流體流動(dòng)阻力的測(cè)定

化工原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告報(bào)告摘要流體阻力的大小關(guān)系到輸送機(jī)械的動(dòng)力消耗和輸送機(jī)械的選擇，測(cè)定流體流動(dòng)阻力對(duì)化工及相關(guān)過(guò)程工業(yè)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和科研具有重要意義。本實(shí)驗(yàn)利用由水箱、離心泵、光滑管、粗糙管、層流管、突然擴(kuò)大管及自動(dòng)測(cè)壓、測(cè)流量裝置等組成的裝置，以水為工作流體，在常溫常壓下測(cè)定了光滑管、粗糙管、層流管的摩擦阻力系數(shù)λ和突然擴(kuò)大管的局部阻力系數(shù)ξ，依據(jù)伯努利方程及Blasius關(guān)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(guān)系，驗(yàn)證了湍流區(qū)內(nèi)摩擦阻力系數(shù)λ為雷諾數(shù)Re和相對(duì)粗糙度ε/d的函數(shù)，并由測(cè)得的一系列數(shù)據(jù)得到了直管的λ-Re關(guān)系曲線，實(shí)驗(yàn)成功地完成了相關(guān)任務(wù)，達(dá)到了預(yù)期的目的。實(shí)驗(yàn)?zāi)康募叭蝿?wù)1、掌握測(cè)定流體流的阻力實(shí)驗(yàn)的一般實(shí)驗(yàn)方法。2、測(cè)定直管的摩擦阻力系數(shù)λ及突然擴(kuò)大管和閥門的局部阻力系數(shù)ξ。3、測(cè)定層流管的摩擦阻力。4、驗(yàn)證湍流區(qū)內(nèi)摩擦阻力系數(shù)λ為雷諾數(shù)Re和相對(duì)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。基本原理1.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(dòng)時(shí)，由于黏性和渦流的作用產(chǎn)生摩擦阻力；流體在流過(guò)突然擴(kuò)大、彎頭等管件時(shí)，由于流體運(yùn)動(dòng)的速度和方向突然變化，產(chǎn)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(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)，得到在一定條件下具有普遍意義的結(jié)果，其方法如下。流體流動(dòng)阻力與流體的性質(zhì)，流體流經(jīng)處的幾何尺寸以及流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，可表示為ΔP=f（d,l,u,ρ,μ,ε）引入下列無(wú)量綱數(shù)群。雷諾數(shù)Re=duρ/μ相對(duì)粗糙度ε/d管子長(zhǎng)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(guān)系，這種關(guān)系可用試驗(yàn)方法直接測(cè)得。式中—直管阻力，J/kg;L—被測(cè)管長(zhǎng)，m;D—被測(cè)管內(nèi)徑，m;—平均流速，m/s;λ—摩擦阻力系數(shù)。當(dāng)流體在一管徑為d的圓形管中流動(dòng)時(shí)，選取兩個(gè)截面，用U形壓差計(jì)測(cè)出這兩個(gè)截面間的靜壓強(qiáng)差，即為流體流過(guò)兩截面間的流動(dòng)阻力。根據(jù)伯努利方程找到靜壓強(qiáng)差和摩擦阻力系數(shù)的關(guān)系式，即可求出摩擦阻力系數(shù)。改變流速可測(cè)出不同Re下的摩擦阻力系數(shù)，這樣就可得出某一相對(duì)粗糙度下的管子λ-Re關(guān)系。湍流區(qū)的摩擦阻力系數(shù)在湍流區(qū)內(nèi)。對(duì)于光滑管，大量實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)Re在-范圍內(nèi)，λ與Re的關(guān)系遵循Blasius關(guān)系式，及λ=0.3163/Re對(duì)于粗糙管，λ與Re的關(guān)系均以圖來(lái)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(guò)的管件的幾何形狀及流體的Re有關(guān)，當(dāng)Re大到一定值后，ξ與Re無(wú)關(guān)，成為定值。實(shí)驗(yàn)裝置流程圖及主要測(cè)試儀器表圖1流體阻力實(shí)驗(yàn)裝置流程水箱；2、離心泵；3、自動(dòng)測(cè)壓、測(cè)流量裝置；4、上水閥；5、高位水槽；6、層流管流量調(diào)節(jié)閥；7、閥門管線開(kāi)關(guān)閥；8、球閥；9、截止閥；10、光滑管開(kāi)關(guān)閥；11、粗糙管開(kāi)關(guān)閥12、突然擴(kuò)大管開(kāi)關(guān)閥13、流量調(diào)節(jié)閥實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)1、啟動(dòng)離心泵，打開(kāi)被測(cè)管線上的開(kāi)關(guān)閥及面板上與其相應(yīng)的切換閥，關(guān)閉其他的開(kāi)關(guān)閥和切換閥，保證測(cè)壓點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。2、系統(tǒng)要排凈氣體使液體連續(xù)流動(dòng)。設(shè)備和測(cè)壓管線中的氣體都要排凈，檢驗(yàn)是否排凈的方法是當(dāng)流量為零時(shí)，觀察U形壓差計(jì)中兩液面是否水平。3、讀取數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)注意穩(wěn)定后再讀。測(cè)定時(shí)，流量由大到小。充分利用面板量程測(cè)取10組數(shù)據(jù)，然后再由小到大測(cè)取幾組數(shù)據(jù)，以檢查數(shù)據(jù)的重復(fù)性。測(cè)定突然擴(kuò)大管、球閥和截止閥的局部阻力時(shí)，各測(cè)取三組數(shù)據(jù)。層流管的流量用量筒與秒表測(cè)取。4、測(cè)完一根管的數(shù)據(jù)后，應(yīng)將流量調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，觀察壓差計(jì)的兩液面是否水平，水平時(shí)才能更換另一管路，否則全部數(shù)據(jù)無(wú)效。同時(shí)要了解各種閥門的特點(diǎn)，學(xué)會(huì)使用閥門，注意閥門的切換，同時(shí)要關(guān)嚴(yán)，防止內(nèi)漏。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1、不銹鋼管（光滑管）：l=1.50md=0.0205m實(shí)驗(yàn)時(shí)水溫為16.8℃，查表經(jīng)計(jì)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(jīng)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(jù)為例，計(jì)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(jù)為例，計(jì)算如下：流速=0.343m/s雷諾數(shù)阻力系數(shù)3、突然擴(kuò)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(jù)為例，計(jì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論用Excel畫出摩擦阻力系數(shù)λ-雷諾數(shù)Re圖，分別見(jiàn)圖2和圖3：粗糙管（實(shí)測(cè)值）光滑管（實(shí)測(cè)值）粗糙管（實(shí)測(cè)值）光滑管（實(shí)測(cè)值）圖2摩擦阻力系數(shù)λ與雷諾數(shù)Re的關(guān)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(guān)系(層流管)1、對(duì)光滑管與粗糙管的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(dāng)Re大到一定程度后，λ逐漸趨于一個(gè)定值，此后的流動(dòng)可認(rèn)為已進(jìn)入阻力平方區(qū)。這是因?yàn)榇藭r(shí)層流內(nèi)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(duì)于光滑管，在實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)下，λ與Re應(yīng)遵循Blasius關(guān)系式，即λ（Blasius）＝0.3163／Re0.251.由圖2可知，當(dāng)Re增大時(shí)，光滑管實(shí)測(cè)值與理論值比較接近，表明實(shí)驗(yàn)比較準(zhǔn)確。2.有些實(shí)驗(yàn)點(diǎn)偏差較大，原因可能是由于管內(nèi)氣泡并未完全排盡造成儀表示數(shù)跳動(dòng)太大，以致讀數(shù)誤差較大。（3）對(duì)于粗糙管，在雷諾數(shù)Re相同時(shí)，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(duì)粗糙度ε/d對(duì)λ的影響。同Re條件下，ε/d大的管道，其λ也大。2、對(duì)層流管的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：（1）由層流管的λ-Re關(guān)系曲線可以看出，Re<2000時(shí)，摩擦阻力系數(shù)λ隨雷諾數(shù)Re呈對(duì)數(shù)線性減小，其關(guān)系符合λ＝64／Re。由圖3可以看出，在此范圍內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論值吻合較好。（2）Re>2000時(shí)，該關(guān)系已不存在，說(shuō)明此時(shí)層流管已經(jīng)不是層流狀態(tài)。3、對(duì)突然擴(kuò)大管的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：突然擴(kuò)大管的局部阻力系數(shù)在實(shí)驗(yàn)條件下變化較小，平均值為0.8095。4、誤差分析：我認(rèn)為實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)誤差的原因有讀數(shù)不準(zhǔn)確，調(diào)節(jié)儀器時(shí)狀態(tài)未處于完全穩(wěn)態(tài)，同時(shí)儀器也存在誤差。分析討論2、在不同設(shè)備、不同溫度下測(cè)定的λ-Re數(shù)據(jù)能否關(guān)聯(lián)在一條曲線上？答：能關(guān)聯(lián)到一條直線上。只有相對(duì)粗糙度相同才能關(guān)聯(lián)到一條曲線上，因?yàn)槔字Z數(shù)Re和管壁的相對(duì)粗糙度ε/d這兩個(gè)變量中，ε/d是相同的，所以這種情況下才可以關(guān)聯(lián)到一條曲線上。3、以水為工作流體所測(cè)得的λ-Re關(guān)系能否適用于其他種類的牛頓型流體？答：能適用，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)采用量綱分析法，其優(yōu)點(diǎn)是可以使變量的數(shù)目大大