1、化工原理实验实验名称：流体流动阻力的测定实验目的：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 及突然扩大管和阀门的局部阻力系数 。3、 验证湍流区内摩擦阻力系数 为雷诺系数 Re 和相对粗糙度的函数。4、 将所得光滑管的 Re 方程与 Blasius 方程相比较。实验器材：流体阻力实验装置一套实验原理：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
2、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,)引入下列无量纲数群。雷诺数 Re=du/ 相对粗糙度 / d管子长径比 l / d从而得到 P/( u2)=(du/，/ d， l / d)令 = （ Re， / d） P/ =（l / d） （ Re， / 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。 h f= P/ = （l / d ） u2/2式中，h f直管阻力，J/kgl被测管长，md被测管内径，mu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
3、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 Re 关系。（1） 、湍流区的摩擦阻力系数在湍流区内 =f（ Re， / d） 。对于光滑管，大量实验证明，当 Re 在3103105 范围内， 和 Re 的关系遵循 Blasius 关系式，即 =0.3163 / Re0.25对于粗糙管， 和 Re 的关系均以图来表示。2、 局部阻力h f= u2/2式中， 为局部阻力系数，其与流体流过的管件的几何形
4、状及流体的 Re 有关，当 Re 达到一定值后， 与 Re 无关，成为定值。实验步骤：1、 启动离心泵，打开被测管线上的开关阀及面板上与其相应的切换阀，关闭其他的开关阀和切换阀，保证测压点一一对应。2、 排净系统中的气体以便使液体能连续流动。设备和测压管线中的气体都要排净，观察 U 形压差计中两液面是否水平，如果水平说明系统中气体已经排净。3、 测定光滑管和粗糙管摩擦阻力，先将流量从小到大慢慢增加，并观察 U 形压差计中两液面差，当液面差达到最大并等数据稳定后记录第一组数据，即此时的液体流量和压差。接着将流量由大到小，每相差 0.3m3/h 左右侧一组数据。充分利用面板量程测取 10 组数据，
5、然后再由小到大测取几组数据，以检查数据的重复性（不记录数据）。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，具体步骤与侧量光滑管和粗糙管相同。注意在记录整个实验的第一组数据时记录一次液体温度，记录最后一组数据时记录一次温度。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。实验数据处理：在整个实验过程中，液体温度可由始末温度值之和的平均值代替，则有t=(t 始 +t 末 )/2= (21.2+26.8)/2=24此温度对应水的密度可由
6、相关表查得, =997.2kg/m3 =0.9142mPaS1、 求光滑管、粗糙管摩擦阻力系数 和雷诺系数 Re由公式 u=Q/A=3.54102 Q/d2 得到流速，由公式 Re=du/ 可求得雷诺数，由式h f= P/ = （l / d） u2/2 可求得真实的 ，由 Blasius 关系式 =0.3163 / Re0.25 可求得理论 。 光滑管几何尺寸为 d=21mm， l=1.5m，相对粗糙度 / d=0.2/21=0.01所求光滑管在不同流量下的 u、 Re、 、 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 10Q/ m3 /h 3.50 3.22 2
7、.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 0.76u/m/s 2.81 2.58 2.36 2.14 1.91 1.69 1.46 1.24 1.01 0.79Re10-4 6.44 5.91 5.41 4.90 4.38 3.87 3.34 2.84 2.31 1.81 0.0242 0.0246 0.0249 0.0254 0.0256 0.0266 0.0279 0.0280 0.0300 0.0342 0.0199 0.0203 0.0207 0.0
8、213 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 / d=0.3/22=0.014所求粗糙管在不同流量下的 u、 Re、 、 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 10Q/ 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 0.66u/m/s 2.68 2.46 2.25 2.03 1.81 1.5
9、9 1.37 1.15 0.93 0.71Re10-4 6.43 5.90 5.40 4.87 4.34 3.82 3.29 2.76 2.23 1.70 0.0280 0.0286 0.0285 0.0286 0.0289 0.0295 0.0312 0.0338 0.0350 0.0385 0.0199 0.0203 0.0207 0.0213 0.0219 0.0226 0.0235 0.0245 0.0259 0.02772、求局部阻力系数 由公式 u=Q/A=3.54102 Q/d2 得到流速，由式 h f= P/ = u2/2 可得到 。其中，扩大管的管径取 d=16mm,球阀和截
10、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:扩大管 球阀 截止阀序号1 2 3 1 2 3 1 2 3Q/ 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 1.78u/m/s 4.84 3.73 2.63 3.12 2.41 1.70 1.25 0.94 0.63 0.3904 0.2369 0.0803 0.7103 0.5606 0.6329 8.606 8.735 9.0143、 所得湍流时 Re/
11、 d 关系图如下：实验结果及误差分析：1、 系统误差，读取数据时的主观性也会带来误差，仪器本身的精密度带来的误差。2、 实验所测得的直管的摩擦阻力系数 和雷诺系数 Re 如上各表所示。3、 实验所得的图如上所示。4、 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 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 h f=（P 1/ +z1g）-( P2/ + z2g) = P/ 可知，阻力损失均主要表现为流体势能的降低，即 P/ ， 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。
