流体流动阻力测定实验.doc

化工原理实验 流体流动阻力的测定流体流动阻力的测定杨浩（北京化工大学化学工程学院 北京 100029）摘 要 化工生产涉及的物料大部分是流体，涉及的过程绝大部分是在流动的条件下进行的。因此，了解并掌握流体流动的规律在化工生产中具有重要的意义。本实验通过小型试验装置，模拟流体流动，学习测定流体阻力实验的一般实验方法；测定直管的摩擦阻力系数及突然扩大管的局部阻力系数；测定层流管的摩擦阻力；验证湍流区内摩擦阻力系数为雷诺数Re粗糙度的函数；将所得光滑管的-Re方程与Blasius方程相比较。通过对流体流动规律进行验证，熟悉了解化工生产中的各种设备，为将来进入工厂，打下基础。关键词 流体流动阻力 摩擦阻力系数 局部阻力系数 Re /dfluid flowing friction loss measurementYang Hao (Beijing University of Chemical Technology , Beijing 100029, China)Abstract Most of the materials involved in chemical production is fluid, and most of the process include the fluid flowing, so to understand and grasp the laws of fluid flow is very important. This was a small-scale pilot plant to simulate fluid flow, to learn the way off fluid flowing friction loss measurement; Determinate the frictional resistance coefficient () of the straight pipe, and the local resistance coefficient( ) of the sudden expansion pipe; Determinate the frictional resistance of the laminar flow; validate the relationship between and Re in the onflow area . compare equation -Re and equation Blasius. And finally, all we did is prepared for our future work in the factory. Keywords fluid flowing friction loss; frictional resistance coefficient; local resistance coefficient; Re; /d 杨 浩 200712021 EVN BUCT一、 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，由于粘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很多，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 ,) 引入下列无量纲数群雷诺数 Re=du/相对粗糙度 /d管路长径比 l/d从而得到 p/u2=(du/, /d, l/d)令 =（Re, /d）p/=l u2（Re, /d）/2d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。 （11） 上式中 hf ：直管阻力，J/kg;l ：直管长度，m；d ：直管内径，m；u ：流体在管内流动的平均流速，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形与压差计测出这两个截面的净压强差，即为流体流经两截面间的流动阻力，根据伯努利方程找出净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。（1） 湍流区的摩擦阻力系数在湍流区内=f（Re，/d）。对于光滑管路，大量实验证明，当Re在3000100000范围内，与Re的关系遵循Blasius 关系式，即: =0.3163/Re0.25 (12) 相对于粗糙管，与Re的关系均以图来表示。（2） 层流的摩擦阻力系数=64/Re （13） 2、局部阻力 （21）式中，x为局部阻力系数，其与流体流经的关健的几何形状及流体的Re有关，当Re达到一定值后，x与Re无关，成为定值。二、 实验流程图图一 流体阻力实验装置流程图1水箱 2离心泵 3流量计 4管路切换阀 5测量管路 6稳流罐 7流量调节阀三、 实验操作1.关闭流量调节阀门,按控制柜绿色按钮启动阀门。2.找到实验管路,只打开该主管路切换阀门(V1等),引压管阀门(黑色球阀)。3.传感器两侧阀门排气,排净后关闭该阀门.检查传感器零点。4.从小到大改变流量,按小数位要求记录数据。5.层流实验使用内径很小的管路,水流量由量筒和秒表测出。6.实验结束后,关闭流量调节阀.停泵,打开传感器两侧排气孔。四、 原始数据及处理1. 原始数据不锈钢管（光滑管）：l=1.5m，d=0.0215m。镀锌钢管(粗糙管)：l=1.5m，d=0.0225m。突 扩 管：l1=0.14m，l2=0.28m，d1=0.016m，d2=0.042m。层流管：l=1.0m，d=0.0029m。表一 测量粗糙直管阻力的原始数据粗糙直管阻力序号流量m3/h压强差kPa温度oC10.70.351821.070.7518.131.491.3818.241.992.3118.252.393.318.262.914.7818.473.36.0818.683.737.718.6表二测量光滑直管阻力的原始数据光滑直管阻力流量m3/h 压强差 kPa温度oC3.78 6.5718.83.42 5.4918.82.96 4.2318.92.5 3.12192.07 2.21191.58 1.3619.31.22 0.8519.40.83 0.4319.5表三 测量突然扩大管阻力的原始数据突然扩大管阻力流量压强差温度1.10.319.52.371.7219.63.64.3519.7表四 测量层流管阻力的原始数据层流管阻力体积ml时间s压强差kPa温度oC64.564.420.5620.47155.390.720.613555.711.3820.716256.611.632113938.432.2421.217138.472.8921.42、数据处理按照表后面的方法，计算结果如下：表五 粗糙管数据处理结果序号流量m3/h流速m/s雷诺数摩擦阻力系数10.70.4890 10402.0 0.0440 21.070.7475 15900.2 0.0403 31.491.0409 22141.5 0.0383 41.991.3903 29571.5 0.0359 52.391.6697 35515.5 0.0356 62.912.0330 43242.7 0.0348 73.32.3055 50276.1 0.0344 83.732.6059 56827.2 0.0341 以第一组数据为例，计算过程如下：t水=18，查表得=998.2kg/m3 = 0.0010559 Pa.s流速u=4Q/(3600d2)= 4*0.7/(3600*3.1416*0.02252)= 0.4890 m/s雷诺数Re=du/=0.0225*0.4890*998.2/0.0010559=10402.0摩擦阻力系数=2dP/(*l*u2)=2*0.0225*0.35*1000/(998.2*1.5*0.48902=0.04398表六 光滑管数据处理结果序列流量 流速雷诺数Blasius m3/sm/s13.782.8960267.40.02360.020223.422.6254527.70.02410.020732.962.2647193.50.02480.021542.51.9139859.40.02560.022452.071.5833003.60.02650.023561.581.2125191.20.0280.025171.220.9319451.40.02930.0268处理方法同上其中 Blasius =0.3163/Re0.25=0.3163/60267.40.25 =0.0202(以第一组数据为例)表七 突然扩大管阻力流量m3/h流速u1m/s流速u2 m/s压差kPa局部摩擦阻力系数1.11.520.220.30.7192.373.2750.4741.720.6583.64.9750.724.350.627平均局部摩擦阻力系数 = 0.668说明：此处突扩管压降p1-p20。以第二组数据为例，计算过程如下：u1=qv/A1=4 qv/3600*d12=4*1.1/3600*3.1416*0.0162=1.520 m/su2的计算方法同u1 摩擦阻力系数x=1-2P/(* u12)-u22/u12=1-2*1000*0.3/(998.3*1.5202)-0.222/1.5202=0.791表八 层流摩擦阻力系数序号流量流速雷诺数摩擦阻力系数10.0036 0.1516 438.8 0.1416 20.0046 0.1941 572.6 0.1080 30.0087 0.3669 1082.6 0.0596 40.0103 0.4332 1278.4 0.0505 50.0130 0.5476 1615.9 0.0434 60.0160 0.6730 1985.8 0.0371 以第一组数据为例，计算过程如下：t水=20。4，查表得=998.2 =0.001Pa.sqv=v/t=64.5/64.42=1.0012ml/s= 0.0036m3/h 流速u=4Q/(3600d2)=4*0.00360/(3600*3.1416*0.00292)= 0.1516m/s雷诺数Re=du/= 0.0029*0.1516*998.2/0.001=438.8摩擦阻力系数 =2dP/(*l*u2) =2*0.0029*0.56*1000/(998.2*1*0.1516=0.1416五、 实验结果作图及分析1、 根据计算结果作图得图二 湍流直管摩擦阻力系数与雷诺数关系图三 层流摩擦阻力系数与雷诺数关系2、结果分析1) 在湍流层内，对于光滑管，大量实验证明，当Re在3000100000范围内，与Re的关系遵循Blasius 关系式，即:=0.3163/Re0.25，在双对数坐标系中，为一条直线，在图二中，可以看出，光滑管的与雷诺数为线性关系，且与Blasius 关系式基本吻合。2) 在层流范围内，摩擦阻力系数随雷诺数线性减小,理论上在双对数坐标系中斜率为-1，图三中各点基本在一条直线上，且斜率=-(log0.1-log0.65)/( log1000- log625)=-0.92,接近-1。 3) 突然扩大管的局部阻力系数（0.668）与理论值（0.731）基本相符。六、 思考1、在测量前为什么要将设备中的空气排净？怎样才能迅速排净气体？答：是为了保证流体的连续，先打开出口阀排净管路中的空气，然后关闭出口阀打开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-Re数据能否关联在一条曲线上？为什么？答：只要/d相同，-Re就能关联在一条直线上。3、以水作工作流体所测得的-Re关系能否适用于其它种类的牛顿型流体？为什么？答：适用，只与管径、粗糙度等有关，与流体具体流动形态无关。4、以下测出的直管摩擦阻力与设备的放置状态有关吗？它们分别是多少？（管径、管长一样，管内走水，且R1=R2=R3）答：无关 hf=(1-)gR+(u12-u22)/2 hf不变，则不变。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。七、 实验心得体会此次流体阻力测定实验让我初步接触了化工原理实验，它和以往的基础实验有很大的不同，化工原理的每一个实验基本都对应了一个单元操作，例如：管路，流体输送机械，