1、3 实验一 流体流动阻力的测定实验时间：2009 年 10 月 22 日报告人：化工 0701 刘江永同组人：王媛 王涛 王策一、摘要本实验利用由水箱、离心泵、光滑管、粗糙管、层流管、突然扩大管及自动测压、测流量装置等组成的装置，以水为工作流体，在常温常压下测定了光滑管、粗糙管、层流管的摩擦阻力系数 和突然扩大管的局部阻力系数 ，依据伯努利方程及 Blasius 关系式等，探讨了直管的摩擦阻力系数 随雷诺数Re 的变化关系，验证了湍流区内摩擦阻力系数 为雷诺数 Re 和相对粗糙度/d 的函数，并由测得的一系列数据得到了直管的 -Re 关系曲线，实验成功地完成了相关任务，达到了预期的目的。二、关
2、键词摩擦阻力系数 局部阻力系数 雷诺数 Re 相对粗糙度 /d 三、实验目的及任务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 及突然扩大管的局部阻力系数 。3、测定层流管的摩擦阻力。4、验证湍流区内摩擦阻力系数 为雷诺数 Re 和相对粗糙度的函数。5、将所得光滑管的 -Re 方程与 Blasius 方程相比较。四、基本原理1、直管摩擦阻力不可压缩流体（如水） ，在圆形直管中作稳定流动时，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，由于流体流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
3、在一定意义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, ,u,)l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 2(,)Pdul令 (Re,)d 2(Re,)lud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。 2fPluhd式中 h f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
4、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 。对于光滑管，大量实验证明，当 Re 在 3103 (Re,)fd105范围内， 与 Re 的关系遵循 Blasius 关系式，即=0.3163/Re 0.25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 Re642、局部阻力 2fuh式中， 为局部阻力系数，其与流体流过的管件的几何形状及流体的 Re有关，当 Re 大到一定值后， 与 Re 数无关，成为定值。五实验装置流程图图
5、1 流体阻力实验装置流程1、水箱； 2、离心泵； 3、自动测压、测流量装置； 4、上水阀； 5、高位水槽； 6、层流管流量调节阀； 7、阀门管线开关阀； 8、球阀； 9、截止阀； 10、光滑管开关阀； 11、粗糙管开关阀 12、突然扩大管开关阀 13、流量调节阀六、实验操作要点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、系统要排尽气体使液体连续流动。设备和测压管线中的气体都要排净，检验是否排净的方法是当流量为零时，观察测压装置显示的数值是否为零。3、读取数据时，应注意在数据相对稳定后再读数。测定直管摩擦阻力时，流量由大到小，
6、充分利用面板量程测取 10 组数据。测定突然扩大管的局部阻力时，测取 3 组数据。层流管的流量用量筒与秒表测取。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。七、实验数据处理1、不锈钢管（光滑管）：l=1.5m d=0.021m序号压降P/Kp流量 qv/(m3/h)水温/水密度/(kg/m 3)粘度 /(mPas)流速u/(m/s)雷诺数Re阻力系数 (Blasius)1 5.3650 3.43 22.8 997.5 0.9402 2.75 613
7、19 0.0199 0.0201 2 4.6853 3.18 23.2 997.4 0.9315 2.55 57376 0.0202 0.0204 3 4.0692 2.94 23.4 997.4 0.9272 2.36 53290 0.0205 0.0208 4 3.4871 2.71 23.5 997.3 0.9250 2.17 49235 0.0207 0.0212 5 2.9354 2.46 23.7 997.3 0.9207 1.97 44900 0.0212 0.0217 6 2.4418 2.21 23.8 997.3 0.9185 1.77 40431 0.0218 0.022
8、3 7 1.9411 1.94 23.8 997.3 0.9185 1.56 35492 0.0225 0.0230 8 1.5333 1.70 24.0 997.2 0.9142 1.36 31246 0.0231 0.0238 9 1.1360 1.43 24.1 997.2 0.9122 1.15 26342 0.0242 0.0248 10 0.8245 1.19 24.2 997.2 0.9101 0.95 21970 0.0254 0.0260 以第一组数据为例，计算如下：t 水 =22.8，查表，并由内插法算得 =997.5kg/m 3 =0.940210 -3 Pas 流速 u
9、=4qv/(d 23600)=43.43/(3.140.02123600)= 2.75 m/s雷诺数 Re=du/=0.0212.75997.5 0.940210 -3 =61319 阻力系数 =2dP/(lu 2)=20.0215.36501000(1.5997.52.75 2)0.0199（Blasius）0.3163Re 0.250.316361319 0.250.02012、镀锌管（粗糙管）：l=1.5m d=0.021m序号压降P/Kp流量 qv/(m3/h)水温/水密度/(kg/m 3)粘度 /(mPas)流速u/(m/s)雷诺数Re阻力系数 1 7.3434 3.53 24.5
10、997.1 0.9040 2.83 65609 0.02572 6.4028 3.29 24.7 997.0 0.8999 2.64 61424 0.02583 5.5686 3.06 25.0 997.0 0.8937 2.46 57519 0.02594 4.7440 2.82 24.8 997.0 0.8978 2.26 52768 0.02605 4.0011 2.58 24.8 997.0 0.8978 2.07 48277 0.02626 3.2956 2.34 25.0 997.0 0.8937 1.88 43985 0.02637 2.6240 2.08 25.1 996.9
11、0.8917 1.67 39185 0.02658 2.0772 1.83 25.1 996.9 0.8917 1.47 34475 0.02719 1.5857 1.58 25.2 996.9 0.8897 1.27 29831 0.027710 1.1569 1.34 25.2 996.9 0.8897 1.08 25300 0.0281以第一组数据为例，计算如下：t 水 =24.5，查表，并由内插法算得 =997.1kg/m 3 = 0.904010 -3 Pas 流速 u=4qv/(d 23600)=43.53/(3.140.02123600)= 2.83 m/s雷诺数 Re=du/=
12、0.0212.83997.10.904010 -3 =65609 阻力系数 =2dP/(lu 2)=20.0217.34341000(1.5997.12.83 2)0.0199（Blasius）0.3163Re 0.250.316365609 0.250.02573、突然扩大管：d 1=0.0156m,l1=0.140m;d2=0.0415m,l2=0.280m以第一组数据为例，计算如下：t 水 =25.7，查表，并由内插法算得 =996.8kg/m 3 粘度 =0.879710 -3 Pas 流速 u=4qv/(d 123600)=43.30/(3.140.015623600)= 4.80
13、m/s局部阻力系数 =1-(u 22+2P/)/u 12=1-（0.68 2+22.87571000/996.8）/4.802=0.7294（平均值）=(0.7294+0.7522+0.7882)/3=0.7566（理论值）=（1-A 1/A2） 2=（1-d1 2/d22） 2=(1-0.01562/0.04152)2=0.73744、层流管：l=1.0m d=0.0027m序号压降P/Kp时间t/s水体积V/ml水温/水密度/(kg/m3)粘度/(mPa.s)流速u/(m/s)雷诺数Re(实验值)(理论值)1 2.8531 39.0 173 26.7 996.5 0.8603 0.775
14、2424 0.0257 0.02642 2.5502 44.0 183 26.8 996.5 0.8583 0.727 2278 0.0262 0.02813 2.2412 41.0 162 26.8 996.5 0.8583 0.690 2164 0.0255 0.02964 2.0017 40.5 146 26.8 996.5 0.8583 0.630 1975 0.0273 0.03245 1.5691 42.0 128 26.8 996.5 0.8583 0.533 1669 0.0300 0.03836 0.7410 42.0 64 26.8 996.5 0.8583 0.266 8
15、35 0.0566 0.0767以第一组数据为例，计算如下：t 水 =26.7，查表，并由内插法算得 =996.5kg/m 3 粘度 =0.860310 -3 Pas 流速 u=4V/(d 2t)=417310-6/(3.140.0027239.0)= 0.775 m/s雷诺数 Re=du/=0.00270.775996.50.860310 -3 =2424阻力系数 （实验值）=2dP/(lu 2)=20.00272.85311000(1.0996.50.775 2)0.0257阻力系数 （理论值）0.3163Re 0.250.31632424 0.250.0264序号压降P/Kp流量 qv/
16、(m3/h)水温/水密度/(kg/m3)粘度 /( mPas)流速u1/(m/s)流速u2/(m/s)局部阻力系数 1 2.8757 3.30 25.7 996.8 0.8797 4.80 0.68 0.7294 2 1.2808 2.31 25.8 996.8 0.8777 3.36 0.47 0.7522 3 0.3522 1.32 25.9 996.7 0.8757 1.92 0.27 0.7882 六、实验结果及讨论0.01000.1000100 1000 10000 100000雷 诺 数 Re摩擦阻力系数光 滑 管 实 验 值光 滑 管 理 论 值粗 糙 管 实 验 值层 流 管
17、实 验 值层 流 管 理 论 值图 2 摩擦阻力系数 与雷诺数 Re 的关系 1、对光滑管与粗糙管的实验结果分析：（1）光滑管与粗糙管的摩擦阻力系数 均随雷诺数 Re 的增大而非线性减小，当 Re 大到一定程度后， 逐渐趋于一个定值，此后的流动可认为已进入阻力平方区。这是因为此时层流内层已薄到可以使管壁表面上的凸出物完全暴露在湍流核心之中。（2）对于光滑管，实验所测的 值与用 Blasius 关系式计算出的 值近似相等。由此可见在实验雷诺数下， 与 Re 遵循 Blasius 关系式。（3）雷诺数 Re 相同时，粗糙管的摩擦阻力系数 明显大于光滑管。由此可以看到相对粗糙度 /d 对 的影响。同
18、 Re 条件下，/d 大的管道，其 也大。2、对层流管的实验结果分析：（1）由层流管的 -Re 关系曲线可以看出，除后面两点外，可近似认为摩擦阻力系数 随雷诺数 Re 线性减小。但实验所测值与理论值相差较大，可能原因是在实验条件下水流量过大或流量未用量筒和秒表测准确。（2）在 Re 大于 2200 以后，线性关系已不存在，说明此时层流管已经不是层流状态了。3、对突然扩大管的实验结果分析：1、突然扩大管的局部阻力系数在实验条件下变化较小，平均值为 0.7566，与理论值 0.7374 偏差仅为 2.60。说明在实验条件下，可认为雷诺数 Re 已达到一定程度，使 仅与 Re 有关，而与水流过的管件
19、的几何形状无关。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：（1）空气的存在使管路中的水成为不连续的流体；（2）测压管中存在空气使测量数据不准确；（3）管路中有空气，则其中水的流动不再是单相的流动。因此要将设备中的空气排净。实验前可将流量调得大一些，将所测管路阀门打开，让水流一段时间便可将空气排净，检验空气是否排净的方法是当流量为零时，看自动测压装置上显示的压降是否为零或接近于零。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？为什么？答：能关联到一条直线上。因为雷诺数 Re 和管壁的相对粗糙度 /d 这两个变量
20、中，/d 是相同的，因而这种情况下的 -Re 数据可以关联到同一个直线上。3、以水为工作流体所测得的 -Re 关系能否适用于其它种类的牛顿型流体？为什么？答：能适用。因为本实验采用的是量纲分析法，量纲分析法的优点就是可以使自变量的数目大大减少，且实验结果具有可推广性，从而可将水为工作流体的所测得的 -Re 关系应用于其他种类的牛顿性流体，将小模型的实验结果应用于大型装置。4、测出的直管摩擦阻力与设备的放置状态有关吗？为什么？（管径、管长相同，且 R1=R2=R3）答：无关。因为三种情况下的管径和管长是相同的，可由伯努利方程推算出直管摩擦阻力 hf=（i-）gR/，而 R1=R2=R3，因此测出的直管摩擦阻力与设备的放置状态无关。
