生物系统传输过程实验报告实验报告课程名称：生物系统传输过程实验指导老师：叶章颖 成绩：______ 实验名称：流体流动时摩擦阻力系数的测定 实验类型：__探究型实验__ 一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填）一、实验目的测定流体流动时的沿程阻力系数和局部阻力系数及不同流型下直管沿程阻力系数λ随雷诺数Re 的变化关系。

掌握流量压强的测量方法。

二、实验装置1.实验设备的基本情况实验流程示意图见图1。

水泵2将储水槽1中的水抽出，送入实验系统，首先经玻璃转子流量计15、16测量流量，然后送入被测直管段测量流体在光滑管或粗糙管的流动阻力，或经10测量局部阻力后回到储水槽，水循环使用。

被测直管段流体流动阻力△p 可根据其数值大小分别采用变送器12或空气-水倒置∪型管22来测量。

图1 流动阻力实验流程示意图1-水箱；2-离心泵；3、4-放水阀；5、13-缓冲罐；6-局部阻力近端测压阀；7、15-局部阻力远端测压阀；8、20-粗糙管测压回水阀；9、19-光滑管测压回水阀；10-局部阻力管阀；11-U 型管进水阀；12-压力传感器；14-流量调节阀； 15、16-水转子流量计；17-光滑管阀；18-粗糙管阀； 21-倒置U 型管放空阀；22-倒置U 型管；23-水箱放水阀；24-放水阀；专业：生物系统工程 姓名：邵建智 学号：3110100122 日期：2013.9.30 地点： 院楼D2282.设备的主要技术数据（1） 被测光滑直管段： 管径d —0.008m ； 管长L —1.69m ； 材料—不锈钢管被测粗糙直管段： 管径 d —0.010m ； 管长L —1.69m ； 材料—不锈钢管 （2）被测局部阻力直管段: 管径 d —0.015m ；管长 L —1.2m ； 材料—不锈钢管 （3）压力传感器: 型号:LXWY 测量范围: 200 KPa （4）直流数字电压表: 测量范围: 0 ～ 200 KPa （5）离心泵: 型号: WB70/055 流量: 8(m 3／h) 扬程: 12(m) 电机功率: 550(W) （6）玻璃转子流量计:型号 测量范围 精度 LZB —40 100～1000(L ／h) 1.5 LZB —10 10～100(L ／h) 2.5 3.实验设备的功能与特点本实验装置可用于实验教学和科研。

利用该实验装置，可学习和掌握光滑直管、粗糙直管的阻力系数与雷诺准数的测量方法；也可学习局部阻力的测量方法；学习几种压差测量方法；加深对流体流动阻力概念的理解。

本实验装置的特点：⑴ 本实验装置数据稳定，重现性好，能给实验者明确的流体流动阻力概念。

⑵ 雷诺准数的数据范围宽，可作出102～104三个数量级。

能够测量出光滑管、粗糙管的阻力系数与雷诺准数的关系，同时也可以测量阀门局部阻力。

⑶ 实验采用循环水系统，节约实验费用。

⑷ 测量系统采用量程不同的两种流量计和压差测量仪表，测量精度较高。

⑸ 采用压力传感器—数字表系统,测量大流量下的流体流动阻力, 实验数据稳定可靠。

三、实验原理1. 直管摩擦系数λ与雷诺数Re 的测定直管的摩擦阻力系数是雷诺数和相对粗糙度的函数，即)/(Re,d f ελ=，对一定的相对粗糙度而言，(Re)f =λ。

流体在一定长度等直径的水平圆管内流动时，其管路阻力引起的能量损失为：gP g P P h ff ρρ∆=-=21 （1） 又因为摩擦阻力系数与阻力损失之间有如下关系（范宁公式）gu d l h gP f f22λρ==∆ （2）整理（1）（2）两式得22u P l d f∆⋅⋅=ρλ （3）μρ⋅⋅=u d Re （4）式中：-d 管径，m ；-∆f P 直管阻力引起的压强降，Pa ； -l 管长，m ； -u 流速，m / s ； -ρ流体的密度，kg / m 3；-μ流体的粘度，N ·s / m 2。

在实验装置中，直管段管长l 和管径d 都已固定。

若水温一定，则水的密度ρ和粘度μ也是定值。

所以本实验实质上是测定直管段流体阻力引起的压强降△P f 与流速u （流量V ）之间的关系。

根据实验数据和式（3）可计算出不同流速下的直管摩擦系数λ，用式（4）计算对应的Re ，从而整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系，绘出λ与Re 的关系曲线。

2. 局部阻力系数ζ的测定g u g P h f f 22'ζρ=∆=' （5） 2'2u P f∆⋅⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=ρζ （6）式中：-ζ局部阻力系数，无因次； -∆'f P 局部阻力引起的压强降，Pa ；-'f h 局部阻力引起的能量损失，J ／kg 。

图3 局部阻力测量取压口布置图局部阻力引起的压强降'f P ∆ 可用下面的方法测量：在一条各处直径相等的直管段上，安装待测局部阻力的阀门，在其上、下游开两对测压口a-a ’和b-b ＇，见图3，使ab ＝bc ； a ＇b ＇＝b ＇c ＇ 则 △P f ，a b ＝△P f ，bc ； △P f ，a ＇b ＇= △P f ，b ＇c ＇ 在a~a ＇之间列柏努利方程式： P a －P a ＇ =2△P f ，a b +2△P f ，a ＇b ＇+△P＇f （7）在b~b ＇之间列柏努利方程式： P b －P b ＇ = △P f ，bc +△P f ，b ＇c ＇+△P ＇f= △P f ，a b +△P f ，a ＇b ＇+△P ＇f （8） 联立式（7）和（8），则：'f P ＝2（P b －P b ＇）－（P a －P a ＇）为了实验方便，称（P b －P b ＇）为近点压差，称（P a －P a ＇）为远点压差。

用差压传感器来测量。

四、实验内容⒈ 向储水槽内注水，直到水满为止。

(有条件最好用蒸馏水，以保持流体清洁) ⒉ 直流数字表的使用方法请详细阅读使用说明书。

⒊ 大流量状态下的压差测量系统，应先接电预热10～15分钟，纪录数字表的初始值，然后启动泵进行实验。

⒋ 光滑管阻力测定：⑴ 关闭粗糙管阀18、粗糙管测压进水阀20、粗糙管测压回水阀8，将光滑管阀17、光滑管测压进水阀19、光滑管测压回水阀9全开。

⑵ 在流量为零条件下，检查导压管内是否有气泡存在。

若倒置U 型管内液柱高度差不为零，则表明导压管内存在气泡，需要进行赶气泡操作。

导压系统如图2所示。

操作方法如下：开大流量，打开倒置U 型管与实验管路相通的阀11，使倒置U 型管内液体充分流动，以赶出管路内的气泡；若认为气泡已赶净，将流量调节阀关闭；关闭连通阀11，慢慢旋开倒置U 型管上部的放空阀21，分别缓慢打开阀3、4，使液柱降至中点上下时马上关闭，管内形成气-水柱。

然后关闭放空阀21。

看U 型管内的水拄是否相平，相平及为管路中无气泡存在，相反就要继续上述操作过程。

图2 导压系统示意图3,4-排水阀;8-粗糙管测压回水阀;9-光滑管测压回水阀；11- U 型管进水阀；12-直管压力传感器；20-粗糙管测压进水阀；21- U 型管放空阀;22-U 型管⑶ 该装置两个转子流量计并联连接，根据流量大小选择不同量程的流量计测量流量。

⑷ 差压变送器与倒置U 型管也是并联连接，用于测量直管段的压差，小流量时用倒置∪型管压差计测量，大流量时用差压变送器测量。

应在最大流量和最小流量之间进行实验，一般测取15～20组数据。

建议当流量小于300L／h时,只用倒置∪型管来测量压差。

⒌粗糙管阻力测定：关闭光滑管阀17、光滑管测压进水阀19、光滑管测压回水阀9，全开阀18，旋开粗糙管测压进水阀20、粗糙管测压回水阀8，逐渐调大流量调节阀，赶出导压管内气泡。

⑵从小流量到最大流量，一般测取15~20组数据。

⑶直管段的压差用差压变送器测量。

光滑管和粗糙管直管阻力的测定使用同一差压变送器，当测量光滑管直管阻力时，要把通向粗糙管直管阻力的阀门关闭；同样当测量粗糙管直管阻力时，要把通向光滑管直管阻力的阀门关闭。

⒋局部阻力测定关闭阀门17和18，部分开或半开阀门10，改变流量，用差压变送器测量远点、近点压差。

远点、近点压差的测量使用同一差压变送器。

当测量远点压差时，要把通向近点压差的阀门关闭；同样当近点压差时，要把通向远点压差的阀门关闭。

⒌测取水箱水温。

⒍待数据测量完毕，关闭流量调节阀，停泵。

五、实验数据记录与处理表1 光滑管数据表表2 粗糙管数据表序号Q（l/h）ΔP（KPa）u（m/s）Re λ1 1000153.2 3.53857041831539.720450.1450435272 900121.4 3.18471337628385.748410.1418970133 80099.4 2.83085633425231.776360.1470435564 70081.3 2.47699929222077.804320.157084765 60062.2 2.12314225118923.832270.163578976 40030 1.41542816712615.888180.1775173717 2008.60.7077140846307.9440910.2035532528 100 2.20.3538570423153.9720450.208287049表3 局部阻力实验数据表三、局部阻力实验数据表管内径15.0mm、管长1.69米、 t=26.2℃、μ＝1.12×10-3 (pa.s)、ρ＝998.27(Kg／m3)序号Q（1/h）近端压差远端压差u（m/s）局部压力差(KPa)阻力系数ζ1 1000 1.7 2.8 1.572697963 0.6 0.4860070592 800 1.1 1.8 1.258158371 0.4 0.5062573533 600 0.6 1.1 0.943618778 0.1 0.2250032684 400 0.3 0.6 0.629079185 0 05 200 0.1 0.2 0.314539593 0 0λ-Re 图六、实验结果与分析λ-Re 曲线图如图所示1. 在光滑管和粗糙管中，摩擦阻力系数均随着雷诺数的增大而减小，且粗糙管中摩擦阻力系数减小得更快。

2. 从图中可以明显看出，粗糙管中的摩擦阻力系数比光滑管中的摩擦阻力系数大，在雷诺数大于30000时，曲线均趋于平稳，两管的摩擦阻力系数均基本恒定，粗糙管的摩擦阻力系数为0.15左右，光滑管的摩擦阻力系数为0.02左右。

七、思考与讨论1.为什么当流量为零时，空气—水倒置U 型管内两液柱的高度差应为零？由公式gu d l gP f 22λρ=∆ 可知，当流量为零，即0u =时，0P f =∆，f P ∆为直管阻力引起的压强降，所以压降为零，即代表高度差为零，当流量不为零，u 不为零，则高度差也不为零。