化工原理实验-流体流动阻力系数的测定实验报告————————————————————————————————作者: ————————————————————————————————日期:流体流动阻力系数的测定实验报告一、实验目的:1、掌握测定流体流动阻力实验的一般实验方法。
2、测定直管的摩擦阻力系数λ及突然扩大管和阀门的局部阻力系数ξ。
3、验证湍流区内摩擦阻力系数λ为雷诺系数Ｒe和相对粗糙度的函数。
4、将所得光滑管的λ—Re方程与Bｌasius方程相比较。
二、实验器材：流体阻力实验装置一套三、实验原理:1、直管摩擦阻力不可压缩流体(如水),在圆形直管中做稳定流动时，由于黏性和涡流的作用产生摩擦阻力;流体在流过突然扩大、弯头等管件时，由于流体运动的速度和方向突然变化,产生局部阻力。
影响流体阻力的因素较多，在工程上通常采用量纲分析方法简化实验，得到在一定条件下具有普遍意义的结果,其方法如下。
流体流动阻力与流体的性质，流体流经处的几何尺寸以及流动状态有关,可表示为△Ｐ＝f （d, l, ｕ,ρ,μ,ε)引入下列无量纲数群。
雷诺数Re=duρ／μ相对粗糙度ε/ d管子长径比l / d从而得到△P/(ρｕ2)=ψ(duρ/μ,ε／d, l / d)令λ＝φ(Re，ε/ d）△P/ρ＝(l/ d）φ(Re,ε/ d)ｕ２/2可得摩擦阻力系数与压头损失之间的关系,这种关系可用试验方法=△P／ρ＝λ（l ／d）u2／2直接测定。
hf——直管阻力，Ｊ/kg式中，hfｌ——被测管长，md——被测管内径，mu——平均流速，m/sλ——摩擦阻力系数。
当流体在一管径为ｄ的圆形管中流动时,选取两个截面,用U形压差计测出这两个截面间的静压强差,即为流体流过两截面间的流动阻力。
根据伯努利方程找出静压强差和摩擦阻力系数的关系式,即可求出摩擦阻力系数。
改变流速可测出不同Re下的摩擦阻力系数,这样就可得出某一相对粗糙度下管子的λ—Re关系。
(１)、湍流区的摩擦阻力系数在湍流区内λ=f(Re,ε/ d ）。
对于光滑管,大量实验证明,当R ｅ在３×103～105 范围内,λ和Ｒｅ的关系遵循Blasius 关系式，即 λ=0．３1６３ ／ R ｅ0.２5对于粗糙管，λ和Re 的关系均以图来表示。
2、 局部阻力h f =ξｕ2/2式中,ξ为局部阻力系数,其与流体流过的管件的几何形状及流体的Ｒe 有关，当Re 达到一定值后,ξ与R ｅ无关，成为定值。
四、实验步骤:1、 启动离心泵，打开被测管线上的开关阀及面板上与其相应的切换阀,关闭其他的开关阀和切换阀，保证测压点一一对应。
2、 排净系统中的气体以便使液体能连续流动。
设备和测压管线中的气体都要排净，观察U 形压差计中两液面是否水平,如果水平说明系统中气体已经排净。
3、 测定光滑管和粗糙管摩擦阻力,先将流量从小到大慢慢增加,并观察U 形压差计中两液面差，当液面差达到最大并等数据稳定后记录第一组数据,即此时的液体流量和压差。
接着将流量由大到小,每相差0.３m ３/h 左右侧一组数据。
充分利用面板量程测取10组数据，然后再由小到大测取几组数据,以检查数据的重复性（不记录数据）。
测定突然扩大管、球阀和截止阀的局部阻力时，各测取３组数据，具体步骤与侧量光滑管和粗糙管相同。
注意在记录整个实验的第一组数据时记录一次液体温度,记录最后一组数据时记录一次温度。
4、 测完一根管的数据后，应将流量调节阀关闭，观察压差计的两液面是否水平，水平时才能更换另一条管路，否则全部数据无效。
同时要了解各种阀门的特点,学会使用阀门,注意阀门的切换,同时要关严,防止内漏。
五、实验数据处理:在整个实验过程中，液体温度可由始末温度值之和的平均值代替，则有 t=（ｔ始+t 末)/2= （21.2＋２6.8)/2=２4℃此温度对应水的密度可由相关表查得，ρ=９97.２kg/ｍ3μ=０．91４2mPa ·Ｓ1、 求光滑管、粗糙管摩擦阻力系数λ和雷诺系数Re由公式u=Q/Ａ=３.54×1０2 Q/ｄ2得到流速，由公式Ｒe=du ρ/μ可求得雷诺数，由式ｈ f ＝△Ｐ/ρ=λ(l ／ ｄ）u ２/２ 可求得真实的λ，由Ｂlasiu ｓ关系式 λ’=0.3163 / Re 0.２5可求得理论λ’。
光滑管几何尺寸为 d =2１mm, l=1．5m,相对粗糙度 ε/ d=0．2/21=0.０1所求光滑管在不同流量下的u 、Re 、λ、λ’如下表:光滑管的相关数据如下表:序号 1 ２ 3 4 5 6 7 8 9 1０ Q ／ m 3 /h3.5０3．2２2.942.６62．３８2.101.82１.５41.260．98△P/kPａ6.８０５.83 4.93 ４．１4 ３．32 ２.70 2．12 1.5３ 1.09 0.７６u/m/s 2．８1 2.５8 ２．36 2．14 １.91 1.69 １．46 1．24 １.01 0．７９Re×10－4６.４４ 5.９1 5.4１ 4.90 4．38 3.87 3.34 ２．84２．３１1.81λ０．０24２0.０2460.0２４90.0254 0.02560．0２660.02７90.028０0.03000．034２λ’０．01９90．０２030.02０70.0２13０.0２19０．02２60．0２3４０.02４４0．０２570.0２73粗糙管几何尺寸为d=２２mm,ｌ＝1.5m，相对粗糙度ε/d＝0.3/22=0．0１4所求粗糙管在不同流量下的u、Re、λ、λ’如下表:粗糙管的相关数据表如下:序号 1 2 ３ 4 ５ 6 7 8 9 10Q/ m3 /ｈ3.6７３.37 3.07 2.77 2.47 2.171.８７１．５7 1.27 ０．９7△P/kPa ６.85 5.8９ 4.90 ４．０1 ３．22２.５41．９9 1．５2 1．03 0．６6u/m／s2．68 ２.46 2.25 2.0３1．８1 1.５9 1．37 1.1５0．93 0.71 Re×10-46.43 5.90 ５．40 4.8７４．34 3.8２ 3.29 2.76 2.２3 1．7０λ０.0280 0.０286０.0２８50.02８6０.0２８9０.02９50．０３120.0３３８0.0350０.0３８５λ’0.019９０.０2030．020７0.0２１３0.021９0.０2260.０２３5０．0245 0.0259 0.02772、求局部阻力系数ξ由公式u=Q／A＝３.５4×1０2Q/d2得到流速，由式h f=△P/ρ=ξu2/2可得到ξ。
其中，扩大管的管径取ｄ=1６mm，球阀和截止阀的管径取d=２0mm。
所求得各数据如下表:扩大管、球阀管、截止阀管的相关数据表如下：序号扩大管球阀截止阀1 2 3 1 2 3 １ 2 3Q/ m３/h 3.５0 ２.７0 1.9０3．52 2.72 1.９２ 1.41 1．06 0.71 △P/kＰａ４.55 1.64 0．27 3.44 １.６2 0.91 6．69 3.84 1.78 u/m/s 4.84 3．７３ 2.６3 3．12 2.41 1.７0 1.25 0.９4 0.6３ξ0．3904 0.2369 0．0803 0.7１０3０.5606 0．6329 ８.６06 8．73５9.01４3、 所得湍流时λ—Re —ε/ d 关系图如下：摩擦阻力系数λ与Re的关系0.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0094.5674.043.5122.9862.4591.9331.404Re×10^4摩擦阻力系数λ粗糙管光滑管对数 (粗糙管)对数 (光滑管)摩擦阻力系数λ与Re的关系0.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0081.4041.9332.4592.9863.5124.044.567Re×10^4摩擦阻力系数λ粗糙管光滑管对数 (粗糙管)对数 (光滑管)六、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?设备中要是还有空气未排净将使设备中液体不能连续地流动,势必影响实验结果。
在接通水泵电源以后，再打开流量调节阀门,使之大流量输出便可迅速有效地排净设备中的空气。
（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？不能关联到一条曲线上。
(3）、测出的直管摩擦阻力与设备的放置状态有关吗?为什么？有关系。
由ｈ f =（P 1/ρ+z 1g )-( Ｐ2/ρ+ ｚ２g ) =△P ／ρ可知，阻力损失均主要表现为流体势能的降低,即△Ｐ/ρ,只有当管道水平放置时,才能用△P 代替△P 。
当不是水平管时△P 还包含了高度差所产生的势能差，所以如果不是水平管，则所求的摩擦阻力值要比实际的摩擦阻力要大。
（4)、如果要增加雷诺数的范围,可采取哪些措施?可以同时增大管径和管内水的流量，或者用密度大、黏度小的液体进行试验。