流体流动阻力的测定 实验报告

实验一流体流动阻力的测定摘要：通过实验测定流体在光滑管、粗糙管、层流管中流动时，借助于伯努利方程计算摩擦阻力系数和雷诺数之间的关系，并与理论值相比较。同时以实验手段计算突然扩大处的局部阻力，并对以上数据加以分析，得出结论。一、目的及任务1.掌握测定流体流动阻力的实验的一般实验方法。2.测定直管的摩擦阻力系数及突然扩大管和阀门的局部阻力系数。3.测定层流管的摩擦阻力。4.验证湍流区内摩擦阻力系数与雷诺数Re和相对粗糙度的函数。5.将所得的光滑管的-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（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；流体在突然扩大、弯头等管件时，由于流体运动速度和方向的突然变化，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，流体流经处几何尺寸以及流动状态有光，可表示为p=f（d，l，u，，，）引入下列无量纲数群雷诺数Re=du相对粗糙度d管子的长径比dl从而得到),,du(p2dldu令=（Re，d）2)(Re,2uddlp可得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。22udlphf式中fh——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-Re关系。⑴湍流区的摩擦阻力系数在湍流区内=f（Re，d）。对于光滑管，大量实验证明，当Re在3310~510范围内，与Re的关系遵循Blasius关系式，即=0.3163/R25.0e对于粗糙管，与Re的关系均以图来表示。⑵层流的摩擦阻力系数e64R2.局部阻力2h2uf式中，为局部阻力系数，其与流体流过的几何形状及流体的Re有关，当Re大到一定值后，与Re无关，成为定值。三、装置与流程本实验管道水平安装，实验用水循环使用。其中，1管为层流管，管内径2.9mm，两测压点之间距离为1m；2管为内径21.5mm的不锈钢管，两测压点之间距离为1.50m；3管为内径22.5mm的镀锌钢管，直管阻力两测压点之间距离为1.50mm；4管为突然扩大管，管子由内径16.0mm（l=140mm）扩大到内径为42.0mm（l=280mm）；测压计统一使用电子测压计；一组切换阀；总管安装流量计。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.系统要排净气体使流体连续流动。设备和测压线中的气体都要排尽，检验是否排尽的方法是当流量为0时，观察流量计是否为零。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量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。测定突然扩大管时，测取3组数据。层流管的流量用秒表与量筒测取。4.测完一根管的数据后，应将流量调节阀关闭，观察流量计是否为零，是才能更换另一条管路，否则数据全部失效。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、实验数据及处理不锈钢管（d=21.5mm，l=1.50m）,ρ=998.4,μ=1.050序号qv(m3/h)T（oC）Δp（KPa）u（m/s）Re计算λ理论λ偏差10.719.50.30.5410954.760.0300.031-3.0%2119.50.60.7715649.650.0290.0284.0%31.319.50.981.0020344.550.0280.0267.3%41.619.51.391.2225039.440.0270.0255.8%51.9119.51.921.4629890.830.0260.0247.2%62.2219.52.531.7034742.230.0250.0238.6%72.519.53.111.9139124.130.0240.0228.4%82.8219.53.92.1644132.020.0240.02210.1%93.119.54.62.3748513.920.0230.02110.0%103.3919.55.422.6053052.320.0230.02110.9%113.719.56.332.8357903.710.0230.02011.1%123.9819.57.253.0562285.610.0220.02012.0%134.319.58.283.2967293.500.0220.02011.7%以第一组为例。在整个过程中，取温度平均值T=19.5oC并视为不变，由此查表用内插法求得ρ=998.4Kg/m3，μ=1.050cP。u=241qdv=20215.041360070.0=0.54m/sRe=ud=310050.10215.054.04.998=10954.76根据伯努利方程：2p2udl求得030.054.025.10215.04.9981000300.0222uldp根据Blasius关系式：=0.3163/R25.0e=0.3163/25.0)76.10954(=0.031偏差=%100-理论理论计算%0.3%100020.0031.0030.0分析结论：由图可以看出，光滑管中λ随雷诺数的增大而减小。实验测定值和理论值偏差不是很大。镀锌钢管（d=22.5mm，l=1.50m）,ρ=998.2，μ=1.014序号qv(m3/h)T（oC）Δp（KPa）u（m/s）Reλ10.720.50.310.4910837.350.03921.0220.50.620.7115791.560.03731.2920.50.980.9019971.680.03641.620.51.471.1224771.080.03551.9520.52.181.3630189.750.03562.2220.52.81.5534369.870.03572.4920.53.51.7438549.990.03582.820.54.41.9643349.390.03593.1120.55.462.1748148.780.035103.420.56.512.3852638.540.035113.720.57.72.5957283.120.035123.9920.58.972.7961772.880.035134.320.510.393.0166572.270.035以第一组为例。在整个过程中，取温度平均值T=20.5oC并视为不变，由此查表用内插法求得ρ=998.2Kg/m3，μ=1.014cP。u=241qdv=20225.041360070.0=0.49m/sRe=ud=310014.10225.049.02.998=10837.35根据伯努利方程：2p2udl求得039.049.025.10225.02.998100031.0222uldp分析结论：由图可以看出，无论光滑管还是粗糙管，其摩擦阻力系数都随雷诺数的增大而减小。并且，同一雷诺数时，相对粗糙度越小（即管越光滑）所对应的摩擦阻力系数也越小。层流管l/md/m1.000.0029序号水质量/g时间/s管路压降/kPa水温度/℃水密度/kg•m-3水粘度103/Pa•s水流量/l•h-1水流速/m•s-1雷诺数Re摩擦阻力系数λλ理论值196.0110.300.4919.1998.31.0283.140.133720.1630.172102135.090.200.7419.1998.31.0285.400.236400.0830.100083100.057.501.0519.1998.31.0286.270.267430.0880.086134100.039.701.5519.1998.31.0289.080.3810760.0620.059465200.064.901.9419.1998.31.02811.110.4713170.0520.048606200.058.602.1819.1998.31.02812.310.5214580.0470.043897200.054.002.4119.1998.31.02813.360.5615830.0440.040448200.050.602.5819.1998.31.02814.250.6016890.0420.037909118.030.23.1819.1998.31.02814.090.5916700.0530.03833以第一组为例。在整个过程中，取温度平均值T=19.1oC并视为不变，由此查表用内插法求得ρ=998.0Kg/m3，μ=0.987cP。76107.830.1101096tVqvm3/su=241qdv=27-0029.041107.8=0.13m/sRe=ud=310987.00029.013.00.998=372163.037264e64R分析结论：由图可以看出，层流管所对应的雷诺数偏小，都低于2000。摩擦阻力系数与雷诺数的对数呈线性递减的关系。突然扩大管（d1=16.0mm，l1=140mm；d2=42.0mm，l2=280mm），ρ=997.8序号qv(m3/h)u1（m/s）u2（m/s）T（oC）Δp（KPa）ξ10.731.010.1520.40.170.6421.261.740.2520.40.430.6932.022.790.4120.41.210.6742.813.880.5620.42.550.6453.64.980.7220.44.360.6364.135.710.8320.45.850.62以第一组为例。在整个过程中，取温度平均值T=20.4oC并视为不变，由此查表用内插法求得ρ=997.8Kg/m3，μ=0.975cP。2141qduv=2016.041360073.0=1.01m/s2241qduv=2042.041360073.0=0.15m/s根据伯努力公式：22221222121upupu可得64.001.115.08.997100017.02121222122uup（12ppp）分析结论：从表中可以看出，随着流体流速的逐步增加，局部阻力系数缓慢下降，但是下降幅度并不是很大。截止阀（全开）d=21mm序号qv(m3/h)u（m/s）T（oC）Δp（KPa）ξ10.830.6721.12.2410.222154121.641.3221.18.7010.1690913132.401.9321.118.8110.2663697743.202.5721.133.2610.2111082154.003.2121.152.6210.33906942以第一组为例。在整个过程中，取温度平均值T=21.1oC并视为不变，由此查表用内插法求得ρ=998.1Kg/m3。241qduv=2021.041360083.0=0.67m/s根据伯努力公式：22221222121upupu可得22.10)67.0(*1.998100024.22222up（0u）球阀（全开）d=21mm序号qv(m3/h)u（m/s）T（oC）Δp（KPa）ξ10.830.6721.10.221.00396156421.641.3221.10.620.724693