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：2010姓名：同组人：实验日期：2012.10.10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v q ，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22u l p d ρλ∆=，其中ρ为实验温度下流体的密度；流体流速24d q u v π=，以及雷诺数μρdu =Re （μ为实验温度下流体粘度），得出湍流区光滑直管和粗糙直管在不同Re 下的λ值，通过作Re -λ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222121pu uρζ∆+=-可求出突然扩大管的局部阻力系数，以及由Re64=λ求出层流时的摩擦阻力系数λ，再和雷诺数Re 作图得出层流管Re -λ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 （h f ，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]， h f [L 2 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＝μρa u b d c [M 0L 0T 0] =[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 /μl: π2＝l/d ε: π3＝ε/d h f : π4＝h f /u 2 5）原函数无量纲化0,,,2=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛d l d du u h F f εμρ 6）实验22,22u d l u dl d du h f ⋅=⋅⋅⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=λεμρϕ 摩擦系数：()d εϕλR e,=层流圆直管（Re<2000）：λ=φ（Re ）即λ=64/Re 湍流水力学光滑管（Re>4000）：λ=0.3163/Re 0.25湍流普通直管（4000<Re<临界点）：λ=φ（Re,ε/d）即⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=λελRe 7.182log 274.11d 湍流普通直管（Re>临界点）：λ=φ（ε/d）即⎪⎭⎫ ⎝⎛-=d ελ2log 274.112、局部阻力损失函数22u h f ζ= 局部阻力系数：（局部结构）ϕζ=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：,0.161mm d =mm l 1401=；粗糙管：21.5, 1.50d mm l m ==；光滑管：m l mm d 50.1,5.21==。

操作装置图如下：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；6、所有参数在仪表柜集中显示，水流量/m3•h-1，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：数据计算示例：1、 光滑管：近似取T=20.0℃时水的密度3998.2/Kg m ρ=，粘度 1.005mPa s μ=•以光滑管第一组数据为例：3322322998.2/, 4.1/,7314.5,21.5,, 1.5044 4.10/36003.138591/3.140.02150.0215 3.1385911000Re 67023.141.00510220.02157314.50.0213241.501000 3.138591B v v Kg m q m h p Pa d mm l mq u m s d du d p l u ρπρμλρ-==∆===⨯∴===⨯⨯⨯===⨯∆⨯⨯===⨯⨯0.250.25lasius 0.3163/Re 0.3163/67023.140.019658λ===关系式求得2、 粗糙管：以粗糙管第一组数据为例：34.12/v q m h =, 10468p Pa ∆=, 21.5d mm =, m l 50.1=∴2244 4.12/3600 3.153902/3.140.0215v q u m s d π⨯===⨯ , 30.0215 3.153902998.2Re 67350.081.00510du ρμ-⨯⨯===⨯ 22220.0215104680.0302221.50998.2 3.153902d p l u λρ∆⨯⨯===⨯⨯ 3、 突然扩大管：以第一组数据为例：33.5/v q m h =, 5256.5p Pa ∆=, ,0.161mm d = ,0.422mm d =∴122144 3.5/3600 5.089167/3.140.016v q u m s d π⨯===⨯ 222244 3.5/36000.702097/3.140.042v q u m s d π⨯===⨯ 22222125256.50.702097+2998.21=1-=0.5702074.18823pu u ρζ∆+⨯=-同理求出三组数据所对应的ε值，再求其平均值0.5702070.6321670.7422520.6482093ζ++==4、 层流管：以第一组数据为例：m l mm d 00.1,9.2==,5155.6,p Pa ∆=111V ml =,20t s =∴63111100.00000555/20v V q m s t -⨯=== , 22440.000005550.840673/3.140.0029v q u m s d π⨯===⨯ 30.00290.840673998.2Re 2421.4571.00510du ρμ-⨯⨯===⨯ ,22220.00295155.60.0423872251.00998.20.840673d p l u λρ∆⨯⨯===⨯⨯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ΔP 0=0 kPa ，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ΔP 0= 0 kPa ，水温度= 22.5℃表3. 突然扩张管的原始数据记录及处理结果一览表0.5702070.6321670.7422520.6482093ζ++==（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 ℃表3. 层流管的原始数据记录及处理结果一览表图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5310~103⨯范围内，λ与Re 的关系满足Blasius 关系式，即25.0Re /3163.0=λ；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Re64=λ特性曲线相近，证明在层流区λ与Re 的关系满足公式Re64=λ。

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？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？答：由μρdu =Re ，22u l p d ρλ∆=联立得：223Re 2μρλl p d ∆=，可知λ-Re 曲线受ρ、d 、l 、μ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5310~10Re =范围内，λ与Re 的关系式遵循Blasius 关系式，即25.0Re/3163.0=λ，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）答：与设备的放置状态无关。

由伯努利方程：fH gp g u z g p g u z ∑+++=++ρρ2222121122，12f 12z p pH z g ρ-=-+∑，其中g u d l H f 22•=∑λ。

因为U 型管所测得的即是两点间的势能差，即为1212()p p z z gρ--+，当R 相同时，三次的摩擦阻力系数也相等。