流体流动阻力的测定实验报告

北方民族大学学生实验报告院（部）：化学与化学工程姓名：郭俊雄学号：20082995专业：化学工程与工艺班级：081同组人员：林艺明、胡鹏、秦开勉课程名称：化工原理实验实验名称：流体流动阻力的测定实验日期：2010.10.14批阅日期：成绩：教师签名：北方民族大学教务处制实验名称：流体流动阻力的测定一、目的及任务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测定层流管的摩擦阻力。④验证湍流区内摩擦系数λ为雷诺数Re和相对粗糙度的函数。⑤将所得光滑管λ-Re方程与Blasius方程相比较。二、基本原理1.直管摩擦阻力不可压缩流体，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相关，可表示为：△p=ƒ(d,l,u,ρ,μ,ε)引入下列无量纲数群。雷诺数duRe相对粗糙度d管子长径比ld从而得到2(,,)pduludd令(Re,)d2(Re,)2pludd可得到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。22fpluhd式中fh——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；——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。改变流速科测出不同Re下的摩擦阻力系数，这样就可得到某一相对粗糙度下的λ-Re关系。(1)湍流区的摩擦阻力系数在湍流区内(Re,)fd。对于光滑管，大量实验证明，当Re在35310~10范围内，与Re的关系式遵循Blasius关系式，即0.250.3163Re对于粗糙管，与Re的关系均以图来表示。(2)层流的摩擦阻力系数64Re2.局部阻力22fuh式中，ξ为局部阻力系数，其与流体流过管件的集合形状及流体的Re有关，当Re大到一定值后，ξ与Re无关，为定值。三、装置和流程本实验装置如图，管道水平安装，实验用水循环使用。其中No.1管为层流管，管径Φ(6×1.7)mm,两测压管之间的距离1.2m；No.2管安装有球阀和截止阀两种管件，管径为Φ(27×3.5)mm；No.3管为Φ(27×3.5)mm不锈钢管；No.4为Φ(27×2.5)mm镀锌钢管，直管阻力的两测压口间的距离为1.5m；No.5为突然扩大管，管子由Φ(22×3)mm扩大到Φ(48×3)mm；a1、a2为层流管两端的两测压口；b1、b2为球阀的两测压口；c1、c2表示截止阀的两测压口；d1、d2表示不锈钢管的两测压口；e1、e2表示粗糙管的两测压口；f1、f2表示突然扩大管的两测压口。系统中孔板流量计以测流量。图1：流体阻力实验装置图1—水箱；2—离心泵；3—压力表；4—孔板流量计；5—上水阀；6—高位水槽7—曾流光流量调节阀；8—阀门管线开关阀；9—球阀；10—截止阀；11—光滑管开关阀12—粗糙管开关阀；13—突然扩大管开关阀；14—流量调节阀四、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对应的切换阀，关闭其他开关阀和切换阀，确保测压点一一对应。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，检验的方法是当流量为零时，观察U形压差计的两液面是否水平。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。测定突然扩大管、球阀和截止阀的局部阻力时，各取3组数据。本次实验层流管不做测定。④测完一根管数据后，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。⑤五、数据处理原始数据记录表如下：本次实验温度：18℃该温度下水的物性参数：密度ρ=998.2kg/m3粘度μ=1.0599310直管数据记录表光滑管水流量/m3.h-13.803.503.192.892.592.291.991.681.170.75压降/kPa8.617.456.195.134.323.432.742.081.080.56管径：Φ(27×3.5)mm粗糙管水流量/m3.h-13.753.443.122.802.492.191.891.51.040.73压降/kPa7.46.15.074.163.322.692.061.440.740.50管径：Φ(27×2.5)mm局部阻力数据记录表扩大管水流量/m3.h-13.742.050.73压降/kPa0.450.160.06管径：由Φ(22×3)mm扩大到Φ(48×3)mm截止阀水流量/m3.h-11.150.950.72压降/kPa4.643.261.94管径：Φ(27×3.5)mm球阀水流量/m3.h-13.332.050.73压降/kPa2.310.960.16管径：Φ(27×3.5)mm1.湍流时流量、流速、雷诺数及摩擦阻力系数的计算以光滑管第一组数据为例计算如下：流量：313313.801.05610Vqmhms流速：31122441.056103.363.140.02VVqqumsmsAd雷诺数：3du0.023.3616998.2Re633191.059910由22ldpd可得：摩擦阻力系数：22220.0286100.020998.23.36dplu2.突然扩大管局部阻力系数计算以第一组数据为例：与上面计算一致，流速115.17ums管径扩大后：2211121216()5.17()0.7542duumsmsd由机械能守恒得出：22212122fuuuph从而得出突然扩大管的局部阻力系数：2212212222()2450998.2(5.170.75)998.25.171.013puuu3.截止阀与球阀局部阻力系数计算以截止阀第一组数据为例：与突然扩大管计算一致，流速：11.02ums由机械能守恒：22fuph得：22224640998.21.028.982pu数据处理结果如下直管阻力数据处理记录表光滑管流量qv/m3.h-11.06×10-39.72×10-48.86×10-48.03×10-47.19×10-46.36×10-45.53×10-44.67×10-43.25×10-42.08×10-4流速u3.363.102.822.562.292.031.761.491.040.66雷诺数Re63319583205315548156431573815833159279941949612497阻力系数0.0200.0210.0210.0210.0220.0220.0240.0250.0270.034粗糙管流量qv/m3.h-11.04×10-39.56E×10-48.67×10-47.78×10-46.92×10-46.08×10-45.25×10-44.17×10-42.89×10-42.03×10-4流速u2.742.522.282.051.821.601.381.100.760.53雷诺数Re56805521094726242415377193317428630227221575411058阻力系数0.0290.0280.0290.0290.0290.0310.0320.0350.0380.052局部阻力系数数据记录表突然扩大管流量qv/m3.h-11.04×10-35.69×10-42.03×10-4流速u15.172.831.01流速u20.750.410.15阻力系数1.0131.0191.097阻力系数平均数：1.043截止阀流量qv/m3.h-13.19×10-42.64×10-42.00×10-4流速u1.020.840.64阻力系数8.989.259.58阻力系数平均数：9.27球阀流量qv/m3.h-19.25×10-45.69×10-42.03×10-4流速u2.951.810.65阻力系数0.5330.5850.769阻力系数平均数：0.629六、实验结论及误差处理1.λ-Re关系图如图2：由图可知，当雷诺数大于4000（阻力平方区），阻力系数λ随着雷诺数Re增大而减小；当雷诺数增大到相当大后，阻力系数取决于其相对粗糙度。图中光滑管与粗糙管的λ-Re曲线可以很清晰地反应出这一点。图22.系统误差，人为操作所造成的误差，读取数据时的随意性也可导致误差，在数据处理过程中有效值的取舍带来的误差等等。七、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？答：排气是为了保证流体的连续流动。先打开出口阀排除管路中的气体，然后关闭出口阀，打开U形压差计下端的排气阀。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：只要相对粗糙度相同，λ-Re数据就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？答：无关。根据机械能守恒有22121212[()()]2fppuuhgzgzU形压差计的2212()2fiuuhgR所以fh不变，故λ不会改变。4.如果要增加雷诺数的范围，可采取哪些措施？答：雷诺数duRe故可增大管径、增大流速等方法使雷诺数增大。编写：郭俊雄2010.10.16