，查表，利用内插法算得粘度μ=0.868mPa·s
根据公式：
Re=
算得Re=30808
根据光滑管和粗糙管实验所得数据，绘制如下所示图形①：
湍流时粗糙管和光滑管摩擦系数λ与雷诺数Re关系图
（3）突然扩大管数据记录及处理表
突然扩大管
d1=16mmd2=42mmρ=996.5kg/m^3
（
）
Δp（kpa）
T（℃）
u1（
）
u2（
）
ζ
平均ζ
1.00
0.1276
27.40
1.38
0.20
0.845
0.802
2.45
1.0930
27.10
3.39
0.49
0.788
4.06
3.2078
27.00
5.61
0.81
0.775
数据处理实例：
以第二组数据为例
因为温度变化后引起的密度变化相对较小，故取密度为近似定值ρ=996.5kg/m^3
所测数据：
管路流量
=2.45
；
压差计测得两截面压力差Δp=1.093kPa；
温度T=27.1℃。
根据公式：
u=
算得细管流速u1=3.39m/s
粗管流速u2=0.49m/s
根据公式ζ=
算得局部阻力系数ζ=0.785
最后根据三组数据区平均值，即为突然扩大管局部阻力系数值，
（4）层流管实验数据记录及处理表
层流管
d=2.9mml=1.00mρ=994.3㎏／m^3
V
（ml）
T
（s）
Δp
（kPa）
T
（℃）
μ
（cP）
（
）
U
（
）
λ
Re
20
60
0.1135
32.9
0.7540
0.333
0.050
0.2597
193
36
30
0.5085
33.4
0.7462
1.200
0.182
0.0898
702
49
30
0.7421
33.7
0.7417
1.633
0.247
0.0707
962
61
30
0.9812
34.2
0.7342
2.033
0.308
0.0603
1210
72
30
1.2964
34.9
0.7240
2.400
0.364
0.0572
1448
88
30
1.5678
36.0
0.7085
2.933
0.444
0.0463
1808
数据处理实例：
以第三组数据为例。
因为温度变化后引起的密度变化相对较小，故取密度为近似定值ρ=994.3㎏／m^3
所测数据：
体积V=49ml;
时间t=30s;
压差计测得两截面压力差Δp=0.7421kPa;
温度T=33.7℃。
根据公式：
算得
=1.63m^3/s
根据公式：
u=
算得u=0.25m/s
根据公式：
λ=
算得λ=0.0707
根据温度，查表，利用内插法算得粘度μ=0.742mPa·s
根据公式：
Re=
算得Re=961
绘制所得图形②：
层流时摩擦阻力系数λ和雷诺数Re关系图
八，结果及结论
（1）在湍流区，粗糙管的摩擦阻力系数λ随雷诺数Re的增大而减小，且变化率逐渐减小,到Re>40000时，λ变化减慢，曲线逐渐平缓；光滑管的摩擦阻力系数λ与雷诺数Re在双对数坐标轴上成线性关系。
相同雷诺数Re下，光滑管摩擦阻力系数小于粗糙管，在阻力平方区，雷诺数Re越大，两者差距越大。
（2）在层流区，摩擦阻力系数随雷诺数的增大而减小，且在双对数坐标上成线性关系。
（3）突然扩大管摩擦阻力系数主要取决于管道形状，与雷诺数有一定关系，但是没有外形对其影响大，实验值与理论值基本相符。
九，分析讨论
（1）本实验中，水温影响到流体粘度和密度，为保证实验精确性，应尽量保持水温的恒定。
（2）实验中环境会对流体的流动状态造成影响，故应尽量保证装置的稳定性和环境的平稳。
故而，流体流动实验装置一般都在一层，一减少环境因素的波动。
（3）实验中，压力和水流的波动是不可避免的，在调节流量时尽量小幅度调节，减少波动，同时减少读数时间。
在读数时尽量在一个稳定的范围内读取。
一十，思考题
1、不锈钢管、镀锌钢管实验测量的只是Re改变后的λ值，为什么判断λ受Re和ε/d共同影响？
答：
因为已知摩擦阻力函数是hf=Ф（d,u,ρ,μ,
ε），使用因次分析法化为无量纲的函数形式后，可得摩擦阻力函数
，而对于已经安装好的管径还说,l/d是固定值，所以判断摩擦阻力系数是受雷诺数Re与ε/d共同作用的。
因为不锈钢管与镀锌管的相对粗糙度不同，所以才会在相同的雷诺数时的λ值不同。
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？
为什么？
答:
可以关联在一条曲线上。
因为当摩擦阻力与d,l,u,ρμ的函数化为无量纲的形式后，可以得出摩擦阻力系数函数
，只要求得设备长径比，相对粗糙度，根据流体流动状态求得雷诺系数即可对应求得摩擦阻力系数。
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数据可以关联在一条曲线上。
3、以水作工作流体所测得的λ-Re关系能否适用于其它种类的牛顿型流体？
为什么？
答：
可以适用其他类型的牛顿类型的流体。
牛顿性流体流动性质相同，而摩擦阻力系数与密度没有关系，对于确定的管道来说只与雷诺数有关，工作介质不同也就只能改变雷诺数的大小，并不能影响λ-Re关系的使用。
4、以下测出的直管摩擦阻力与设备的放置状态有关吗？
它们分别是多少？
（管径、管长一样，管内走水，且R1=R2=R3）
答：
无关。
＝（gz1-gz2）＋
压差计高度差R反映了两个测压点截面位能和压强能综合变化值,即R=（gz1-gz2）＋
因为R1=R2=R3,u1=u2故三种状态下的hf不变，故推出λ不变。
5，如果要增加雷诺数的范围，可以采取哪些措施？
答：
根据雷诺数Re=duρ/μ可知，要增加其范围可改变管道管径，改变温度来改变流体的粘度和密度。
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