化工原理实验流体流动阻力系数的测定实验报告

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

=△P/ρ=λ（l / d）u2/2

用试验方法直接测定。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Re在3×103~105范围内，λ和Re的关系遵循Blasius

关系式，即λ= /

对于粗糙管，λ和Re的关系均以图来表示。

2、局部阻力

=ξu2/2

h

f

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Re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= +/2=24℃

此温度对应水的密度可由相关表查得,

ρ=m 3 μ=·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=×102 Q/d 2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Blasius 关

系式 λ’= / 可求得理论λ’。

光滑管几何尺寸为 d =21mm ， l=，相对粗糙度 ε/ d=21= 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：

粗糙管几何尺寸为d=22mm，l=，相对粗糙度ε/ d=22=

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:

2、求局部阻力系数ξ

=△P/ρ=ξu2/2

由公式u=Q/A=×102Q/d2得到流速，由式h

f

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:

3、 所得湍流时λ—Re —ε/ d 关系图如下： 六、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？

设备中要是还有空气未排净将使设备中液体不能连续地流动，势必影响实验结果。在接通水泵电源以后，再打开流量调节阀门，使之大流量输出便可迅速有效地排净设备中的空气。 （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λ—Re 数据能否关联在一条曲线上？ 不能关联到一条曲线上。

（3）、测出的直管摩擦阻力与设备的放置状态有关吗？为什么？ 有关系。由h f =（P 1/ρ+z 1g ）-( P 2/ρ+ z 2g ) =△P/ρ可知，阻力损失均主要表现为流体势能的降低，即△P/ρ，只有当管道水平放置时，才能用△P 代替△P 。当不是水平管时△P 还包含了