化工原理实验-流体流动阻力系数的测定实验报告

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直接测定。hf=△P/ρ=λ（l/d）u2/2式中，hf——直管阻力，J/kgl——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Re在3×103~105范围内，λ和Re的关系遵循Blasius关系式，即λ=0.3163/Re0.25对于粗糙管，λ和Re的关系均以图来表示。2、局部阻力hf=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Re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0.3m3/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=3.54×102Q/d2得到流速，由公式Re=duρ/μ可求得雷诺数，由式hf=△P/ρ=λ（l/d）u2/2可求得真实的λ，由Blasius关系式λ’=0.3163/Re0.25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12345678910Q/m3/h3.503.222.942.662.382.101.821.541.260.98△P/kPa6.805.834.934.143.322.702.121.531.090.76u/m/s2.812.582.362.141.911.691.461.241.010.79Re×10-46.445.915.414.904.383.873.342.842.311.81λ0.02420.02460.02490.02540.02560.02660.02790.02800.03000.0342λ’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12345678910Q/m3/h3.673.373.072.772.472.171.871.571.270.97△P/kPa6.855.894.904.013.222.541.991.521.030.66u/m/s2.682.462.252.031.811.591.371.150.930.71Re×10-46.435.905.404.874.343.823.292.762.231.70λ0.02800.02860.02850.02860.02890.02950.03120.03380.03500.0385λ’0.01990.02030.02070.02130.02190.02260.02350.02450.02590.02772、求局部阻力系数ξ由公式u=Q/A=3.54×102Q/d2得到流速，由式hf=△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123123123Q/m3/h3.502.701.903.522.721.921.411.060.71△P/kPa4.551.640.273.441.620.916.693.841.78u/m/s4.843.732.633.122.411.701.250.940.63ξ0.39040.23690.08030.71030.56060.63298.6068.7359.0143、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00.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0094.5674.043.5122.9862.4591.9331.404Re×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00.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0081.4041.9332.4592.9863.5124.044.567Re×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hf=（P1/ρ+z1g）-(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。