流体流动阻力测定化工原理实验报告
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流体流动阻力测定化工原理实验报告
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。
④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 du Re ρ
μ=
相对粗糙度 d
ε 管子长径比l d
从而得到
2
(,,)p du l
u d d
ρερμ∆=ψ 令(Re,)d ε
λ=Φ
2(Re,)2
p
l u d d ερ∆=Φ 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。
2
2
f p
l u h d λρ∆==⨯
式中
f h ——直管阻力，J/k
g ；
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,)f d
ε
λ=。
对于光滑管，大量实验证明，当Re 在35
310~10⨯范围内，λ与Re 的关系式遵循Blasius 关系式，即
0.250.3163Re 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
64Re
λ=
2. 局部阻力
2
2
f u h ξ=
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(6×1.5)mm,两测压管之间的距离1m ；No.2管安装有球阀和截止阀两种管件，管径为Φ(27×3)mm ；No.3管为Φ(27×2.75) mm 不锈钢管；No.4为Φ(27×2.75) 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 ；a 1、a 2为层流管两端的两测压口；b 1、b 2为球阀的两测压口；c 1、c 2表示截止阀的两测压口；d 1、d 2表示不锈钢管的两测压口；e 1、e 2表示粗糙管的两测压口；f 1、f 2表示突然扩大管的两测压口。
系统中孔板流量计以测流量。
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。
五、 数据处理
（1）、原始数据 水温：24.3℃ 密度：1000kg/m ³ 粘度：μ=1.305310-⨯
2、数据处理
1）不锈钢管，镀锌管以及层流管的雷诺数和摩擦阻力系数用以下公式计算
雷诺数 du Re ρ
μ
=
2
2
f p
l u h d λρ∆==⨯
式中
f h ——直管阻力，J/k
g ；
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。
2）突然扩大管的雷诺数及摩擦阻力系数由以下公式计算
雷诺数 du Re ρ
μ
=
摩擦阻力系数 3、数据处理结果如下表所示
数据处理示例：
1、 光滑管：T=20.0℃时水的密度3
1000/Kg m ρ=，粘度s mPa ∙=005.1μ
以光滑管第4组数据为例：
q v=3.11 m ³/h ΔP=4.63kPa d=21.0 mm l=1.50 m
f h =
ΔP ρ
22
3
3
22
0.250.25
44 3.11/3600
2.495454
3.140.0210.021 2.4954541000Re 52117.43
1.00510220.021 4.63100.0208391.501000
2.4954540.31630.31630.020934Re 52117.43v q u d du d P l u πρμλρλ-⨯∴=
==⨯⨯⨯===⨯∆⨯⨯⨯===⨯⨯=== 2、 粗糙管：
以粗糙管第4组数据为例：
3
3.1/v q m h = 21.5d mm = 1.50l m = 22
44 3.1
2.373081
3.140.00215
v q u d π⨯=
==⨯ 3
0.0215 2.3730811000
Re 50741.72
1.00510du ρ
μ
-⨯⨯=
=
=⨯
322
220.0215 6.39100.0325281.501000 2.373081d p l u λρ∆⨯⨯⨯===⨯⨯
3、 突然扩大管：
以第1组数据为例：3
3.80v m
q h
= 4.1036a P kp ∆= 115.5d mm = 1140l mm =
242.0d mm = 2280l mm =
du Re ρ
μ
=
=31840.83
223221222
12()2 4.1036101000(5.5940690.761891)0.7201681000 5.594069P u u u ρξρ∆+-⨯⨯⨯⨯-===⨯
4、 层流管：
以第4组数据为例：
3.13/v q mL s
= 1.6406P kPa ∆= 0.474374/v m s = d=2.9mm l=1.00m
3
du 0.00290.4743741000
Re 1368.841
1.00510ρ
μ
-⨯⨯=
=
=⨯
322
220.0029 1.6406100.046755
110000.474374d p l u λρ∆⨯⨯⨯===⨯⨯
由上述数据可以得到以下图形：
七、实验结果分析：
由上面图表中的数据信息可以得出以下结论：
1、当Re>4000时，流动进入湍流区，摩擦阻力系数λ随雷诺数Re 的增大而
减小。
至足够大的Re 后，λ-Re 曲线趋于平缓；
2、实验测出的光滑管λ-Re 曲线和利用Blasius 关系式得出的λ-Re 曲线比
较接近，说明当Re 在5310~103⨯范围内，λ与Re 的关系满足Blasius 关系式，即25.0Re /3163.0=λ；
3、突然扩大管的局部阻力系数随流量的减小而增大；
4、在Re<2000范围内，流体流动为层流，实验所得层流管的摩擦阻力系数
λ随Re 的变化趋势与公式Re
64=
λ特性曲线相差较远，可能原因是在调节流量和时间控制中未把握好，人为造成了实验误差，并且流量过大，导致流体并非层流状态。
八、 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.以水为工作流体所测得的摩擦阻力系数与雷诺数的关系是否适用于其他流体 答：不适用，粘度不同。
4.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22
12
12
12[()()]2
f p p u u h gz gz ρρ-=+-++
U 形压差计的22
12
()2
f i u u h gR ρρ-=-+
所以f h 不变，故λ不会改变。
5.如果要增加雷诺数的范围 ，可采取哪些措施？ 答：雷诺数du Re ρ
μ
=
故可增大管径、增大流速等方法使雷诺数增大。
