流体流动阻力的测定

1、实验名称一、实验目的及任务:流体流动阻力的测定1 .掌握测定流体流动阻力实验的一般方法。2 .测定直管的摩擦阻力系数及突然扩大管的局部阻力系数。3 .验证湍流区内摩擦阻力系数为雷诺数和相对粗糙度的函数。4 .将所得光滑管的方程与Blasius方程相比较。二、实验原理：流体输送的管路由直管和阀门、弯头、流量计等部件组成。由于粘性和涡流作用, 流体在输送过程中会有机械能损失。这些能量损失包括流体流经直管时的直管阻力和 流经管道部件时的局部阻力，统称为流体流动阻力。? ? ?1 .根据机械能衡算方程，测量不可压缩流体直管或局部的阻力?= (?+ ?+ 5)- (?+ 勺+ 万)+ ?如果管道无变径，

2、没有外加能量，无论水平或倾斜放置，上式可简化为:即为截面1到2之间直管段的虚拟压强差，即单位体积流体的总势能差，通过压差传感器直接测量得到。2 .流体流动阻力与流体性质、流道的几何尺寸以及流动状态有关，可表示为：?= ?(?), , , ,由量纲分析可以得到四个无量纲数群：欧拉数Eu = ?/?雷诺数? ?/泡对粗糙度£ /和长径比？?/?从而有? ? ?= ( ?,?取？?= ?(?/?)可得摩擦系数与阻力损失之间的关系:? ?2?= = ? X? ? 2从而得到实验中摩擦系数的计算式2?= _ _?当流体在管径为d的圆形管中流动时，选取两个截面，用压差传感器测出两个截 面的静压差

3、，即可求出流体的流动阻力。根据伯努利方程摩擦系数与静压差的关系, 可以求出摩擦系数。改变流速可测得不同Re下的人,可以求出某一相又t粗糙度下的人-Re 关系。在湍流区内摩擦系数？?=?(?/?)对于光滑管(水力学光滑)，大量实验证明,Re在103105氛围内，入与Re的关系遵循Blasius关系式，即?= 0.3163/?25对于粗糙管，入与Re的关系以图来表示。3 .对局部阻力，可用局部阻力系数法表示:一一？吊4 . ?= ?当对于扩大和缩小的直管，式中的流速按照细管的流速来计算。对一段突然扩大的圆直管，局部阻力远大于其直管阻力。由忽略直管阻力时的伯 努利方程? ? ?= ?21= (?+

4、力(/手可以得到局部阻力系数的计算式:? + 2?/?= 1 又一?式中，？?、？?分别为细管和粗管中的平均流速，？的2,1截面的压差。?1 、 ?2分别为细管和粗管的突然扩大管的理论计算式为：工=(1 - ?/?2)流通截面积。三、实验流程：本实验装置如图 1 所示，管道水平安装，水循环使用，其中管5 为不锈钢管，测压点之间距，内径；管6为镀锌钢管，测压点间距离，内径 22.5mm；管7为突然扩大管，由扩大至。各测量元件由测压口与压差传感器相连，通过管口的球阀切换被测管路，系统流量由涡轮流量计3 调节，离心泵的功率由变频器通过改变输入频率控制转速来实现控制。四、实验操作要点：1 .开泵：在关

5、闭所有阀门的情况下，打开电源，启动变频器至50Hz,固定转速，观察泵出口压力稳定后，即可进行排气。2 .排气：在对某一管路进行实验之前， 排尽设备主管和该管路及对应测压管路内的空气，每切换管路都要排一次气。关闭其他控制阀，打开对应管路的控制阀、测压阀和排气阀，在50Hz下，调节流量至1-2?3/?,待2min以上，压差传感器示数稳定后，关闭排气阀和流量调节阀， 在流量为 0 下观察压差传感器示数是否为 0， 若有较大偏差则气未排尽，若偏差较小且稳定则记录初始偏差值。3 .实验数据测取：确定排气完毕且其余管路切换阀和测压阀关闭后， 调节变频器至25Hz左右。对于直管阻力，按照流量由大到小的顺序，

6、测取 10组数据，控制压差在之间。对于突然扩大管的阻力，可测取3 组数据。测取数据时，每个数据点取值应等待 2min 以上且压差和流量稳定为某值或在很小范围内波动。波动时可取其中点。五、原始数据及处理：1 .原始数据记录水的物理性质：测定光滑管时，25c下，p=m3,肝s测定粗糙管及突然扩大管时，C下，p =m3,右s(1)光滑管和粗糙管实验数据光滑管数据：不锈钢管，l=, d=, £零点误差p0=。粗糙管数据：镀锌钢管，l=, d=, £零点误差p0=。表1光滑管和粗糙管原始数据记录表光滑管粗糙管了"流量/(m3*h-1)压差/(kPa)流量/(m3*h-1)压

7、差/(kPa)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10(2)突然扩大局部阻力系数测定数据突扩管：d1= , d2=,初始误差p0= o表2突然扩大局部阻力系数数据记录表序号流量/(m3*h-1)压差/(kPa)1 2 32 .数据处理表3光滑管数据处理表流量/(m3*h-1)流速/(m*s-1)/(kPa) Re强69034624863456789105799650513458363891331991254431927012909其中，入b项为根据Blasius公式计算的理论摩擦系数值直管阻力系数的计算示例:由表3中第1组数据为例,?4?4X3.691= ? = X?/?= 2 96?/? ?

8、 3.14 X(21.0 X10-3 )23600?(21.0 X10-3 ) X2.96 X 996.95 ? -0.8973 X 10-3=69034?=2? 2 X(7.18 X103) X(21.0 X10-3) ?=996.95 X 2.962 X1.5=0.023030.31630.3163?=少=痂=0.01951?25690340.25序号流量/(m3*h-1)流速/(m*s1) 实际压差/(kPa)Re入1668962609133554744549854442346366207831363248379183101012509图2光滑管和粗糙管的人-Re关系曲线表4粗糙管数据处

9、理表曲线分析:(a)光滑管和粗糙管的摩擦系数均随 Re的增大而减小，且随着Re的增大，摩擦系数减小的趋势趋缓(b)在同一 Re下，相对粗糙度更高的粗糙管比光滑管的摩擦系数更大，说明e/d越大，摩擦系数越大。(c)在同一 Re下，光滑管的摩擦系数大于水力学光滑摩擦系数的理论值，说明实验用的光滑管和理论光滑有一定差距。表5突然扩大管数据处理表序号 流量/(m3*h -1) 压差/(kPa)细管流速/(m*s -1)粗管流速/(m*s -1)123局部阻力的计算示例：以表5中第1组数据为例,?=不?= ?4?_4 X3.57两?= 3.14 X(16.0 X10-3 )24?4 X3.57踵?= 3

10、.14 X(42.0 X10-3 )21X3600?/?= 4.93?/?2?0.722 + 2 X?= 1 -2 -=1 - ?1X3600?/?= 0.72?/?3.20 X103996.584.932=0.7149工?2?A L?= = 0.7159理论值?= (1 - ?/?2)2 = (1 - ?/?2)2 = (1 - 162/42 2)2 = 0.7308相对偏差? X100% = |0.7159 ；：7308| X100% = 2.04%0.73081?测量值与理论值基本符合，但存在一定误差。五、结果讨论分析1 .本次曲线拟合的相对大小比较准确， 但是其中表现的趋势不明显，并未

11、得到随着 雷诺数增大，摩擦系数趋近于某一值的结论。可能是测定的摩擦系数和雷诺数范围较 小，如果增大测定的雷诺数上限，即在更高的流速下做实验，可以看到更好的趋势2 .测定的局部阻力系数和理论值接近， 说明实验结果较好。 实验值低于理论值， 可能是实验设备本身存在损耗，细管在高流量下腐蚀变粗的结果。可以看到随着流量增大有上升趋势，而的三次结果的差值应该是被忽略的直管阻力的影响，因而随着流量增大， 表观的局部阻力系数应该增大而不是减小， 可能是实验记录和计算舍入的影响。六、思考题1.在不同设备（包括相对粗糙度相同而管径不同）、不同温度下测定的人-Re数据能否关联在一条曲线上？答：仅在相对粗糙度不同时可以。由 ?= ?（?,/?知，摩擦系数是雷诺数和相对）粗糙度的函数，当相对粗糙度不变时，可以关联出一条摩擦系数和雷诺数的曲线，而相对粗糙度与温度无关。因此，当且仅当相对保持粗糙度不变时，不同设备，不同温度的人-Re数据能关联在一条曲线上。2 .以水为工作流体所测得的人-Re关系能否适用于其他种类的牛顿性流体？为什么？答：可以。由 ?= ?（?,/?知，摩擦系数是雷诺数和相对粗糙度的函数，当保持相对）粗糙度不变时，流体性质对人-Re关系不产生影响，可以适用于