(完整word版)流体阻力系数
流体阻力实验MicrosoftWord文档
实验一 流体流动阻力测定实验1 实验目的（1）掌握测定流体流经直管、管件和阀门时阻力损失的一般实验方法。
（2）识别组成管路的各种管件、阀门的结构、使用方法和性能。
（3）学习压差计、流量计的使用方法。
（4）学习光滑直管和粗糙直管的摩擦系数λ与雷诺准数Re 的测量方法，并验证流体处于不同流动类型时的λ与Re 二者间的关系。
（5）测定流体流经管件、阀门时的局部阻力系数ξ。
2 基本原理2.1 直管摩擦系数λ与雷诺数Re 的测定流体在管内从一个截面流到另一个截面时，由于流体具有粘性，流体层之间的分子动量传递产生的内摩擦阻力，或由于流体之间的湍流动量传递而引起的摩擦阻力，我们将这部分机械能称为能量损失。
下面给将介绍圆形直管摩擦系数与雷诺数的实验测定方法。
对于不可压缩流体在水平等直径直管内作定态流动，根据伯努利方程有：2ff 2P L u h d λρ∆==⨯ （1.1）（1.1）式中：h f —压头损失，J/kg ；L —两测压点间直管长度，m ；d —直管内径，m ；λ—摩擦阻力系数；u —流体流速，m/s ；ΔP f —直管阻力引起的压降，N/m 2；ρ—流体密度，kg/m 3。
将（1.1）式经适当变形，可以得到摩擦系数的表达式，即：f22P d L u λρ∆=⨯（1.2） 雷诺准数定义式如下：du Re ρμ=（1.3）（1.2）式中：µ—流体粘度，Pa.s 。
在管壁粗糙度、管长和管径一定的条件下，本实验将选择水作为流体，通过改变水的流量，并测得不同流量下的ΔP f 值，连同L 、d 、u 和ρ（对一定流体来说，ρ和μ都是温度的函数，可以根据流体的种类及温度从手册中查出）一同带入式（1.2）和（1.3），将能够分别求出不同流量下的直管摩擦系数λ和雷诺准数Re ，从而整理出λ与Re 的关系并绘制二者关系曲线。
2.2 测定局部阻力系数（1）局部阻力系数ξ的测定。
局部阻力损失的计算方法有两种，即局部阻力系数法和当量长度法。
流体力学湍流阻力系数
尼古拉兹(J.Nikuradse)实验
•实验目的：为了确定λ=f(Re, ε/d)的变化规律。
德国学者(J.Nikuradse，1933-1934)首次进行了实验研究，具有重大的理论意义。
•实验方案：用人工制成的均匀颗粒粗糙圆管，考察6种不同的相对粗糙度的圆管中测出不同流速υ 、管长l 间的水头损失 h f 和水温，以推算Re=υd/ν 和沿程阻力系数λ。
•实验结果： 发现5个有显著规律的区域，揭示了λ=f(Re, ε/d)的影响关系。
1)层流区: λ=64/Re; 2)层-紊流过渡区; 3)光滑管区; 4)光滑管向粗糙管过渡区; 5)粗糙管区
工业管道实验——Moody 图
尼古拉兹实验揭示了管道流动的沿程阻力所产生的能量损失的规律，给出了沿程阻力系数λ与雷诺数Re和相对粗糙度ε/d之间的依变关系，为管道的沿程阻力的计算提供了可靠的实验基础。
但是尼古拉兹实验曲线是在人工地把均匀的砂粒粘贴在管道内壁的情况下实验得出的，然而工业上所用的管道内壁的粗糙度则是自然的非均匀的和高低不平的。
因此，要把尼古拉兹曲线应用于工业管道，就必须作适当的修正。
在工业管道上应用比较广泛的是下面将要介绍的莫迪曲线图。
1944，英国人Moody 对各种工业管道进行了试验 1944
研究。
试验用的管道非常广泛，有：玻璃管、混凝土管、钢管、铜管、木管等，试验条件就是自然管道，管道的壁面就是天然管壁，而非人工粗糙面。
流体力学湍流阻力系数
Re 1.E+05
粗糙区
1.E+06
1.E+07
1.E+08
过渡粗糟区
Δ /d
10.0
1.0
0.000001～ 0.05 0.05 0.04 0.03 0.02 0.015 0.01 0.008 0.004 0.002 0.001 0.0008 0.0006 0.0004 0.0002 0.0001 0.00005 0.00001 0.000005 0.000001
沿程阻力系数和局部阻力系数
1944，英国人Moody 对各种工业管道进行了试验 研究。试验用的管道非常广泛，有：玻璃管、混凝土 管、钢管、铜管、木管等，试验条件就是自然管道， 管道的壁面就是天然管壁，而非人工粗糙面。
沿程阻力系数和局部阻力系数
1.E+02 100.0
层流区
1.E+03
1.E+04
1
2
沿程阻力系数和局部阻力系数
1
2
突然扩大的管件中的流动
根据连续方程 有:
p
实验证实，p=p1
A1 v2 = v1 A2
A2 v1 = v2 A1
根据动量方程有 :
p1A1-p2A2+p(A2-A1)=ρqV(v2-v1)
p1-p2=ρv2(v2-v1)
对截面1-1、2-2列伯努里方程（取动能修正系数α=1）
沿程阻力系数和局部阻力系数 1.直接根据紊流沿程损失的实测资料,综合成阻 力系数λ的纯经验公式 求解λ的途径： 2.用理论和试验相结合的方法以紊流的半经验 理论为基础,整理成半经验公式. �采用实验方法——首先分析的影响λ因素 � 层流流动： λ=64/Re 即仅与Re有关，而与管壁粗造度无关 � 紊流流动:
常用水的阻力系数对照表
常用水的阻力系数对照表阻力系数是工程师和科学家们在设计和计算液体流动性能时使用的一个重要参数。
在液体流动中，液体会受到管壁强度的阻力，而这个阻力大小会受到许多因素的影响，如：液体的黏度、管道的尺寸和形状、液体的流速等等。
对于液体在管道中的运动，阻力系数是必须要考虑的一个因素。
以下是常用水的阻力系数及其对照表：1. 直管的阻力系数在直管中，水的流动受到管道的粗糙程度和管径大小的影响。
粗糙程度越小，管径越大，水的运动速度越大，阻力系数就越小。
以下是不同直管内径和壁粗的阻力系数对照表：直管内径 (mm) | 壁粗 (mm) | 阻力系数---|---|---50 | 0.05 | 0.00975 | 0.05 | 0.008100 | 0.05 | 0.007125 | 0.05 | 0.006150 | 0.05 | 0.0052. 弯头的阻力系数弯头在管道中起到了转向和调节流量的作用，但同时也会产生一定的阻力。
弯头的阻力系数受到弯头的曲率半径和弯角大小的影响。
以下是不同弯头曲率半径和弯角的阻力系数对照表：弯头曲率半径 (mm) | 弯角 (°) | 阻力系数---|---|---250 | 90 | 0.9500 | 90 | 0.41000 | 90 | 0.2250 | 45 | 0.3500 | 45 | 0.151000 | 45 | 0.083. 泵的阻力系数泵在液体输送中的作用不可忽略，但泵也会产生一定的阻力。
泵的阻力系数受到泵的流量和扬程大小的影响。
以下是不同泵流量和扬程的阻力系数对照表：泵流量 (m³/h) | 泵扬程 (m) | 阻力系数---|---|---1 | 10 | 0.12 | 20 | 0.23 | 30 | 0.34 | 40 | 0.45 | 50 | 0.5总结以上是常用水的阻力系数对照表，通过对这些数据的了解，可以更好地设计和计算液体输送管道的性能，提高工程效率和减少能源消耗。
流体阻力系数测定实验报告资料
化工原理实验实验题目：——流体流动阻力的测定姓名：沈延顺同组人：覃成鹏臧婉婷王俊烨实验时间：2011.10。
24一、实验题目：流体流动阻力的测定二、实验时间：2011.10.24三、姓名：沈延顺四、同组人员：覃成鹏、臧婉婷、王俊烨五、实验报告摘要：进行流体流动的学习，知道流体的性质和如何计算流体阻力的方法。
通过流体阻力实验，包括不锈钢管、镀锌钢管、突然扩大管路和层流管路的测定流体的流量和压降通过伯努利方程来推倒阻力系数和雷诺数之间的关系，来验证层流、湍流雷诺数与阻力系数之间的关系。
流体阻力的大小关系到输送机械的动力消耗和输送机械的选择，测定流体流动阻力对化工及相关过程工业的设计、生产和科研具有重要意义。
六、实验目的及任务：1、掌握测定流体流动阻力实验。
2、测定直管的摩擦阻力系数λ及突然扩大管路和阀门的局部阻力系数ζ。
3、测定层流管的摩擦阻力。
4、验证湍流区内摩擦阻力系数λ为雷诺数Re和相对粗糙度的函数。
5、将所得光滑管的λ—Re方程与Blasius方程相比较。
七、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管、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，得以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，流体流经处的结合尺寸以及流动状态有关，可表示为：引入下列无量纲数群。
雷诺数相对粗糙度管子长径比从而得到：令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。
式中——直管阻力，J/kg被测管长，md——被测管内径，mu——平均流速，m/sλ——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之间的静压强差，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。
流体阻力
四、流体阻力的计算直管阻力：流体流经一定管径的直管时，由于流体的内摩擦而产生的阻力。
（或称沿程阻力）局部阻力：流体流经管路中的管件、阀门或突然扩大与缩小等局部障碍所引起的阻力。
流体阻力可以用以下几种表示方法：损失能量∑损h 、损失压头损H 、损失压力降∑==∆g H h p ρρ损损表示。
1．直管阻力的计算 22u d l h λ=直 式中： 直h —流体在圆形直管中流动时的损失能量，J/kg ；l —管长，m ；d —管内径，m ；22u —动能，J/kg ； λ—摩擦系数，无单位。
摩擦系数λ与管内流体流动时的雷诺数Re 有关，也与管道内壁的粗糙程度有关。
（1）层流时的摩擦系数λ流体作层流流动时，摩擦系数λ只与雷诺数Re 有关，而与管壁的粗糙程度无关。
Re64=λ （2）湍流时的摩擦系数λ当流体呈湍流时，摩擦系数λ与雷诺数Re 及管壁粗糙程度都有关。
通常是通过实验，将λ与Re 的函数关系标绘在双对数坐标系中，如图1-19所示。
过渡流时，管内流动随外界条件的影响而出现不同的类型。
工程计算中一般按湍流处理，将相应湍流时的曲线延伸查取λ 值。
（3）非圆形管的直管阻力当流体流经非圆形管道时，计算式及Re 中的d 值，均应以当量直径当d 代替。
【例题1-19】 分别计算在下列情况时，流体流过100m 直管的损失能量和压力降。
① 20℃98%的硫酸在内径为50mm 的铅管内流动，流速50⋅=u m/s ，硫酸密度为=ρ1830kg/m 3，黏度为23mN ·s/m 2。
② 20℃的水在内径为68mm 的钢管中流动，流速2=u m/s 。
解 ① 题设：20℃98%的硫酸，=ρ1830kg/m 3，=μ23mN ·s/m 2＝0.023 N ·s/m 2，50⋅=u m/s ， =d 50mm ＝0.05m 。
带入雷诺数Re 计算式μρdu =Re ＝19900230183050050=⋅⨯⋅⨯⋅＜2000 （属层流）0320199064Re 64⋅===λ直管阻力为 22u d l h λ=直 ＝825005010003202=⋅⨯⋅⨯⋅J/kg 压力降 1464018308=⨯==∆ρ直h p N/m 2＝14.64kN/m 2② 题设：20℃的水， =ρ1000kg/m 3，=μ 1.005mN ·s/m 2＝1.005×10-3 N ·s/m 2， 2=u m/s ， =d 68mm ＝0.068m 。
流体流动阻力
空间。
ζ出口 = 1 4 . 管件与阀门
出口阻力系数
返回返回返回源自阀返回返回返回
二、当量长度法
将流体流过管件或阀门的局部阻力，折合成 直径相同、长度为le的直管所产生的阻力 。
Wf'
le d
u2 2
或
hf'
le d
u2 2g
le —— 管件或阀门的当量长度，m。
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1.5.3 流体在管路中的总阻力
1.5 流体流动阻力
1.5.1 直管阻力 1.5.2 局部阻力 1.5.3 流体在管路中的总阻力
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1.5 流体流动阻力
直管阻力：流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而 产生的阻力；
局部阻力：流体流经管件、阀门等局部地方由于流速 大小及方向的改变而引起的阻力。
1.5.1 直管阻力
一、阻力的表现形式
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（2）结果具有普遍性，便于推广。 基础：因次一致性
即每一个物理方程式的两边不仅数值相等， 而且每一项都应具有相同的因次。
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基本定理：白金汉（Buckinghan）π 定理 设影响某一物理现象的独立变量数为n个，
这些变量的基本因次数为m个，则该物理现象可 用N＝（n－m）个独立的无因次数群表示。 湍流时压力损失的影响因素：
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二、计算直管阻力的通式
由于压力差而产生的推动力：
p1
p2
πd 4
2
流体的摩擦力： F A πdl
定态流动时
( p1
πd 2 p2 ) 4
πdl
Wf
4l
d
8 l u2 Wf u2 d 2
令
流体阻力系数
n关键字：2.2.4 流体流动阻力的计算流动阻力的大小与流体本身的物理性质、流动状况及壁面的形状等因素有关。
化工管路系统主要由两部分组成，一部分是直管，另一部分是管件、阀门等。
相应流体流动阻力也分为两种：直管阻力：流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而产生的阻力；局部阻力：流体流经管件、阀门等局部地方由于流速大小及方向的改变而引起的阻力。
1. 流体在直管中的流动阻力如图1-24所示，流体在水平等径直管中作定态流动。
在1-1′和2-2′截面间列柏努利方程，因是直径相同的水平管，若管道为倾斜管，则由此可见，无论是水平安装，还是倾斜安装，流体的流动阻力均表现为静压能的减少，仅当水平安装时，流动阻力恰好等于两截面的静压能之差。
把能量损失表示为动能的某一倍数。
令则（2-19）式（2-19）为流体在直管内流动阻力的通式，称为范宁（Fanning）公式。
式中为无因次系数，称为摩擦系数或摩擦因数，与流体流动的Re及管壁状况有关。
根据柏努利方程的其它形式，也可写出相应的范宁公式表示式：压头损失（2-20）压力损失 (2-21)值得注意的是，压力损失是流体流动能量损失的一种表示形式，与两截面间的压力差意义不同，只有当管路为水平时，二者才相等。
应当指出，范宁公式对层流与湍流均适用，只是两种情况下摩擦系数不同。
以下对层流与湍流时摩擦系数分别讨论。
（1）层流时的摩擦系数流体在直管中作层流流动时摩擦系数的计算式：（2-22）即层流时摩擦系数λ是雷诺数Re的函数。
（2）湍流时的摩擦系数（2-23）图2-14 摩擦系数λ与雷诺数Re及相对粗糙度的关系即湍流时摩擦系数λ是Re和相对粗糙度的函数，如图2-14所示，称为莫狄（Moody）摩擦系数图。
2 局部阻力局部阻力有两种计算方法：阻力系数法和当量长度法。
（1）阻力系数法克服局部阻力所消耗的机械能，可以表示为动能的某一倍数，即（2-24）式中ζ称为局部阻力系数，一般由实验测定。
常用管件及阀门的局部阻力系数见教材。
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流体阻力系数
一个物体在流体（液体或气体）中和流体有相对运动时，物体会受到流体的阻力。
阻力的方向和物体相对于流体的速度方向相反，其大小和相对速度的大小有关。
在相对速率v 较小时，阻力f的大小与v 成正比：
f = kv
式中比例系数k 决定于物体的大小和形状以及流体的性质.
在相对速率较大以致于在物体的后方出现流体漩涡时,阻力的大小将与v平方成正比。
对于物体在空气中运动的情形,阻力
f = CρAv v/2
式中，ρ是空气的密度,A 是物体的有效横截面积，C 为阻力系数。
物体在流体中下落时，受到的阻力随速率增大而增大，当阻力和重力平衡时，物体将以匀速下落。
物体在流体中下落的最大速率称为终极速率，又称为收尾速率。
对在空气中下落的物体，它的终极速率为：
如图
关键字：2.2.4 流体流动阻力的计算
流动阻力的大小与流体本身的物理性质、流动状况及壁面的形状等因素有关。
化工管路系统主要由两部分组成，一部分是直管，另一部分是管件、阀门等。
相应流体流动阻力也分为两种：
直管阻力：流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而产生的阻力；
局部阻力：流体流经管件、阀门等局部地方由于流速大小及方向的改变而引起的阻力。
1. 流体在直管中的流动阻力
如图1-24所示，流体在水平等径直管中作定态流动。
在1-1′和2-2′截面间列柏努利方程，
因是直径相同的水平管，
若管道为倾斜管，则
由此可见，无论是水平安装，还是倾斜安装，流体的流动阻力均表现为静压能的减少，仅当水平安装时，流动阻力恰好等于两截面的静压能之差。
把能量损失表示为动能的某一倍数。
令
则（2-19）
式（2-19）为流体在直管内流动阻力的通式，称为范宁（Fanning）公式。
式中为无因次系数，称为摩擦系数或摩擦因数，与流体流动的Re及管壁状况有关。
根据柏努利方程的其它形式，也可写出相应的范宁公式表示式：
压头损失（2-20）
压力损失 (2-21)
值得注意的是，压力损失是流体流动能量损失的一种表示形式，与两截面间的压力差意义不同，只有当管路为水平时，二者才相等。
应当指出，范宁公式对层流与湍流均适用，只是两种情况下摩擦系数不同。
以下对层流与湍流时摩擦系数分别讨论。
（1）层流时的摩擦系数
流体在直管中作层流流动时摩擦系数的计算式：
（2-22）
即层流时摩擦系数λ是雷诺数Re的函数。
（2）湍流时的摩擦系数
（2-23）
图2-14 摩擦系数λ与雷诺数Re及相对粗糙度的关系
即湍流时摩擦系数λ是Re和相对粗糙度的函数，如图2-14所示，称为莫狄（Moody）摩擦系数图。
2 局部阻力
局部阻力有两种计算方法：阻力系数法和当量长度法。
（1）阻力系数法
克服局部阻力所消耗的机械能，可以表示为动能的某一倍数，即
（2-24）
式中ζ称为局部阻力系数，一般由实验测定。
常用管件及阀门的局部阻力系数见教材。
（2）当量长度法
将流体流过管件或阀门的局部阻力，折合成直径相同、长度为的直管所产生的阻力
即（2-25）式中称为管件或阀门的当量长度。
同样，管件与阀门的当量长度也是由实验测定，有时也以管道直径的倍数表示。
见教材。