流体流动阻力实验报告

流体流动阻力的测定

摘要：

本实验通过测定流体在不同管路中流动时的流量qv、测压点之间的压强差ΔP，结合已知的管路的内径、长度等数据，应用机械能守恒式算出不同管路的λ‐Re变化关系及突然扩大管的-Re关系。从实验数据分析可知，光滑管、粗糙管的摩擦阻力系数随Re增大而减小，并且光滑管的摩擦阻力系数较好地满足Blasuis关系式：0.3163Re0.25 。突然扩大管的局部阻力系数随Re的变化而变化。

一、 目的及任务

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验证湍流区内摩擦系数λ为雷诺数Re和相对粗糙度的函数。 ④将所得光滑管λ-Re方程与Blasius方程相比较。 二、 基本原理

1. 直管摩擦阻力

不可压缩流体，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相关，可表示为：

△p=ƒ(d,l,u,ρ, μ, ε) 引入下列无量纲数群。

雷诺数 Re相对粗糙度 管子长径比从而得到

du

 dl dpdul(,,) 2udd令(Re,) dplu2(Re,) dd2可得到摩擦阻力系数与压头损失之间的关系，这种关系可用实验方法直接测定。

授课：XXX

希望对大家有所帮助，多谢您的浏览！

lu2hf

d2p式中

hf——直管阻力，J/kg；

l——被测管长，m； d——被测管内径，m； u——平均流速，m/s； ——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。改变流速科测出不同Re下的摩擦阻力系数，这样就可得到某一相对粗糙度下的λ-Re关系。

(1)湍流区的摩擦阻力系数

在湍流区内f(Re,)。对于光滑管，大量实验证明，当Re在3103~105d范围内，与Re的关系式遵循Blasius关系式，即

0.3163Re0.25

对于粗糙管，与Re的关系均以图来表示。 (2)层流的摩擦阻力系数

64 Re2. 局部阻力

u2hf

2式中，ξ为局部阻力系数，其与流体流过管件的集合形状及流体的Re有关，当Re大到一定值后，ξ与Re无关，为定值。 三、 装置和流程

本实验装置如图，管道水平安装，实验用水循环使用。其中No.1管为层流管，管径Φ(6×1.7)mm,两测压管之间的距离1.2m；No.2管安装有球阀和截止阀两种管件，管径为Φ(27×3.5)mm；No.3管为Φ(27×3.5) mm不锈钢管；No.4为Φ(27×2.5) mm镀锌钢管，直管阻力的两测压口间的距离为1.5m；No.5为突然扩大管，管子由Φ(22×3) mm扩大到Φ(48×3) mm；a1、a2为层流管两端的两测压口；b1、b2为球阀的两测压口；c1、c2表示截止阀的两测压口；d1、d2表示不锈钢管的两测压口；e1、e2表示粗糙管的两测压口；f1、f2表示突然扩大管的两测压口。系统中孔板流量计以测流量。

授课：XXX

希望对大家有所帮助，多谢您的浏览！

四、 操作要点

① 启动离心泵，打开被测管线上的开关阀及面板上与其对应的切换阀，关闭其他开关阀和切换阀，确保测压点一一对应。

② 系统要排净气体使液体连续流动。设备和测压管线中的气体都要排净，检验的方法是当流量为零时，观察U形压差计的两液面是否水平。

③ 读取数据时，应注意稳定后再读数。测定直管摩擦阻力时，流量由大到小，充分利用面板量程测取10组数据。测定突然扩大管、球阀和截止阀的局部阻力时，各取3组数据。本次实验层流管不做测定。 ④ 测完一根管数据后，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、 数据处理 1、原始数据 水温：13.8℃

密度：999.7kg/m3 粘度：μ=1.305103

1）、不锈钢管 d=20.5mm l=1.5m Q/m.h 4.37 3.50 3.01 2.51 2.02 1.61 1.30 1.00 0.90 0.80 P//kPa 12.55 6.79 5.17 3.72 2.54 1.72 1.17 0.75 0.62 0.51 2）、镀锌管 d=22.0mm l=1.5m Q/m.h 4.36 4.00 3.50 2.91 2.00 1.80 1.60 1.50 1.40 1.29 P//kPa 13.19 9.05 6.96 4.91 2.45 2.02 1.61 1.47 1.28 1.09 3）、突然扩大 d1=16.0mm l1=1.4m d2=42.0mm l2=280mm Q/m.h 4.0 3.0 2.0 P/kPa -5.60 -2.98 -1.23 4）、球阀 d=21.0mm l=1.5m Q/m.h 4.0 3.0 2.0 P/kPa 36.78 20.32 8.96 2、数据处理

1）不锈钢管，镀锌管以及球阀雷诺数和摩擦阻力系数用以下公式计算

3-13-13-13-10.75 0,70 0.44 0.41 1.20 1.10 0.94 0.81 雷诺数 Repdu

lu2hf

d2授课：XXX

希望对大家有所帮助，多谢您的浏览！

式中

hf——直管阻力，J/kg；

l——被测管长，m； d——被测管内径，m； u——平均流速，m/s； ——摩擦阻力系数。

2）突然扩大管得雷诺数及摩擦阻力系数由以下公式计算

雷诺数 Redu

摩擦阻力系数

3、数据处理结果如下表所示

直管阻力数据处理记录表 Q/m.h Q/m.s P/Pa U/m. s 4.37 0.001214 12550 3.844684 3.50 0.000972 6790 3.079266 3.01 0.000836 5170 2.648169 不 2.51 0.000697 3720 2.208274 2.02 0.000561 2540 1.777177 锈 1.61 0.000447 1720 1.416463 1.30 0.000361 1170 1.143728 钢 1.00 0.000278 750 0.87979 0.90 0.00025 620 0.791811 管 0.80 0.000222 510 0.703832 0.75 0.000208 440 0.659843 0.70 0.000194 410 0.615853 4.36 0.001211 13190 3.186025 4.00 0.001111 9050 2.922958 3.50 0.000972 6960 2.557588 2.91 0.000808 4910 2.126452 镀 2．00 0.000556 2450 1.461479 1.80 0.0005 2020 1.315331 锌 1.60 0.000444 1610 1.169183 1.50 0.000417 1470 1.096109 管 1.40 0.000389 1280 1.023035 1.29 0.000358 1090 0.942654 1.20 0.000333 940 0.876887 1.1 0.000306 810 0.803814 3-13-1-1Re 60395.42 48371.62 41599.59 34689.36 27917.33 22250.94 17966.6 13820.46 12438.42 11056.37 10365.35 9674.324 53710.76 49275.92 43116.43 35848.24 24637.96 22174.17 19710.37 18478.47 17246.57 15891.49 14782.78 13550.88 阻力系数 0.023207 0.019573 0.020151 0.020851 0.021982 0.023432 0.024447 0.026485 0.02703 0.02814 0.027623 0.029548 0.038116 0.031072 0.031211 0.031852 0.033647 0.034249 0.034548 0.03589 0.035875 0.035982 0.035859 0.036774 授课：XXX

希望对大家有所帮助，多谢您的浏览！

球阀数据处理记录表

Q/m.h Q/m.s P/Pa U/m. s Re 阻力系数 4 0.001111 36780 3.207963 51622.4 0.100072 3 0.000833 20320 2.405972 38716.8 0.098288 3-13- 1-12 平均阻力系数

0.000556 8960 1.603982 25811.2 0.097514 0.098625 突然扩大数据处理记录表

Q/m.h Q/m.s 4 0.001111 3 0.000833 2 0.000556 平均阻力系数 3-13-1P/Pa 5600 2980 1230 U1/m. s 5.526218 4.144663 2.763109 -1U2/m. s Re 阻力系数 0.801991 67754.4 0.612196 0.601493 50815.8 0.631988 0.400995 33877.2 0.656729 -10.633638 六、实验结论及误差处理

1.λ-Re关系图如下图：

由图可知，当雷诺数大于4000（阻力平方区），阻力系数λ随着雷诺数Re增大而减小；当雷诺数增大到相当大后，阻力系数取决于其相对粗糙度。图中光滑管与粗糙管的λ-Re曲线可以很清晰地反应出这一点。

阻力系数-Re关系曲线图0.110000100000阻力系数不锈钢管镀锌管Biasius曲线 0.01Re 2. 系统误差，人为操作所造成的误差，读取数据时的随意性也可导致误差，在数据处理过程中有效值的取舍带来的误差等等 。

授课：XXX

希望对大家有所帮助，多谢您的浏览！

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？

答：排气是为了保证流体的连续流动。先打开出口阀排除管路中的气体，然后关闭出口阀，打开U形压差计下端的排气阀。

2.在不同设备、不同温度下测定的λ-Re数据能否关联在一条曲线上？ 答：只要相对粗糙度相同，λ-Re数据就能关联到一条曲线上。

3.以水为工作流体所测得的摩擦阻力系数与雷诺数的关系是否适用于其他流体 答：不适用，粘度不同。

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。

2u12u2根据机械能守恒有hf[(gz1)(gz2)]

2p1p22u12u2U形压差计的hf(i)gR

2所以hf不变，故λ不会改变。

5.如果要增加雷诺数的范围 ，可采取哪些措施？ 答：雷诺数Redu

故可增大管径、增大流速等方法使雷诺数增大。

授课：XXX