流体阻力实验报告

化工原理实验

北京化工大学

化工原理实验报告

实验名称：流体流动阻力测定 班 级：化工10 学 号： 姓 名： 同 组 人：

实验日期：2012.10.10

化工原理实验

流体阻力实验

一、摘要

通过测定不同阀门开度下的流体流量qv，以及测定已知长度l和管径d的光滑直管和粗糙直管间的压差 p，根据公式 2d p，其中 为实验温度下流体的密度；流体流速

l u2

u

4qv

，以及雷诺数Re du （ 为实验温度下流体粘度），得出湍流区光滑直管和粗糙2

d

直管在不同Re下的λ值，通过作 Re双对数坐标图，可以得出两者的关系曲线，以及和光滑管遵循的Blasius关系式比较关系，并验证了湍流区内摩擦阻力系数λ为雷诺数Re和相对粗糙度ε/d的函数。由公式 1

2

u2

2 p

可求出突然扩大管的局部阻力系数，以及由

1

u

64求出层流时的摩擦阻力系数 ，再和雷诺数Re作图得出层流管 Re

Re关系曲线。

关键词：摩擦阻力系数 局部阻力系数 雷诺数Re 相对粗糙度ε/d

二、实验目的

1、掌握测定流体流动阻力实验的一般试验方法；

2、测定直管的摩擦阻力系数λ及突然扩大管的局部阻力系数ζ； 3、测定层流管的摩擦阻力系数λ；

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ε/d的函数； 5、将所得光滑管的λ-Re方程与Blasius方程相比较。

三、实验原理

1、直管阻力损失函数：f（hf，ρ，μ，l，d，ε,u）=0

应用量纲分析法寻找hf（ΔP /ρ）与各影响因素间的关系 1）影响因素

物性：ρ，μ设备：l，d，ε操作：u（p,Z） 2）量纲分析

ρ[ML-3]，μ[ML-1 T-1]，l[L]，d[L]，ε[L]，u[LT-1]，hf [L2 T-2] 3）选基本变量（独立，含M，L，T） d，u，ρ（l，u，ρ等组合也可以） 4）无量纲化非基本变量

μ：π1＝μρaubdc[M0L0T0] =[ML-1 T-1][ML-3]a[LT-1]b[L]c a=-1,b=-1,c=-1 变换形式后得：π1＝ρud /μ l:π2＝l/dε:π3＝ε/dhf:π4＝hf/u2 5）原函数无量纲化 hfdu l

0 F ,,,

u2

d

d

6）实验

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hf

du lu2lu2 ,d d 2 d 2

摩擦系数： Re, d

层流圆直管（Re<2000）：λ=φ（Re）即λ=64/Re

0.25

湍流水力学光滑管（Re>4000）：λ=0.3163/Re

2 18.7 湍流普通直管（4000<Re<临界点）：λ=φ（Re,ε/d）即1 1.74 2log

dRe

2 湍流普通直管（Re>临界点）：λ=φ（ε/d）即1 1.74 2log

d

2、局部阻力损失函数

u2局部阻力系数： hf 2

（局部结构）

考虑流体阻力等因素，通常管道设计液速值取1～3m/s，气速值取10～30m/s。

大多数阀门：顺时针旋转是关闭，逆时针旋转是打开。

四、实验流程

层流管：d 2.9mm，l 1.00m；突然扩大管：d1 16.0mm,l1 140mm；粗糙管：

d 21.5mm,l 1.50m；光滑管：d 21.5mm,l 1.50m。

操作装置图如下：

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五、实验操作

1、关闭流量调节阀门，启动水泵；

2、调整阀门V1～V5开关，确定测量管路；

3、打开对应引压管切换阀门和压差传感器阀门，进行主管路、测压管路排气； 4、排气结束，关闭传感器阀门，检查其数值回零，否则继续排气； 5、确定量程，布点，改变水流量测多组数据；

3-1

6、所有参数在仪表柜集中显示，水流量/m h，压降/kPa，温度/℃； 7、层流实验水流量由量筒和秒表测出；

8、测完所有数据，停泵，开传感器排气阀，关闭切换阀门； 9、检查数据，整理好仪器设备，实验结束。

六、实验数据处理

原始数据如下表：

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数据计算示例：

1、 光滑管：近似取T=20.0℃时水的密度 998.2Kg/m以光滑管第一组数据为例：

3

，粘度 1.005mPa s

998.2Kg/m3,qv 4.1m3/h, p 7314.5Pa,d 21.5mm,,l 1.50m

u

4qv4 4.10/3600

3.138591m/s d23.14 0.02152

du 0.0215 3.138591 1000Re 67023.14

1.005 10 32d p2 0.0215 7314.5 0.021324

l u21.50 1000 3.1385912

Blasius关系式求得 0.3163/Re0.25 0.3163/67023.140.25 0.019658

2、 粗糙管：

以粗糙管第一组数据为例：

qv 4.12m3/h, p 10468Pa, d 21.5mm, l 1.50m

du 0.0215 3.153902 998.2

, u 4qv2 4 4.12/3600Re 67350.08 3.153902m/s2 3

d3.14 0.0215 1.005 10

2d p2 0.0215 10468

0.030222 22

l u1.50 998.2 3.153902

3、 突然扩大管：

以第一组数据为例：

qv 3.5m3/h, p 5256.5Pa, d1 16.0mm,d2 42.0mm,

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4qv4 3.5/3600 u1 4qv2 4 3.5/3600 5.089167m/su2 0.702097m/s 222

d1

3.14 0.016

d2

3.14 0.042

2

u2

2 p

1

2

1

0.7020972+2 =1-

u

5256.5

=0.570207 2

4.18823

同理求出三组数据所对应的

值，再求其平均值

0.570207 0.632167 0.742252

3

0.648209

4、 层流管：

以第一组数据为例：

d 2.9mm,l 1.00m, p 5155.6Pa,V 111ml,t 20s

10 6

qv Vt 11120 0.00000555m3/s , u 4qv4 0.00000555 d2 3.14 0.0029

2

0.840673m/s Re

du 0.0029 0.840673 998.2

1.005 10

3 2421.457

2d p2 l u2 0.0029 5155.6

1.00 998.2 0.8406732

0.042387225

按照以上方法将实验数据处理如下表所示：

⑴ 光滑管：l=1.50 m ，d=21.5mm，压降零点修正ΔP0=0kPa，水温度= 20.6 ℃

表1.光滑管的原始数据记录及处理结果一览表

,

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粗糙管：l=1.50 m ，d= 21.5mm，压降零点修正ΔP0= 0 kPa，水温度=21.6℃

表2.粗糙管的原始数据记录及处理结果一览表

根据以上数据做出散点图如下：

图3.光滑管和粗糙管的λ与Re的关系散点图

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将上图修正处理，得到曲线图如下

图4.光滑管和粗糙管的λ与Re的关系以及Blasius公式比较

（3）突扩管：d1=16.0mm，d2=42.0mm，压降零点修正ΔP0= 0 kPa，水温度= 22.5℃

0.570207 0.632167 0.742252

0.648209

3

（4）层流管：l= 2.9mm，d= 1.00 m，压降零点修正ΔP0= 0 kPa，水温度= 23.1℃

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图6.层流管的λ与Re的关系

七、实验结果分析：

由上面图表中的数据信息可以得出以下结论：

1、 流动进入湍流区时，摩擦阻力系数λ随雷诺数Re的增大而减小。至足够大的Re

后，λ-Re曲线趋于平缓；

2、 实验测出的光滑管λ-Re曲线和利用Blasius关系式得出的λ-Re曲线比较接近，说

明当Re在3 10~10范围内，λ与Re的关系满足Blasius关系式，即

3

5

0.3163/Re0.25；图像有误差可能原因是在调节流量和时间控制中未把握好，人

为造成了实验误差。包括流量的控制大小以及压降度数误差等。 3、 突然扩大管的局部阻力系数随流量的减小而增大；

4、 在Re<2000范围内，流体流动为层流，实验所得层流管的摩擦阻力系数λ随Re的

变化趋势与公式 64特性曲线相近，证明在层流区λ与Re的关系满足公式 64。

Re

Re

Re超过2000后明显与特征曲线相差变大，证明Re大于2000不符合特征曲线。 5、 主要实验误差来源：实验过程中水的温度不断改变，数据处理中仅取初始温度20

度；压力差计量表的数据在不断变化，读取的是一个瞬时值。

八、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？

化工原理实验

答：在流动测定中气体在管路中，对流动的压力测量产生偏差，在实验中排出气体，保证流体的连续，这样流体的流动测定才能准确。

先打开出口阀排净管路中的空气，然后关闭出口阀开U形压差计的排气阀。 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？

3

答：由Re du ， 2d p联立得： 2d p，可知λ-Re曲线受ρ、d、l、μ

l u2lRe2 2等的影响，故不一定能关联到一条曲线上。

3、以水为工作流体所测得的λ-Re关系能否适用于其他种类的牛顿型流体？为什么？

答，不能，因为由实验证明在湍流区Re 10~10范围内，λ与Re的关系式遵循Blasius关系式，即 0.3163/Re

0.25

3

5

，而Re的值与流体密度、粘度等物理性质有关，不

同流体物理性质不同，所以不适用。 4、测出的直管摩擦阻力与设备的放置状态有关吗？为什么？（管径、管长相同，且R1=R2=R3）

22

答：与设备的放置状态无关。由伯努利方程：z u1 p1 z u2 p2 H，

12f

2g g2g g

p1 p2，其中 H l u。因为U型管所测得的即是两点间的势能

f Hf z1 z2 g

d2g

2

差，即为(z1 z2)

p1 p2

，当R相同时，三次的摩擦阻力系数也相等。

g

5、如果要增加雷诺数的范围，可采取哪些措施？

答：根据Re du 更改管径，更改流体温度，从而更改流体的粘度和密度。

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流体流动阻力的测定

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