化工原理实验流体流动阻力系数的测定实验报告

化工原理实验-流体流动阻力系数的测定实验报告

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流体流动阻力系数的测定实验报告

一、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、验证湍流区内摩擦阻力系数λ为雷诺系数Ｒe和相对粗糙度的函数。

4、将所得光滑管的λ—Re方程与Bｌasius方程相比较。

二、实验器材：

流体阻力实验装置一套

三、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,ρ,μ,ε)

引入下列无量纲数群。

雷诺数Re=duρ／μ

相对粗糙度ε/ d

管子长径比l / d

从而得到

△P/(ρｕ2)=ψ(duρ/μ,ε／d, l / d)

令λ＝φ(Re，ε/ d）

△P/ρ＝(l/ d）φ(Re,ε/ 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

=△P／ρ＝λ（l ／d）u2／2

直接测定。h

f

——直管阻力，Ｊ/kg

式中，h

f

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λ—Re关系。

(１)、湍流区的摩擦阻力系数

在湍流区内λ=f(Re,ε/ d ）。对于光滑管,大量实验证明,当R ｅ在３×103～105 范围内,λ和Ｒｅ的关系遵循Blasius 关系式，即 λ=0．３1６３ ／ R ｅ0.２5

对于粗糙管，λ和Re 的关系均以图来表示。

2、 局部阻力

h f =ξｕ2/2

式中,ξ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 达到一定值后,ξ与R ｅ无关，成为定值。

四、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0.３m ３/h 左右侧一组数据。充分利用面板量程测取10组数据，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。

五、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相关表查得，

ρ=９97.２kg/ｍ3

μ=０．91４2mPa ·Ｓ

1、 求光滑管、粗糙管摩擦阻力系数λ和雷诺系数Re

由公式u=Q/Ａ=３.54×1０2 Q/ｄ2得到流速，由公式Ｒe=du ρ/μ可求得雷诺数，由式

ｈ f ＝△Ｐ/ρ=λ(l ／ ｄ）u ２/２ 可求得真实的λ，由Ｂlasiu ｓ关系式 λ’=0.3163 / Re 0.２5可求得理论λ’。

光滑管几何尺寸为 d =2１mm, l=1．5m,相对粗糙度 ε/ d=0．2/21=0.０1

所求光滑管在不同流量下的u 、Re 、λ、λ’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 1０ Q ／ m 3 /h

3.5０

3．2２

2.94

2.６6

2．３８

2.10

1.82

１.５4

1.26

0．98

△

P/kP

ａ

6.８０５.83 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 0．７９

Re×10－4６.４４ 5.９1 5.4１ 4.90 4．38 3.87 3.34 ２．84

２．３

１

1.81

λ０．０

24２

0.０

246

0.0２

４9

0.0254 0.0256

0．0２

66

0.02７

9

0.028

０

0.0300

0．034

２

λ’０．01

９9

0．０

２03

0.02０

7

0.0２

13

０.0２

19

０．02

２6

0．0２3

４

０.02

４４

0．０２

57

0.0２

73

粗糙管几何尺寸为d=２２mm,ｌ＝1.5m，相对粗糙度ε/d＝0.3/22=0．0１

4

所求粗糙管在不同流量下的u、Re、λ、λ’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 10

Q/ m3 /ｈ3.6７３.37 3.07 2.77 2.47 2.17

1.８

７

１．５7 1.27 ０．９7

△P/kPa ６.85 5.8９ 4.90 ４．０1 ３．22

２.５

4

1．９9 1．５2 1．03 0．６6

u/m

／s

2．68 ２.46 2.25 2.0３1．８1 1.５9 1．37 1.1５0．93 0.71 Re×

10-4

6.43 5.90 ５．40 4.8７４．34 3.8２ 3.29 2.76 2.２3 1．7０

λ０.0280 0.０

286

０.0２

８5

0.02８

6

０.0２

８9

０.02

９5

0．０

３12

0.0３３

８

0.0350

０.0３

８５

λ’0.019９０.０

203

0．020

７

0.0２

１３

0.021

９

0.０

226

0.０

２３5

０．0245 0.0259 0.0277

2、求局部阻力系数ξ

由公式u=Q／A＝３.５4×1０2Q/d2得到流速，由式h f=△P/ρ=ξu2/2可得到ξ。

其中，扩大管的管径取ｄ=1６mm，球阀和截止阀的管径取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：

序号

扩大管球阀截止阀

1 2 3 1 2 3 １ 2 3

Q/ m３/h 3.５0 ２.７0 1.9０3．52 2.72 1.９２ 1.41 1．06 0.71 △P/kＰ

ａ

４.55 1.64 0．27 3.44 １.６2 0.91 6．69 3.84 1.78 u/m/s 4.84 3．７３ 2.６3 3．12 2.41 1.７0 1.25 0.９4 0.6３

ξ0．3904 0.2369 0．0803 0.7１０

3

０.5606 0．6329 ８.６06 8．73５9.01４