流體流動阻力的測定

化工原理實驗報告報告摘要流體阻力的大小關系到輸送機械的動力消耗和輸送機械的選擇，測定流體流動阻力對化工及相關過程工業(yè)的設計、生產和科研具有重要意義。本實驗利用由水箱、離心泵、光滑管、粗糙管、層流管、突然擴大管及自動測壓、測流量裝置等組成的裝置，以水為工作流體，在常溫常壓下測定了光滑管、粗糙管、層流管的摩擦阻力系數(shù)λ和突然擴大管的局部阻力系數(shù)ξ，依據伯努利方程及Blasius關系式等，探討了直管的摩擦阻力系數(shù)λ隨雷諾數(shù)Re的變化關系，驗證了湍流區(qū)內摩擦阻力系數(shù)λ為雷諾數(shù)Re和相對粗糙度ε/d的函數(shù)，并由測得的一系列數(shù)據得到了直管的λ-Re關系曲線，實驗成功地完成了相關任務，達到了預期的目的。實驗目的及任務1、掌握測定流體流的阻力實驗的一般實驗方法。2、測定直管的摩擦阻力系數(shù)λ及突然擴大管和閥門的局部阻力系數(shù)ξ。3、測定層流管的摩擦阻力。4、驗證湍流區(qū)內摩擦阻力系數(shù)λ為雷諾數(shù)Re和相對粗糙度的函數(shù)。5、將所得光滑管的λ—Re方程與Blasius方程相比較?；驹?.直管摩擦阻力不可壓縮流體（如水），在圓形直管中做穩(wěn)定流動時，由于黏性和渦流的作用產生摩擦阻力；流體在流過突然擴大、彎頭等管件時，由于流體運動的速度和方向突然變化，產生局部阻力。影響流體阻力的因素較多，在工程上通常采用量綱分析方法簡化實驗，得到在一定條件下具有普遍意義的結果，其方法如下。流體流動阻力與流體的性質，流體流經處的幾何尺寸以及流動狀態(tài)有關，可表示為ΔP=f（d,l,u,ρ,μ,ε）引入下列無量綱數(shù)群。雷諾數(shù)Re=duρ/μ相對粗糙度ε/d管子長徑比l/d從而得到令λ=Φ（Re,ε/d）可得摩擦阻力系數(shù)與壓頭損失之間的關系，這種關系可用試驗方法直接測得。式中—直管阻力，J/kg;L—被測管長，m;D—被測管內徑，m;—平均流速，m/s;λ—摩擦阻力系數(shù)。當流體在一管徑為d的圓形管中流動時，選取兩個截面，用U形壓差計測出這兩個截面間的靜壓強差，即為流體流過兩截面間的流動阻力。根據伯努利方程找到靜壓強差和摩擦阻力系數(shù)的關系式，即可求出摩擦阻力系數(shù)。改變流速可測出不同Re下的摩擦阻力系數(shù)，這樣就可得出某一相對粗糙度下的管子λ-Re關系。湍流區(qū)的摩擦阻力系數(shù)在湍流區(qū)內。對于光滑管，大量實驗證明，當Re在-范圍內，λ與Re的關系遵循Blasius關系式，及λ=0.3163/Re對于粗糙管，λ與Re的關系均以圖來表示。層流的摩擦阻力系數(shù)2.局部阻力式中，ξ為局部阻力系數(shù)，其與流體流過的管件的幾何形狀及流體的Re有關，當Re大到一定值后，ξ與Re無關，成為定值。實驗裝置流程圖及主要測試儀器表圖1流體阻力實驗裝置流程水箱；2、離心泵；3、自動測壓、測流量裝置；4、上水閥；5、高位水槽；6、層流管流量調節(jié)閥；7、閥門管線開關閥；8、球閥；9、截止閥；10、光滑管開關閥；11、粗糙管開關閥12、突然擴大管開關閥13、流量調節(jié)閥實驗操作要點1、啟動離心泵，打開被測管線上的開關閥及面板上與其相應的切換閥，關閉其他的開關閥和切換閥，保證測壓點一一對應。2、系統(tǒng)要排凈氣體使液體連續(xù)流動。設備和測壓管線中的氣體都要排凈，檢驗是否排凈的方法是當流量為零時，觀察U形壓差計中兩液面是否水平。3、讀取數(shù)據時，應注意穩(wěn)定后再讀。測定時，流量由大到小。充分利用面板量程測取10組數(shù)據，然后再由小到大測取幾組數(shù)據，以檢查數(shù)據的重復性。測定突然擴大管、球閥和截止閥的局部阻力時，各測取三組數(shù)據。層流管的流量用量筒與秒表測取。4、測完一根管的數(shù)據后，應將流量調節(jié)閥關閉，觀察壓差計的兩液面是否水平，水平時才能更換另一管路，否則全部數(shù)據無效。同時要了解各種閥門的特點，學會使用閥門，注意閥門的切換，同時要關嚴，防止內漏。實驗數(shù)據處理1、不銹鋼管（光滑管）：l=1.50md=0.0205m實驗時水溫為16.8℃，查表經計算得在該溫度下水的密度ρ=998.68kg/m3，該溫度下水的粘度μ=1.101mPa?s，經處理可得如下表格:次數(shù)流量

qv(m3/h)壓降

△p(kpa)流速

u/(m/s)雷諾數(shù)

Re阻力系數(shù)

λλ(Blasius)誤差w

（%）10.500.26330.42178250.040700.0336321.0220.700.41250.589109540.032530.030925.2230.920.62920.774143970.028730.028880.5241.130.90550.951176840.027400.027430.0951.411.29951.187220650.025260.025952.6761.822.04831.532284820.023900.024351.8672.393.37942.011374020.022860.022740.5282.904.73622.441453830.021760.021670.4293.506.60222.946547720.020830.020680.73103.817.71483.206596240.020540.020241.46以第一組數(shù)據為例，計算如下：流速=0.421m/s雷諾數(shù)阻力系數(shù)誤差w（%）=2、鍍鋅管（粗糙管）：l=1.50md=0.0220m次數(shù)流量

qv(m3/h)壓降

△p(kpa)流速

u/(m/s)雷諾數(shù)

Re阻力系數(shù)

λ10.470.21430.34368540.0533620.680.37030.49799160.0440530.860.55570.628125410.0413341.241.02570.906180820.0366951.521.46531.111221650.0348961.922.24471.403279980.0334972.363.22971.725344140.0319082.844.52812.075414140.0308893.406.28932.485495800.02993103.787.69332.762551210.02962以第一組數(shù)據為例，計算如下：流速=0.343m/s雷諾數(shù)阻力系數(shù)3、突然擴大管：d1=0.0160m,l1=0.140m;d2=0.0420m,l2=0.280m次數(shù)流量

qv(m3/h)壓降

△p(kpa)流速

u1/(m/s)流速

u2/(m/s)局部阻力

系數(shù)ξ11.050.16791.45060.21050.81915222.090.69592.88740.41900.81178333.071.62874.24140.61550.797624以第一組數(shù)據為例，計算如下：流速=1.4506m/s=0.2105m/s局部阻力系數(shù)最后求得局部阻力系數(shù)平均值ξ=0.809524、層流管：l=1.00md=0.0025m次數(shù)流量

qv(m3/h)壓降

△p(kpa)流速

u/(m/s)雷諾數(shù)

Re阻力系數(shù)λ(實驗值)阻力系數(shù)λ（理論值）誤差

（%）10.00361.03030.2044620.124290.1385410.2820.00441.25600.2495650.101430.1133510.5130.00692.01280.3908850.066100.072288.5540.00762.32050.4309750.062810.065624.2850.00973.23250.54912450.053710.051424.4760.01043.24780.58913350.046950.047962.1070.01254.07830.70716040.040810.039902.28流速=0.204m/s雷諾數(shù)阻力系數(shù)實驗結果及結論用Excel畫出摩擦阻力系數(shù)λ-雷諾數(shù)Re圖，分別見圖2和圖3：粗糙管（實測值）光滑管（實測值）粗糙管（實測值）光滑管（實測值）圖2摩擦阻力系數(shù)λ與雷諾數(shù)Re的關系(光滑管和粗糙管)圖3摩擦阻力系數(shù)λ與雷諾數(shù)Re的關系(層流管)1、對光滑管與粗糙管的實驗結果分析：（1）光滑管與粗糙管的摩擦阻力系數(shù)λ均隨雷諾數(shù)Re的增大非線性減小，當Re大到一定程度后，λ逐漸趨于一個定值，此后的流動可認為已進入阻力平方區(qū)。這是因為此時層流內層已薄到可以使管壁表面上的凸出物完全暴露在湍流核心之中。（2）對于光滑管，在實驗雷諾數(shù)下，λ與Re應遵循Blasius關系式，即λ（Blasius）＝0.3163／Re0.251.由圖2可知，當Re增大時，光滑管實測值與理論值比較接近，表明實驗比較準確。2.有些實驗點偏差較大，原因可能是由于管內氣泡并未完全排盡造成儀表示數(shù)跳動太大，以致讀數(shù)誤差較大。（3）對于粗糙管，在雷諾數(shù)Re相同時，粗糙管的摩擦阻力系數(shù)λ明顯大于光滑管。由此可以看到相對粗糙度ε/d對λ的影響。同Re條件下，ε/d大的管道，其λ也大。2、對層流管的實驗結果分析：（1）由層流管的λ-Re關系曲線可以看出，Re<2000時，摩擦阻力系數(shù)λ隨雷諾數(shù)Re呈對數(shù)線性減小，其關系符合λ＝64／Re。由圖3可以看出，在此范圍內實驗數(shù)據與理論值吻合較好。（2）Re>2000時，該關系已不存在，說明此時層流管已經不是層流狀態(tài)。3、對突然擴大管的實驗結果分析：突然擴大管的局部阻力系數(shù)在實驗條件下變化較小，平均值為0.8095。4、誤差分析：我認為實驗中出現(xiàn)誤差的原因有讀數(shù)不準確，調節(jié)儀器時狀態(tài)未處于完全穩(wěn)態(tài)，同時儀器也存在誤差。分析討論2、在不同設備、不同溫度下測定的λ-Re數(shù)據能否關聯(lián)在一條曲線上？答：能關聯(lián)到一條直線上。只有相對粗糙度相同才能關聯(lián)到一條曲線上，因為雷諾數(shù)Re和管壁的相對粗糙度ε/d這兩個變量中，ε/d是相同的，所以這種情況下才可以關聯(lián)到一條曲線上。3、以水為工作流體所測得的λ-Re關系能否適用于其他種類的牛頓型流體？答：能適用，因為實驗采用量綱分析法，其優(yōu)點是可以使變量的數(shù)目大大