化工原理实验报告(流体流动阻力测定)

化工原理实验报告

实验名称：流体流动阻力测定

班级：化实1101

学号：2011011499

姓名：张旸

同组人：陈文汉，黄凤磊，杨波

实验日期：2013.10.24

一、报告摘要

通过测定阀门在不同的开度下的流体流量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2

2u 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μ

ρdu =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，并通过作Re -λ双对数坐标图，以得出两者的关系示意曲线，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2

22

1

21p

u u

ρζ?+

=-

可求出突然扩大管的局部阻力系数，以

及由Re 64=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。

二、实验目的及任务

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Blas ius 方程相比较。

三、实验原理

1、不可压缩液体在圆形直管中做稳定流动时，由于粘性和旋流作用产生摩擦阻力，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。影响流体的阻力因素较多，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。

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h f （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 /μ

l: 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

2

2,22u d l u d

l d du h f ?=??

???? ?

?=λεμ

ρ? 摩擦系数：()d ε?λRe,= 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

??

? ??+-=λελ

Re 7.182log 274.11d

湍流普通直管（Re>临界点）：λ=φ（ε/d ）即?

?? ??

-=d ελ

2log 274.11

对于粗糙管，λ与Re 的关系均以图来表示

2、局部阻力损失函数

2

2

u h f ζ= 局部阻力系数：（局部结构）?ζ=

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

光滑管：d=20.5mm,l=1.50m 粗糙管：d=22.0mm ,l=1.50m ；

突然扩大管：d 1=16.0mm mm l 1401 d 2=42.0mm ，l 2=280mm ； 层流管：d=2.7mm ，l=1.00m ； 操作装置图如下：

主要测试仪器

本实验中有三个需要测定记录的物理量。其中：

流量的测量使用的是孔板流量计，通过流量计可以直接读出，流过管路的水的流量。

对于压差的测量使用的是压力计，通过安装在管路上的压力表可以直接读出管路两端水流过后的压力降。

对于温度的测量则是直接通过管路上安装的温度表读出。

试验中要改变的物理量主要是水的流量，这一点是通过调节流量调节阀进行控制，由于我们后来的作图采用的是双对数作图，所以流量分配并不均匀，所以起始的时候速度应多取一些，使Re-λ的对数曲线尽量均匀。

对于层流状态，由于需要保证管路中的流动为静态过程，所以需要一个高位槽和溢流管保证高位槽液面的稳定，从而达到保证位压头的恒定。对于层流流量的测量，由于流量较少，所以孔板流量计并不能读出流量，所以采用的是直接计算单位时间内水的体积，使用秒表测量时间，量筒测定体积，由于流量不断调大，所以水的体积应不断增加，起始体积可以在70-80ml，随水量增加，量筒中水的体积也应当不断增加

五、实验操作

1、关闭流量调节阀门，关闭管路上阀门，启动水泵；

2、打开管路上所有阀门，调节流量，直至全开，进行管路排气；

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，关闭所有传感器阀门，检查其数值是否回零（或零附近），否则需要继

续排气；

5、关闭除光滑管管路之外的所有阀门，将光滑管上的测压管路传感器阀门打开，调节

流量调节阀门，改变流量，从仪表柜上可以读出管路的水流量水流量/m3?h-1，温度/℃，通过管路上安置的压力传感器，可以读出光滑管路压差/kPa；

6、不断调节流量调节阀门，改变水流量，测多组数据，注意流量分布前密后疏，尽量

使取对数后分布均匀，数据取10组；

7、光滑管路测量完毕后，打开粗糙管管路控制阀门，关闭光滑管管路控制阀门和光滑

管上压力传感器阀门，再打开粗糙管上压力传感器阀门，重新排气。调节流量调节阀门，测定并记录一系列的水流量水流量/m3?h-1，温度/℃，粗糙管管路压差/kPa数据，取值同样注意前密后疏，尽量保证数据均匀，取10组数据；

8、粗糙管理测量完毕后，打开突然扩大管管路控制阀门，关闭粗糙管管路控制阀门和

粗糙管上压力传感器阀门，再打开突然扩大管上压力传感器阀门，重新排气。调节流量调节阀门，测定并记录一系列的水流量水流量/m3?h-1，温度/℃，突然扩大管管路压差/kPa数据，取3组数据；

9、关闭突然扩大管管线上的阀门，打开层流管阀门，调节流量控制阀使高位槽产生并

保持溢流状态，打开层流管出水口，使水流缓慢流下，打开层流管路上压力传感器阀门，用量筒和秒表记录流出水的体积/ml和时间/s，并记录此时压差/kPa，调节层流管出水量，改变层流流速，记录每个流速下对应流出水的体积/ml和时间/s，压差/kPa，记录6组数据；

10、测完所有数据，停泵，开传感器排气阀，关闭切换阀门；

11、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：T=21.8℃时水的密度ρ=998.2kg/m 3，粘度s mPa ?=005.1μ

以光滑管第一组数据为例：

q v =3.84m 3/h, △p=7.780kpa, d=20.5mm, l=1.50m u=4q v /(3.14 d 2

)=4*3.84/3600/3.14/ 0.02052=3.233m/s Re=du ρ/μ=0.0205*3.233*998.2/0.001005=65834.98. 由公式△p/ρ=λlu 2/2d λ=0.0204 Blasius 关系式求得

λ=0.3163/Re 0.25=0.3163/65920.26 0.25=0.01974

2、粗糙管：

以粗糙管第一组数据为例：

q v =3.85m 3/h, △p=8.424kpa, d=22.0mm, l=1.50m u=4q v /(3.14 d 2)=4*3.85/3600/3.14/ 0.0222=2.815m/s Re=du ρ/μ=0.022*2.815*998.2/0.001005=61505.9874 由公式△p/ρ=λlu 2/2d λ=0.03124

3、突然扩大管： 以第一组数据为例:

q v=3.63m3/h, △p=4.551kpa, d1=16.0mm l1=140mm d2=42.0mm l2=280mm u1=4 q v/3.14/ d2=4*3.63/3600/3.14/0.0162=5.01758

u2=4 q v/3.14/ d2=4*3.63/3600/3.14/0.0422=0.7281

ξ=1-（u22 +2△p/ρ）/u12=1-(0.728172+2*4.551)/5.01758=0.617

4、层流管：

以第一组数据为例：

q v=49.0m3/min, △p=0.565kpa, d=2.7mm, l=1.00m

u=4 q v/3.14/ d2=4*49.0*0.000001/60/3.14/0.00272 =0.1427m/s

Re= duρ/μ=0.0027*0.1427*998.2/0.001005=382.70

△p/ρ=λlu2/2d

λ=0.1501

按照以上方法将实验数据处理如下表所示：

光滑管、粗糙管的λ与Re的关系

其中：C为光滑管E为粗糙管B为标准值

（2）突然扩大管：d1=16.0mm ，d2=42.0mm ，l1=140mm ，l2=280mm水温度= 20.0 ℃

突然扩张管的原始数据记录及处理结果一览表

=0.67810547

平均

（3）层流管：d= 2.7mm ，l=1.00 m，，水温度= 20.0 ℃

层流管的原始数据记录及处理结果一览表

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、当Re>4000时，处于湍流区，摩擦阻力系数λ随雷诺数Re 的增大而减小。

2、实验测出的光滑管λ-Re 曲线和利用Blasius 关系式，可以看出的λ-Re 曲线比较接近，也就是说当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；

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，处于层流区，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Re

64=λ特性曲线相差较小，可以视为所得的数据符合公式λ=64/Re 。

5、局部阻力系数随Re 的增大而减小，当Re 增大到一定数值后局部阻力系数变化率减小。

6、压力差计量表的数据在不断变化，读取的是一个瞬时值

八、误差分析

① 排气阶段用了大量时间，但是不能十分确定已经完全排净空气；

② 每次改变流量后，压力表数据在不断变化，并不是稳定值，即存在误差； ③ 测量仪器自身带来的误差；

④温度不断在变化，尽管都趋于一个值，但是仍存在误差，因此在计算时温度统一取值为20.0 ℃。

九、思考题

1、在测量前为什么要把设备中的空气排尽？怎样才能迅速地排尽？

答：（1）本实验，首先需要排除尽管路系统中的空气，因为空气的存在，会使得管路中的水

成为不连续流体，并且不为单相流动；同时测压管中因为空气而使得数据不准确。 （2）迅速地排净气体：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？

答：由μρdu =Re ，22u l p d ρλ?=联立得：2

23

Re 2μρλl p d ?=，可知λ-Re 曲线受ρ、d 、l 、μ等的影响，因为管径不同，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：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，由此可知此关系式与流体种类无关。

4、测出的直管摩擦阻力与设备的放置状态有关吗？为什么？（管径、管长相同，且R1=R2=R3）

u

答：与设备的放置状态无关。由伯努利方程：f

H g

p g u z g p g u z ∑+++=++ρρ22

22121122，

12f 12z p p

H z g ρ-=-+∑，其中g u d l H f 22

?=∑λ。即摩擦阻力与摩擦系数，管径比，

流速有关，当R 相同时，三次的摩擦阻力系数也相等，即与放置位置无关。

5、 如果要增加雷诺数的范围，可采取哪些措施？

答：Re=du ρ/μ，即所以增加管径、流速、采用密度较大及粘度较小的流体都可以增加雷诺

数的范围。本实验中因为仪器与流体已经固定，只能通过增大流速来增加雷诺数的范围。 6、 若要实现计算机在线测控，应如何选用测试传感器及仪表？ 答：可以选用能够与计算机相连的电子传感仪器及仪表。