流体流动阻力的测定

北京化工大学

实验：流体流动阻力的测定

实验摘要：流体阻力的大小关系到输送机械的动力消耗和输送机械的选择，测定流体流动阻力对化工及相关过程工业的设计、生产和科研具有重要的意义。本实验主要是测定不锈钢管（光滑管）和镀锌管(粗糙管)在不同流量下的压降和水的温度，测定突然扩大管在不同流量下的压降和水的温度，以及层流管在不同流量下的压降和水的温度。 三、实验目的及任务

1．学习直管阻力与局部阻力的测定方法。

2．学习计算并绘制直管摩擦系数与Re的关系曲线的方法。 3．学习确定局部阻力系数的方法。

4．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。 5．测定层流管的摩擦阻力。

6．将所得光滑管的-Re方程与Blasius方程相比较。

7． 验证湍流区内摩擦阻力系数为雷诺系数Re和相对粗糙度的函数

四、实验原理 1、直管摩擦阻力

(1)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。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。 相关公式：h f=△P/ρ=λ（l / d）u2/2 ; Re=duρ/μ

(2)改变流速可测出不同Re下的摩擦阻力系数，可得出某一相对粗糙度下管子的λ—Re关系。

(3)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

公式：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Re无关，成为定值。 3、层流的摩擦阻力系数λ=64/Re. 五、实验装置流程图及主要测试仪器仪表

六、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。 七．实验数据记录

1.（1）光滑管数据：l=1.500m, d=21.0mm，初始压降△P=-0.02kPa

（2）粗糙管数据：l=1.500m, d=21.5mm，初始压降△P=-0.02kPa

2.突然扩大管数据：d1=16.00mm, d2=42.00mm，初始压降△P=0.00kPa

3.层流管数据：l=1.500m, d=3mm，初始压降△P=0.02kPa

八、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 , 此温度对应水的密度和黏度可由相关表查得 1.(1)光滑管数据处理：

T=(T始+T末)/2=19.75oC≈20oC，查得ρ=998.2kg/m3，μ=1.005mPa·S

(2)光滑管数据处理：

T=(T始+T末)/2=21.2oC≈21oC，查得ρ=998.2kg/m3，μ=0.981mPa·S

2.突然扩大管数据处理

T=(T始+T末)/2=22.25oC≈22oC，查得ρ=998.2kg/m3，μ=0.9579mPa·S

ξ平均=（0.978706+0.978696+0.9787）/3=0.9787 3.层流管数据处理：

T=(T始+T末)/2=24.5oC≈25oC，查得ρ=997kg/m3，μ=0.8937mPa·S，实际值由λ=2△Pd/ρlu2测出，理论值由λ=64/Re测出

九、实验结果与结论：

1.在双对数坐标纸上标绘出湍流时λ-Re的关系曲线

2.光滑管的λ-Re关系与Blasius公式比较

（1）由Blasius关系式 λ’=0.3163 / Re0.25可求得理论λ’ （2）由式hf=△P/ρ=λ（l / d）u2/2 可求得真实的λ

图像比较

3局部阻力系数ξ ξ=0.9787

4.双对数坐标绘制层流时λ-Re关系曲线

十、实验结果分析 （1）光滑管结果分析：

曲线表明，在湍流区内，光滑管阻力系数随雷诺数增大而减小，进入阻力平方区（也称完 全湍流区）后，雷诺数对阻力系数的影响却越来越弱，阻力系数基本趋于不变。该光滑管的阻力系数和雷诺数关系，近似适合柏拉修斯（Blasius）式， （2）粗糙管结果分析：

曲线表明，在湍流区内，粗糙管阻力系数随雷诺数增大而减小，进入阻力平方区（也称完 全湍流区）后，雷诺数对阻力系数的影响却越来越弱，阻力系数基本趋于不变。 （3）局部阻力管结果分析：

雷诺数对局部阻力管阻力系数影响不大，而且局部阻力管阻力系数远远大于其他管的阻力 十一、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：在流动测定中气体在管路中，对流动的压力测量产生偏差，在实验中排出气体，保证流体的连续，这样流体的流动测定才能准确。

先打开出口阀排净管路中的空气，然后关闭出口阀开U形压差计的排气阀。

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？

2d3p2dp

Re2

lulRe22，可知λ-Re曲线受ρ、d、l、μ等的影答：由，联立得：

du

响，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，不能，因为由实验证明在湍流区Re10~10范围内，λ与Re的关系式遵循Blasius关系式，即0.3163/Re

0.25

3

5

，而Re的值与流体密度、粘度等物理性质有关，不同流体

物理性质不同，所以不适用。

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）

2

u12p1u2pz1z22Hf

2gg2gg答：与设备的放置状态无关。由伯努利方程：，

lup1p2

HHzzff12g

d2g。因为U型管所测得的即是两点间的势能，其中

(z1z2)

p1p2

g，当R相同时，三次的摩擦阻力系数也相等。

2

差，即为

5、如果要增加雷诺数的范围，可采取哪些措施？

答：设备一定时，选用大密度或小粘度的流体；流体一定时，增大管径，二者均可通过调节流体流速得到较大范围雷诺数的状态。

6.若要实现计算机在线控制，应如何选用测试传感器和仪表？

答：选择测量介质对应的传感器，然后经过通讯，在计算机安装软件，就可以了