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流体流动阻力的测定

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实验名称：流体流动阻力的测定

一、实验目的及任务：

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及突然扩大管的局部阻力系数。

3. 验证湍流区内摩擦阻力系数为雷诺数和相对粗糙度的函数。

4. 将所得光滑管的方程与Blasius方程相比较。

二、实验原理：

流体输送的管路由直管和阀门、弯头、流量计等部件组成。由于粘性和涡流作用，流体在输送过程中会有机械能损失。这些能量损失包括流体流经直管时的直管阻力和流经管道部件时的局部阻力，统称为流体流动阻力。

1. 根据机械能衡算方程，测量不可压缩流体直管或局部的阻力

𝐻𝑓=(𝑔𝑧1+𝑝1𝜌+𝑢122)−(𝑔𝑧2+𝑝2𝜌+𝑢222)+𝐻𝑒

如果管道无变径，没有外加能量，无论水平或倾斜放置，上式可简化为：

𝐻𝑓=𝑝1′−𝑝2′𝜌=?𝑝𝜌

Δp为截面1到2之间直管段的虚拟压强差，即单位体积流体的总势能差，通过压差传感器直接测量得到。

2. 流体流动阻力与流体性质、流道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)

由量纲分析可以得到四个无量纲数群：

欧拉数Eu=?𝑝/𝜌𝑢2，雷诺数𝑅𝑒=𝑑𝑢𝜌/𝜇，相对粗糙度ε/d和长径比𝑙/𝑑

从而有

?𝑝𝜌𝑢2=𝛹(𝑑𝑢𝜌𝜇,𝜀𝑑,𝑙𝑑)

取𝜆=𝛷(𝑅𝑒,𝜀/𝑑)，可得摩擦系数与阻力损失之间的关系： 𝐻𝑓=?𝑝𝜌=𝜆𝑙𝑑×𝑢22

从而得到实验中摩擦系数的计算式

𝜆=2?𝑝𝑑𝜌𝑢2𝑙

当流体在管径为d的圆形管中流动时，选取两个截面，用压差传感器测出两个截面的静压差，即可求出流体的流动阻力。根据伯努利方程摩擦系数与静压差的关系，可以求出摩擦系数。改变流速可测得不同Re下的λ，可以求出某一相对粗糙度下的λ-Re关系。

在湍流区内摩擦系数𝜆=𝛷(𝑅𝑒,𝜀/𝑑)，对于光滑管（水力学光滑），大量实验证明，Re在103~105氛围内，λ与Re的关系遵循Blasius关系式，即

𝜆=0.3163/𝑅𝑒0.25

对于粗糙管，λ与Re的关系以图来表示。

3. 对局部阻力，可用局部阻力系数法表示：

4. 𝐻𝑓= 𝜁𝑢22

对于扩大和缩小的直管，式中的流速按照细管的流速来计算。

对一段突然扩大的圆直管，局部阻力远大于其直管阻力。由忽略直管阻力时的伯努利方程

𝐻𝑓= 𝜁𝑢122=(𝑝1𝜌+𝑢122)−(𝑝2𝜌+𝑢222)

可以得到局部阻力系数的计算式：

𝜁=1−𝑢22+2?𝑝/𝜌𝑢12

式中，𝑢1、𝑢2分别为细管和粗管中的平均流速，?𝑝为2,1截面的压差。

突然扩大管的理论计算式为：ζ=（1−𝐴1/𝐴2）2 ，𝐴1、𝐴2分别为细管和粗管的流通截面积。

三、实验流程： 本实验装置如图1所示，管道水平安装，水循环使用，其中管5为不锈钢管，测压点之间距1.50m，内径21.0mm；管6为镀锌钢管，测压点间距离1.50m，内径22..5mm；管7为突然扩大管，由16.0mm扩大至42.0mm。各测量元件由测压口与压差传感器相连，通过管口的球阀切换被测管路，系统流量由涡轮流量计3调节，离心泵的功率由变频器通过改变输入频率控制转速来实现控制。

四、实验操作要点：

1.开泵：在关闭所有阀门的情况下，打开电源，启动变频器至50Hz，固定转速，观察泵出口压力稳定后，即可进行排气。

2.排气：在对某一管路进行实验之前，排尽设备主管和该管路及对应测压管路内的空气，每切换管路都要排一次气。关闭其他控制阀，打开对应管路的控制阀、测压阀和排气阀，在50Hz下，调节流量至1-2𝑚3/ℎ，待2min以上，压差传感器示数稳定后，关闭排气阀和流量调节阀，在流量为0下观察压差传感器示数是否为0，若有较大偏差则气未排尽，若偏差较小且稳定则记录初始偏差值。

3.实验数据测取：确定排气完毕且其余管路切换阀和测压阀关闭后，调节变频器至25Hz左右。对于直管阻力，按照流量由大到小的顺序，测取10组数据，控制压差在3.7~0.7kpa之间。对于突然扩大管的阻力，可测取3组数据。测取数据时，每个数据点取值应等待2min以上且压差和流量稳定为某值或在很小范围内波动。波动时可取其中点。

五、原始数据及处理：

1.原始数据记录

水的物理性质：

测定光滑管时，25℃下，ρ=996.95kg/m3，μ=0.8973mPa/s

测定粗糙管及突然扩大管时，26.5℃下，ρ=996.58g/m3，μ=0.8641mPa/s

(1)光滑管和粗糙管实验数据

光滑管数据：不锈钢管，l=1.500m，d=21.0mm，ε≈0.02mm，零点误差p0=-0.04kPa。 粗糙管数据：镀锌钢管，l=1.500m，d=22.5mm，ε≈0.2mm，零点误差p0=-0.06kPa。

表1 光滑管和粗糙管原始数据记录表

序号 光滑管 粗糙管

流量/(m3*h-1) 压差/(kPa) 流量/(m3*h-1) 压差/(kPa)

1 3.69 7.14 3.69 6.61

2 3.34 5.99 3.36 5.56

3 3.1 5.2 3.06 4.65

4 2.7 4.02 2.75 3.75

5 2.45 3.39 2.44 3.02

6 2.08 2.5 2.02 2.13

7 1.71 1.75 1.73 1.6

8 1.36 1.14 1.37 1.05

9 1.03 0.7 1.01 0.59

10 0.69 0.32 0.69 0.3

(2)突然扩大局部阻力系数测定数据

突扩管： d1=16.0mm，d2=42.0mm，初始误差p0=-0.04kPa。

表2 突然扩大局部阻力系数数据记录表

序号 流量/(m3*h-1) 压差/(kPa)

1 3.57

3.16

2 2.51 1.54

3 1.46 0.49

2.数据处理

表3 光滑管数据处理表

序号 流量/(m3*h-1) 流速/(m*s-1) 实际压差/(kPa) Re λ λb

1 3.69 2.96 7.18 69034 0.02303 0.01951

2 3.34 2.68 6.03 62486 0.02360 0.02001

3 3.1 2.49 5.24 57996 0.02381 0.02038

4 2.7 2.17 4.06 50513 0.02432 0.02110

5 2.45 1.96 3.43 45836 0.02495 0.02162

6 2.08 1.67 2.54 38913 0.02564 0.02252

7 1.71 1.37 1.79 31991 0.02673 0.02365

8 1.36 1.09 1.18 25443 0.02786 0.02504

9 1.03 0.83 0.74 19270 0.03046 0.02685

10 0.69 0.55 0.36 12909 0.03302 0.02967

其中，λb项为根据Blasius公式计算的理论摩擦系数值。

直管阻力系数的计算示例：

由表3中第1组数据为例， u=𝑞𝑣𝐴=4𝑞𝑣𝜋𝑑2=4×3.693.14×(21.0×10−3)2×13600𝑚/𝑠=2.96𝑚/𝑠

𝑅𝑒=𝑑𝑢𝜌𝜇=(21.0×10−3)×2.96×996.950.8973×10−3=69034

𝜆=2?𝑝𝑑𝜌𝑢2𝑙=2×(7.18×103)×(21.0×10−3)996.95×2.962×1.5=0.02303

𝜆𝑏=0.3163𝑅𝑒0.25=0.3163690340.25=0.01951

表4 粗糙管数据处理表

序号 流量/(m3*h-1) 流速/(m*s-1) 实际压差/(kPa) Re λ

1 3.69 2.58 6.67 66896 0.03021

2 3.36 2.35 5.62 60913 0.03070

3 3.06 2.14 4.71 55474 0.03102

4 2.75 1.92 3.81 49854 0.03107

5 2.44 1.70 3.08 44234 0.03191

6 2.02 1.41 2.19 36620 0.03310

7 1.73 1.21 1.66 31363 0.03421

8 1.37 0.96 1.11 24837 0.03648

9 1.01 0.71 0.65 18310 0.03930

10 0.69 0.48 0.36 12509 0.04664

图2 光滑管和粗糙管的λ-Re关系曲线

曲线分析：

(a)光滑管和粗糙管的摩擦系数均随Re的增大而减小，且随着Re的增大，摩擦系数减小的趋势趋缓。

(b)在同一Re下，相对粗糙度更高的粗糙管比光滑管的摩擦系数更大，说明ε/d越大，摩擦系数越大。

(c)在同一Re下，光滑管的摩擦系数大于水力学光滑摩擦系数的理论值，说明实验用的光滑管和理论光滑有一定差距。

表5 突然扩大管数据处理表

序号 流量/(m3*h-1) 压差/(kPa) 细管流速/(m*s-1) 粗管流速/(m*s-1) ζ

1 3.57 3.20 4.93 0.72 0.7149

2 2.51 1.58 3.47 0.50 0.7152

3 1.46 0.53 2.02 0.29 0.7175

局部阻力的计算示例： 以表5中第1组数据为例，

𝑢1=𝑞𝑣𝐴1=4𝑞𝑣𝜋𝑑12=4×3.573.14×(16.0×10−3)2×13600𝑚/𝑠=4.93𝑚/𝑠

𝑢2=𝑞𝑣𝐴2=4𝑞𝑣𝜋𝑑22=4×3.573.14×(42.0×10−3)2×13600𝑚/𝑠=0.72𝑚/𝑠

𝜁=1−𝑢22+2?𝑝𝜌𝑢12=1−0.722+2×3.20×103996.584.932=0.7149

𝜁=∑𝜁𝑖3=0.7159

理论值ζ𝑡=（1−𝐴1/𝐴2）2=(1−𝑑12/𝑑22)2=(1−162/422)2=0.7308

相对偏差

δ=|𝜁−ζ𝑡ζ𝑡|×100%=|0.7159−0.73080.7308|×100%=2.04%

测量值与理论值基本符合，但存在一定误差。

五、结果讨论分析

1.本次曲线拟合的相对大小比较准确，但是其中表现的趋势不明显，并未得到随着雷诺数增大，摩擦系数趋近于某一值的结论。可能是测定的摩擦系数和雷诺数范围较小，如果增大测定的雷诺数上限，即在更高的流速下做实验，可以看到更好的趋势。

2.测定的局部阻力系数和理论值接近，说明实验结果较好。实验值低于理论值，可能是实验设备本身存在损耗，细管在高流量下腐蚀变粗的结果。可以看到随着流量增大有上升趋势，而的三次结果的差值应该是被忽略的直管阻力的影响，因而随着流量增大，表观的局部阻力系数应该增大而不是减小，可能是实验记录和计算舍入的影响。

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流体流动阻力的测定

流体流动阻力的测定

生物工程单元操作实验报告——流体流动阻力的测定

1

流体流动阻力的测定

一、实验目的

（1）熟悉测定流体流经直管的阻力损失的实验组织法及测定摩擦系数的工程意义。

（2）观察摩擦系数λ与雷诺数Re之间的关系，学习双对数坐标纸的用法

（3）掌握流体流经管件时的局部阻力，并求出该管件的局部阻力。

二、实验原理

流体在管内流动时，由于流体具有黏性，在流动时必须克服内摩擦力，因此，流体必须做功。当流体呈湍流流动时，流体内部充满了大小漩涡，流体质点运动速度和方向都发生改变，质点间不断相互碰撞，引起流体质点动量交换，使其产生了湍动阻力，结果也会消耗流体能量，所以流体的黏性和流体的漩涡产生了流体流动的阻力。

流体在管内流动的阻力的计算公式表示为

22udlhf

或

2212udlppp

式中：h为流体通过直管的阻力（J/kg）；△p为流体通过直管的压力降（N/m2）；p1，p2为直管上下游界面流动的压力（N/m2）；l为管道长（m）；d为管道直径（内径）（m）；ρ为流体密度（kg/m3）；u为流体平均流速（m/s）；λ为摩擦系数，无因次。

摩擦系数λ是一个受多种因素影响的变量，其规律与流体流动类型密切相关。当流体在管内作层流流动时，根据力学基本原理，流体流动的推动力（由于压力产生）等于流体内部摩擦力（由于黏度产生），从理论上可以推得λ的计算式为

Re64

当流体在管内作湍流流动时，由于流动情况比层流复杂得多，湍流时的λ还不能完全由理论分析建立摩擦系数关系式。湍流的摩擦系数计算式是在研究分析阻力产生的各种因素的基础上，借助因次分析方法，将诸多因素的影响归并为准数关系，最后得出如下结论

ddduktRe,2

由此可见，λ为Re数和管壁相对粗糙度ε/d的函数，其函数的具体关系通过实验确定。

流体流动阻力的测定实验报告

流体流动阻力的测定实验报告

流体流动阻力的测定实验报告

一、实验目的

1、 掌握测定流体流经直管和管件时阻力损失的实验方法。

2、 了解摩擦系数λ与雷诺数 Re 之间的关系。

3、 学习压强差的测量方法，掌握 U 形管压差计和倒 U 形管压差计的使用。

4、 熟悉实验装置的结构和操作流程。

二、实验原理

流体在管内流动时，由于内摩擦力的存在会产生阻力损失。阻力损失包括沿程阻力损失和局部阻力损失。

沿程阻力损失是由于流体在直管中流动时，流体层之间的内摩擦力以及流体与管壁之间的摩擦力所引起的能量损失。其计算公式为：＄h_f ＝ ＼lambda ＼frac{l}｛d} ＼frac{u^2}｛2}＄，其中$h_f$为沿程阻力损失，＄＼lambda$为摩擦系数，＄l$为直管长度，＄d$为管道内径，＄u$为流体流速。

摩擦系数$＼lambda$与雷诺数 Re 有关，雷诺数$Re ＝ ＼frac{du\rho}｛＼mu}＄，其中$＼rho$为流体密度，＄＼mu$为流体粘度。在层流区，＄＼lambda ＝ ＼frac{64}｛Re}＄；在湍流区，＄＼lambda$与 Re

及相对粗糙度$＼frac{＼varepsilon}｛d}＄有关，可通过实验测定。 局部阻力损失是由于流体流经管件（如弯头、三通、阀门等）时，由于流道的突然改变而引起的能量损失。其计算公式为：＄h_j ＝ ＼xi

＼frac{u^2}｛2}＄，其中$h_j$为局部阻力损失，＄＼xi$为局部阻力系数。

三、实验装置

本实验装置主要由水箱、离心泵、不同管径的直管、各种管件（弯头、阀门等）、U 形管压差计、倒 U 形管压差计、温度计、流量计等组成。

水箱用于储存实验流体，离心泵提供流体流动的动力。直管和管件用于产生沿程阻力和局部阻力。U 形管压差计和倒 U 形管压差计用于测量流体流经直管和管件前后的压强差。温度计用于测量流体温度，流量计用于测量流体流量。

四、实验步骤

1、 熟悉实验装置，了解各设备的名称、用途和操作方法。

流体流动阻力的测定实验报告 2

流体流动阻力的测定实验报告 2

流体流动阻力的测定实验报告

摘要：

通过测算不同流速和管道直径下流体的流量和压降，确定了流体流动阻力与流速和管道直径的关系，并确立了相应的流体流动阻力公式。实验的结果表明，流体流动阻力与流速和管道直径的平方成正比，结果与理论计算值基本吻合。

一、 实验原理

在流体力学中，我们研究流体在管道中的运动和分布。不同形状、不同截面的管道中，流体的流动速度和压强是不同的，流体的动能和势能也会随着时间和位置的变化而发生变化。在流体流动中，管道内壁与流体的相互作用形成一定的阻力，这种阻力称为流体流动阻力。

实验中，我们设计了一套管道流体流动测量装置，通过测算流体在不同流速和管道直径下流量和压降，确定了流体流动阻力与流速和管道直径的关系，并确立了相应的流体流动阻力公式。

二、实验步骤

1. 准备工作：将实验装置安装好，并连接好各个部件。

2. 流量测定：打开水泵，将水流导向流量计中，通过观察流量计中的示数，测定流体的流量。

3. 压降测定：利用几何水平仪测定与水平面夹角，计算出流体在管道中的压降。

4. 流速测定：通过测算流量和管道截面积，计算出流体的平均流速。

5. 重复实验：重复以上测定步骤，测定不同流速和管道直径下的流量和压降数据，以确定流体流动阻力与流速和管道直径的关系。

6. 数据处理：根据实验数据计算出流体流动阻力公式，并与理论计算值对比。

三、实验结果与分析

1. 流量与管道直径的关系

通过实验测定，流量与管道直径的平方成正比。实验数据如下：

流量 Q (m3/h) 1 2 3 4 5

直径 D (cm) 1 1.5 2 2.5 3

2. 压降与流速的关系

通过实验测定，压降与流速的平方成正比。实验数据如下：

流速 v (m/s) 0.67 1.13 1.33 1.51

压降 h (m) 0.05 0.09 0.12 0.16

3. 流体流动阻力与流速和管道直径的关系

根据实验得到的数据，流体流动阻力与流速和管道直径的平方成正比。流体流动阻力公式为：

流动阻力的测定实验报告

流动阻力的测定实验报告

流动阻力的测定实验报告化学工程与工艺专业

化工原理实验报告

姓名

学院

专业班级

学号

指导教师

实验日期评定成绩：

评阅人：流体流动阻力的测定实验报告

一、实验目的

（1）学习直管摩擦阻力Ap、直管摩擦系数大的测量方法。

（2）测定不同直管摩擦系数人与雷诺数Re之间的关系。

（3）测定弯头等局部阻力系数C与雷诺数Re之间的关系。

（4）掌握坐标系的选用方法和对数坐标系的使用方法。

二、实验基本原理

（一）流动阻力的测定

流体在管内流动时，由于黏性剪应力和涡流的存在，必然引起能量损耗。这种损耗 包括流体流经管道的直管阻力和流经管件阀门等的局部阻力。

1 .直管阻力摩擦系数的测定

流体在圆形直管内流动的阻力损失hf为：

-.2△pI匕

hf=—= A — P d 2

、 2Apd

A = y Ipu乙

由式（1）可知，欲测定入，需知道1、d,测定等。与因实验装置而异，由现场实 测。1为两测压点的距离，欲测定，只需测量液体的温度，再查有关手册。欲测定U,需 先测定流量，再由管径计算流速。

2 .局部阻力系数的测定 .2 C =Ap 9(2)pu£

待测的阀门或弯头，由现场指定。

(二)流量计校正

流量测量中，广泛采用孔板流量计和文丘里流量计。这两种流量计由孔板与U型管 压差计组成。

当流体以一定流速通过孔板时，由于流道截面缩小，流速增大，而使孔板前后产生 一定压差。流体的体积流量与压差的关系如下式所示：

V=CoA [2即竿(3)

流量系数Co与流量计的结构参数(do/D)有关，与流体的流动状况Re有关。通过 实验确定Co与Re的关系曲线，称为流量计校正。本实验是以水为工作流体，测定在一 定范围内的Co〜Re曲线。

三、实验装置与流程

实验装置流程如图所示，由管子、管件、闸阀、孔板、控制器、流量计及泵等组成, 实际实验装置由多个支路构成，分别用于直管阻力测定、局部阻力测定和流量计的校核。四、实验内容