流体流动阻力的测定原版

1、流体流动阻力的测定杨金金同组成员：唐世福 梁燕 吴少华摘要l 测定层流状态下直管段的摩擦阻力系数（光滑管、粗糙管和层流管）。l 测定湍流状态不同（/d）条件下直管段的摩擦阻力系数（突然扩大管）。l 测定湍流状态下管道局部的阻力系数的局部阻力损失。l 本次实验数据的处理与图形的拟合利用Matlab完成。关键词 流体流动阻力 雷诺数 阻力系数 实验数据 Matlab 一、实验目的1、掌握直管摩擦阻力系数的测量的一般方法；2、测定直管的摩擦阻力系数以及突扩管的局部阻力系数；3、测定层流管的摩擦阻力4、验证湍流区内、Re和相对粗糙度的函数关系5、将所得光滑管的方程与Blasius方程相比较。二、基本原

2、理不可压缩流体（如水），在圆形直管中作稳定流动时，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和弯头等管件时，由于流体运动的速度和方向突然发生变化，产生局部阻力。影响流体流动阻力的因素较多，在工程研究中，利用因次分析法简化实验，引入无因此数群雷 诺 数： 相对粗糙度： 管路长径比： 可导出： 这样，可通过实验方法直接测定直管摩擦阻力系数与压头损失之间的关系：因此，通过改变流体的流速可测定出不同Re下的摩擦阻力系数，即可得出一定相对粗糙度的管子的Re关系。在湍流区内， = f（Re，/ d ），对于光滑管大量实验证明，当Re在3×103至105的范围内，与Re的关系遵循Blas

3、ius关系式，即：对于层流时的摩擦阻力系数，由哈根泊谡叶公式和范宁公式，对比可得：局部阻力：= J/kg三、装置和流程（手绘）四、操作步骤1、启动水泵，打开光滑管路的开关阀及压降的切换阀，关闭其它管路的开关阀和切换阀； 2、排尽体系空气，使流体在管中连续流动。检验空气是否排尽的方法是看当流量为零时候U形压差计的两液面是否水平；3、调节倒U型压差计阀门1、2、3、4、5的开关，使引压管线内流体连续、液柱等高； 4、打开流量调节阀，由大到小改变10次流量（Remin4000）,记录光滑管压降、孔板压降数据； 5、完成10组数据测量后，验证其中两组数据，确保无误后，关闭该组阀门； 6、测量粗糙管（1

4、0组）、突然扩大管（6组）数据时，方法及操作同上； 7、测量层流管压降时，首先连通阀门6、7、8、9、10所在任意一条回流管线，其次打开进入高位水灌的上水阀门11，关闭出口流量调节阀16； 8、当高位水灌有溢流时，打开层流管的压降切换阀，对引压管线进行排气操作； 9、打开倒U型压差计阀门5，使液柱上升到n型压差计示数为0的位置附近，然后关闭该阀门，检查两边液柱是否等高； 10、调节阀门16，改变6次流量（Remax2000），记录光滑管压降体积数据； 11、所有实验完成后，关闭阀门、停泵、切断电源，清理实验台，整理所用仪器，填好原始数据表格。 五、原始数据及处理A、原始数据 18 水的密度：=

5、998.2 kg/m3 粘度：=1.0559×10-3 表1.光滑管和粗糙管实验原始数据光滑管数据：27×3.5mm的不锈钢管,=0.010.05粗糙管数据：27×2.5mm的镀锌管, =0. 10.2孔板：24，孔流系数C0=0.73数据单位：Pa实验序号光滑管孔板 粗糙管 孔板左右差值左右差值左右差值左右差值15460-2005660-50305031005500-6106110-6503450410025100-505150100295028505180-3705550-37032903660347002504450350275024004900-16050

6、60-150315033004435045039005502650210045407044706029602900539007503150850250016504120350377036027802420635001000250010502350130036706503020660261019507315012501900130022509503280930235097024301460828001450135015002100600290012001700125022009509255016509001650205040024001530870160021005001023001800500

7、180020002002050180025018501950100表2.突然扩大管局部阻力系数测定原始数据突然扩大管：22×3mm48×3mm不锈钢管孔板：24，孔流系数C0=0.73数据单位：Pa实验序号突然扩大管孔板左右 差值左右 差值1185074011103302760243021900-701970-5703350392031850-14003250-190042706170表3.层流管实验原始数据层流管：6×1.5mm实验序号流量测定压力损失（单位：Pa）流出体积V/mL时间 t/s流量q103/m3s-1左右 差值135301.16671007526

8、52240301.33330810810344301.4333-60840900445301.5-120850970595601.5667-1608701030697601.6833-2409301170798601.75-33096012908111601.85-4209901410B、数据处理整理按照表后面的示例方法，编制MATLAB程序，计算结果如下：程序代码详见 附录（1）（4）表4.光滑管数据处理结果序号流量单位：L/h流速单位：雷诺数摩擦阻力系数12.96 2.62 494890.022 22.84 2.51 474510.022 32.60 2.30 435440.022 42.

9、44 2.15 407320.022 52.16 1.91 361050.023 61.92 1.70 320480.023 71.64 1.45 273960.024 81.30 1.15 217720.027 91.06 0.94 177770.027 100.75 0.66 125700.030 表5.粗糙管数据处理结果序号流量单位：L/h流速单位：雷诺数摩擦阻力系数13.40 2.49 517400.029 23.22 2.35 488850.031 33.05 2.23 464180.030 42.86 2.09 435140.030 52.62 1.91 397500.030 62

10、.35 1.72 356820.030 72.03 1.48 308750.031 81.64 1.20 249050.035 91.19 0.87 180680.034 100.53 0.39 8080.40.049 表6层流管数据处理结果序号流量单位：L/h流速单位：雷诺数层流摩擦阻力系数14.32 0.165528.1 0.118124.68 0.1886603.6 0.105335.04 0.2028648.8 0.099645.40 0.2122679.0 0.094355.76 0.2216709.2 0.090266.12 0.2381762.0 0.08576.48 0.247

11、6792.2 0.080886.84 0.2617837.4 0.0764表7.突然扩大管的数据处理结果实验序号流量单位：m3/h细管流速u1单位：粗管流速u2单位：局部阻力系数平均12.523.62 0.530.780 0.78523.244.60 0.670.793 34.325.77 0.840.784 所编MATLAB程序中数据处理方法示例：（1）湍流时流量、流速、雷诺数以及摩擦阻力系数的计算：如：由表1光滑管第一组数据：流量 = =2.96 L/h流速 雷诺数=摩擦阻力系数 由得 （2）突然扩大的阻力损失：流速计算同（1）如表2第三组数据，计算得 由机械能守恒得 六、实验结果讨论分析

12、（1）将上面光滑管和层流管的数据绘成双对数坐标图如下：图6.1 在Re>4000的时候（阻力平方区），阻力系数随着雷诺数的增大而减小，直至足够大的Re后，其值仅取决于相对粗糙度。图中光滑管与粗糙管的曲线很好的符合了这一规律。（2）对层流管迭代数据做双对数坐标如下：图6.2 当Re<2000为层流，理论上在双对数坐标中为一条斜率为-1的直线，上图中 各点基本呈一条直线，其斜率非常接近-1（约为-0.9954）。使用MATLAB最小二乘拟合输出界面如下图6.2直线拟合结果为 与层流公式符合的很好图6.2七、思考题1、测量前为什么要将设备中的空气排尽？怎样快速排尽？答：是为了保证流体的连

13、续。先打开出口阀排掉管路中的空气，然后关闭出口阀，打开u型压差计下端的排气阀。 2、在不同设备（包括相对粗糙度相同二内径不同）、不同温度下测定的-Re数据是否能关联在一条曲线上？答：只要/d相同，Re的数据点就能关联在一条直线上。3、以水为工作流体测定的-Re曲线能否用于其他种类得牛顿型流体？为什么？答: 适用，从可以看出，阻力系数与流体具体流动形态无关，只与管径、粗糙度等有关。4、测出的直管摩擦阻力与设备的放置状态有关吗？为什么？答：无关。机械能守恒式： U形压差计读出的差值为所以不变，就不变。5.增加雷诺数的范围，由那些方法？答： ， 可以加粗管径，增加流速等。八、实验心得体会此次流体阻力测定实验让我初步接