北 京 化 工 大 学
实 验 报 告
课程名称： 化工原理实验 实验日期： 2008.10.29 班 级： 化工0602 姓 名：许兵兵
学 号： 200611048 同 组 人 ：汤全鑫 阮大江 阳笑天
流体流动阻力的测定
摘要
● 测定层流状态下直管段的摩擦阻力系数（光滑管、粗糙管和层流管）。
● 测定湍流状态不同（ε/d）条件下直管段的摩擦阻力系数（突然扩大管）。
● 测定湍流状态下管道局部的阻力系数的局部阻力损失。
● 本次实验数据的处理与图形的拟合利用Matlab 完成。
关键词
流体流动阻力 雷诺数 阻力系数 实验数据 Matlab
一、实验目的
1、掌握直管摩擦阻力系数的测量的一般方法；
2、测定直管的摩擦阻力系数λ以及突扩管的局部阻力系数ζ；
3、测定层流管的摩擦阻力
4、验证湍流区内λ、Re 和相对粗糙度的函数关系
5、将所得光滑管的Re -λ方程与Blasius 方程相比较。
二、实验原理
不可压缩流体（如水），在圆形直管中作稳定流动时，由于粘性和涡流的作用产生摩擦阻力；流体在流过突然扩大和弯头等管件时，由于流体运动的速度和方向突然发生变化，产生局部阻力。
影响流体流动阻力的因素较多，在工程研究中，利用因次分析法简化实验，引入无因此数群
雷 诺 数：
μρ
du =
Re
相对粗糙度： d ε
管路长径比： d l
可导出：
2)(Re,2u d d l p
⋅⋅=∆εφρ
这样，可通过实验方法直接测定直管摩擦阻力系数与压头损失之间的关系：
22u d l p
H f ⋅
⋅=∆=λρ
因此，通过改变流体的流速可测定出不同Re 下的摩擦阻力系数，即可得出一定相对粗糙度的管子的λ—Re 关系。
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至105的范围内，λ与Re 的关系遵循Blasius 关系式，即：
25
.0Re 3163.0=λ
对于层流时的摩擦阻力系数，由哈根—泊谡叶公式和范宁公式，对比可得：
Re 64=λ
局部阻力：
f H =2
2
u ⋅ξ [J/kg]
三、装置和流程
四、操作步骤
1、启动水泵，打开光滑管路的开关阀及压降的切换阀，关闭其它管路的开关阀和切换阀；
2、排尽体系空气，使流体在管中连续流动。
检验空气是否排尽的方法是看当流量为零时候U 形压差计的两液面是否水平；
3、调节倒U 型压差计阀门1、2、3、
4、5的开关，使引压管线内流体连续、液柱等高；
4、打开流量调节阀，由大到小改变10次流量（Re min ＞4000）,记录光滑管压降、孔板压降数据；
5、完成10组数据测量后，验证其中两组数据，确保无误后，关闭该组阀门；
6、测量粗糙管（10组）、突然扩大管（6组）数据时，方法及操作同上；
7、测量层流管压降时，首先连通阀门6、7、8、9、10所在任意一条回流管线，其次打开进入高位水灌的上水阀门11，关闭出口流量调节阀16；
8、当高位水灌有溢流时，打开层流管的压降切换阀，对引压管线进行排气操作；
9、打开倒U 型压差计阀门5，使液柱上升到n 型压差计示数为0的位置附近，然后关闭该阀门，检
图1 流体阻力实验装置流程图
1． 水箱 2．离心泵 3．孔板流量计 4．管路切换阀 5．测量管路 6．稳流罐 7．流量调节阀
查两边液柱是否等高；
＜2000），记录光滑管压降体积数据；
10、调节阀门16，改变6次流量（Re
max
11、所有实验完成后，关闭阀门、停泵、切断电源，清理实验台，整理所用仪器，填好原始数
据表格。
五、原始数据及处理
A、原始数据
18℃水的密度：ρ=998.2kg/m3
Pa
粘度：μ=1.0559×10-3s
B、数据处理整理
按照表后
表1.光滑管和粗糙管实验原始数据
表2.突然扩大管局部阻力系数测定原始数据
表3.层流管实验原始数据
如下面的示例方法，用Excel程序处理数据，计算结果如下：
表4.光滑管数据处理结果
表5.
表7.突然扩大管的数据处理结果
用Excel 程序处理数据方法示例：
（1）湍流时流量、流速、雷诺数以及摩擦阻力系数的计算： 如：由表1光滑管第一组数据： 流量
流速 3.50 s m 021.014.33600 4.36441
-2
2=⋅⨯⨯⨯===
d q A q u V V π -1s m ⋅ 雷诺数3-10
1.05992
.99850.302.0Re ⨯⨯⨯==μρdu =69453 摩擦阻力系数 由2
2
u d l p ⨯=∆ρλ得
0.01850.35.12.9988020
021.0222
2=⨯⨯⨯⨯=∆=
lu p d ρλ （2）突然扩大的阻力损失： 如表2第三组数据，计算得
4.231=u -1s m ⋅
0.61421623.42
2
2
1
12=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=⎪
⎪⎭
⎫ ⎝⎛=d
d u u -1s m ⋅ 由机械能守恒得 2
2212
2
21u u u p h f ξρ=-+∆= 2
1222121)()(2u u u p p ρρξ-+-=
2
2223.42.998)61.023.4(2.998)140(2⨯-⨯+⨯=
=1.107
六、实验结果讨论分析
（1）将上面光滑管和层流管的数据绘成双对数坐标图如下：
图6.1
结果分析一：
1、不锈钢管与镀锌钢管的摩擦阻力系数均随雷诺数的增大而减小，当雷诺数增加到一定值后，阻力系数减小的程度变缓，这是由于管壁大小、高度不等的凸出物相继暴露于湍流之中的缘故。
雷诺数在60000以上，它们的摩擦阻力系数基本不变，这是由于凸出物已完全暴露于湍流主体；
2、当Re相同时，不锈钢管与镀锌钢管的摩擦阻力系数明显不同，且后者高于前者，可见ε/d 越大，摩擦阻力系数也也越大；
3、相同Re条件下，不锈钢管与镀锌钢管的λ值大于水力学光滑管，可见前两者的相对粗糙度值并没有小到光滑管以下，其仍对λ有影响。
（2）对层流管迭代数据做双对数坐标如下：
当
结果分析二：
1、在层流范围内，摩擦阻力系数随雷诺数线性减小，且实验测量值与理论计算值相符； ·····
结果分析三：
1、突然扩大管的局部阻力系数受水流量（雷诺数）的影响不大，ζ≈0.63，与理论值基本相符。
八、思考题（4分）
2、在不同设备（包括相对粗糙度相同二内径不同）、不同温度下测定的λ-Re 数据是否能关联在一条曲线上？
答：只要ε/d 相同，λ～Re 的数据点就能关联在一条直线上。
3、以水为工作流体测定的λ-Re 曲线能否用于其他种类得牛顿型流体？为什么？
答: 适用，从)(Re,d
ε
λΦ=可以看出，阻力系数与流体具体流动形态无关，只与管径、粗糙度
等有关。
4、测出的直管摩擦阻力与设备的放置状态有关吗？为什么？ 答：无关。
机械能守恒式：
2
)()(2
2
2121
11u u gz p gz p h f -++-+=ρρ
U 形压差计读出的差值为
2
)(2
2
21u u gR h i f -+-=ρρ
所以f h 不变，λ就不变。
5.增加雷诺数的范围，由那些方法？
答：
μρ
du =
Re ， 可以加粗管径，增加流速等。
参考文献：
1、杨祖荣主编．化工原理实验．北京：化学工业出版社，2003
2、杨祖荣，刘丽英，刘伟．化工原理．北京：化学工业出版社，2002
3、陈敏恒，丛德滋，方图南，齐鸣斋编．化工原理．北京：化学工业出版社，1999。