北京理工大学流体流动阻力的测定_实验报告.doc

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=相对粗糙度管子的长径比 从而得到 令=（Re，） 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。式中 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。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范围内， 与Re的关系遵循Blasius关系式，即=0.3163/R 对于粗糙管，与Re的关系均以图来表示。 层流的摩擦阻力系数2.局部阻力 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、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。四、实验数据及处理光滑管（d=0.020m，L=1.00m）,=998.26Kg/ m3,=1.0173cP序号qv(m3/h)T（oC）p（KPa）u（m/s）Re计算理论偏差11.0319.20.500.9117882.560230.0240.027-0.11821.419.20.851.2424306.392540.0220.025-0.12331.6519.10.851.4628646.819780.0160.024-0.34241.8519.11.351.6432119.161580.0200.024-0.14552.1519.11.781.9037327.674260.0200.023-0.13462.319.21.932.0339931.930610.0190.022-0.16572.5519.12.302.2644272.357850.0180.022-0.16982.8519.12.852.5249480.870540.0180.021-0.15393.0219.93.052.6752432.361060.0170.021-0.181103.3020.03.612.9257293.639570.0170.020-0.170113.6020.04.203.1862502.152260.0170.020-0.171123.9020.14.903.4567710.664940.0160.020-0.159134.2020.25.453.7272919.177630.0160.019-0.178144.5020.26.253.9878127.690320.0160.019-0.165154.8020.47.004.2583336.203010.0160.019-0.164计算实例：以第一组为例。在整个过程中，取温度平均值T=19.59 oC并视为不变，由此查表用内插法求得=998.26Kg/ m3 ，=1.0173cP。u=0.54m/sRe=10954.76根据伯努利方程：求得根据Blasius关系式：=0.3163/R=0.3163/=0.031偏差=分析结论：由图可以看出，光滑管中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。粗糙管（d=0.021m，L=1.00m）,=998.3Kg/ m3,=1.026cP序号qv(m3/h)T（oC）p（KPa）u（m/s）Re计算理论偏差11.0319.20.570.8316895.72940.0350.0280.26521.2719.20.851.0220832.598390.0340.0260.30831.5519.21.161.2425425.612210.0320.0250.26041.819.21.521.4429526.517400.0310.0240.27052.0519.21.941.6433627.422600.0300.0230.29162.319.32.41.8537728.327790.0300.0230.30672.5519.32.92.0541829.232990.0290.0220.31882.819.43.452.2545930.138180.0290.0220.33193.0519.24.082.4550031.043380.0290.0210.355103.319.24.752.6554131.948570.0290.0210.374113.5519.35.52.8558232.853770.0290.0200.401124.0519.46.253.2566434.664160.0250.0200.264134.319.57.93.4570535.569350.0280.0190.438144.5519.68.753.6574636.474540.0280.0190.443以第一组为例。在整个过程中，取温度平均值T=19.3 oC并视为不变，由此查表用内插法求得=998.3Kg/ m3 ，=1.026cP。u=0.49m/sRe=10837.35根据伯努利方程：求得分析结论：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/m1.00 0.0029 序号水质量 /g时间 /s管路压降/kPa水温度/水密度 /kgm-3水粘度103 /Pas水流量 /lh-1水流速 /ms-1雷诺数 Re摩擦阻力 系数理论值196.0 110.30 0.49 19.1 998.3 1.028 3.14 0.13 372 0.163 0.17210 2135.0 90.20 0.74 19.1 998.3 1.028 5.40 0.23 640 0.083 0.10008 3100.0 57.50 1.05 19.1 998.3 1.028 6.27 0.26 743 0.088 0.08613 4100.0 39.70 1.55 19.1 998.3 1.028 9.08 0.38 1076 0.062 0.05946 5200.0 64.90 1.94 19.1 998.3 1.028 11.11 0.47 1317 0.052 0.04860 6200.0 58.60 2.18 19.1 998.3 1.028 12.31 0.52 1458 0.047 0.04389 7200.0 54.00 2.41 19.1 998.3 1.028 13.36 0.56 1583 0.044 0.04044 8200.0 50.60 2.58 19.1 998.3 1.028 14.25 0.60 1689 0.042 0.03790 9118.0 30.23.1819.1 998.3 1.028 14.09 0.59 1670 0.053 0.03833 以第一组为例。在整个过程中，取温度平均值T=19.1 oC并视为不变，由此查表用内插法求得=998.0Kg/ m3 ，=0.987cP。 m3/su=0.13m/sRe=372 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），=997.8序号qv(m3/h)u1（m/s）u2（m/s）T（oC）p（KPa）10.731.01 0.15 20.40.170.64 21.261.74 0.25 20.40.430.69 32.022.79 0.41 20.41.210.67 42.813.88 0.56 20.42.550.64 53.64.98 0.72 20.44.360.63 64.135.71 0.83 20.45.850.62 以第一组为例。在整个过程中，取温度平均值T=20.4 oC并视为不变，由此查表用内插法求得=997.8Kg/ m3 ，=0.975cP。=1.01m/s=0.15m/s根据伯努力公式：可得（）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）p（KPa）10.83 0.67 21.12.24 10.222154121.64 1.32 21.18.70 10.1690913132.40 1.93 21.118.81 10.2663697743.20 2.57 21.133.26 10.2111082154.00 3.21 21.152.62 10.33906942以第一组为例。在整个过程中，取温度平均值T=21.1 oC并视为不变，由此查表用内插法求得=998.1Kg/ m3。=0.67m/s根据伯努力公式：可得（）球阀（全开） d=21mm 序号qv(m3/h)u（m/s）T（oC）p（KPa）10.83 0.67 21.10.22 1.00396156421.64 1.32 21.10.62 0.72469386332.40 1.93 21.11.14 0.62220422843.20 2.57 21.11.96 0.60173698454.00 3.21 21.12.98 0.585526927以第一组为例。在整个过程中，取温度平均值T=21.1 oC并视为不变，由此查表用内插法求得=998.1Kg/ m3。=0.67m/s根据伯努力公式：可得（）分析结论：在流速一定的情况下，截止阀的局部阻力系数远远大于球阀的局部阻力系数。七、思考题1、以水为工作介质测得的-Re曲线，能否适用于其它种类的牛顿型流体？为什么？答：对于其他牛顿型流体可以，Re反映了流体的性质，虽然其他流体的密度和黏度与水不同，但最终都在Re上反映了出来，所以可以引用。2、在什么条件下，不同组的-Re数据能关联在一条线上？答：管径不同、温度不同（密度和黏度不同），导致即使在同一流速下的Re都不相同，这样关联出来的曲线是没有意义的。3、以下情况测出的差值是否代表直管阻力损失？它们分别是多少？在什么条件下 R1=R2=R3？答：不能，用水做出来的曲线，Re是根据水的密度和黏度计