化工原理实验报告(流体阻力)

1、摘要：本实验通过测定流体在不同管路中流动时的流量 qv、测压点之间的压强差P，结合已知的管路的内径、长度等数据，应用机械能守恒式算出不同管路的 Re变化关系及突然扩大管的 -Re 关系。从实验数据分析可知， 光滑管、粗糙管的摩擦阻力系数随 Re增大而减小，并且光滑管的摩擦阻力系数较好地满足Blasuis关系式：0.3163 Re0.25。突然扩大管的局部阻力系数随Re的变化而变化。一、目的及任务掌握测定流体流动阻力实验的一般实验方法。测定直管的摩擦阻力系数 及突然扩大管和阀门的局部阻力系数。验证湍流区内摩擦系数 为雷诺数 Re 和相对粗糙度的函数。将所得光滑管-Re 方程与 Blasius方程

2、相比较。二、基本原理1. 直管摩擦阻力不可压缩流体， 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。 影响流体阻力的因素较多， 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相关， 可表示为： p=?( d , l , u , , , ) 引入下列无量纲数群。du雷诺数Re相对粗糙度d管子长径比 ld从而得到pu2( du, ldd)令(Re, ) dp l(Re,) u2dd2可得到摩擦阻力系

3、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。plu2hf式中d2h f 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。 改变流速科测出不同 Re下的摩擦阻力系数，这样就可得到某一相对粗糙度下的-Re 关系。(1) 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 3 103 1

4、05d范围内，与 Re的关系式遵循 Blasius关系式，即0.3163 Re0.25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64Re2. 局部阻力u2hf2式中， 为局部阻力系数，其与流体流过管件的集合形状及流体的 Re有关，当 Re 大到一定值后， 与 Re无关，为定值。三、装置和流程本实验装置如图，管道水平安装，实验用水循环使用。其中 No.1 管为层流管，管径 (6×1.5)mm, 两测压管之间的距离 1m；No.2 管安装有球阀和截止阀两种管件，管径为 (27×3)mm； No.3 管为 (27× 2.75) mm 不锈钢管；

5、No.4 为 (27×2.75) mm 镀锌钢管，直管阻力的两测压口间的距离为 1.5m；No.5 为突然扩大管，管子由 (22×3) mm 扩大到 (48× 3) mm；a1、a2 为层流管两端的两测压口； b1、b2 为球阀的两测压口； c1、c2 表示截止阀的两测压口； d1 、d2 表示不锈钢管的两测压口； e1、 e2 表示粗糙管的两测压口； f 1 、f 2 表示突然扩大管的两测压口。系统中孔板流量计以测流量。四、操作要点 启动离心泵，打开被测管线上的开关阀及面板上与其对应的切换阀，关闭其他开关阀和切换阀，确保测压点一一对应。 系统要排净气体使液体连续

6、流动。 设备和测压管线中的气体都要排净，检验的方法是当流量为零时，观察 U 形压差计的两液面是否水平。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取 10 组数据。测定突然扩大管、球阀和截止阀的局部阻力时，各取 3 组数据。本次实验层流管不做测定。测完一根管数据后， 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。五、数据处理（ 1）、原始数据水温： 24.3 密度： 1000kg/m3粘度： =1.30510 31）、不

7、锈钢管 d=21mm l=1.50m序号123456789103-14.003.703.403.112.822.492.211.931.611.19V/ m.hP/kPa7.186.245.424.633.913.142.552.031.490.902）、镀锌钢管 d=21.5mm l=1.50m序号123456789103-14.003.683.423.102.792.512.201.901.621.29V/ m.hP/ kPa10.458.897.726.395.244.293.342.531.901.303）、突然扩大 d =15.5mm l=140mm d=42.0mm l=280mm

8、11223-13.802.791.68V/ m.hP/ kPa4.102.050.704）、层流管 d=2.9mm l=1.00m3-14.333.833.53.132.331.67V/ m.hP/ kPa2.352.221.941.641.170.812、数据处理1）不锈钢管，镀锌管以及层流管的雷诺数和摩擦阻力系数用以下公式计算du雷诺数Replu2hf式中d2h f 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。2）突然扩大管的雷诺数及摩擦阻力系数由以下公式计算du雷诺数Re摩擦阻力系数3、数据处理结果如下表所示直管阻力数据处理记录

9、表序3-1hfv/ m/s-1ReB号V/ m/h不147.183.20796367032.070.0195350.01965823.76.242.96736662004.660.0198430.020044锈33.45.422.72676956977.260.0204110.02047343.114.632.49419152117.430.0208390.020934钢52.823.912.26161447257.610.0214040.02145362.493.141.99695741727.460.0220470.022131管72.212.551.772437035.220.02272

10、90.02280181.932.031.54784232342.970.0237250.02358691.611.491.29120526980.410.0250240.02468101.190.90.95436919942.040.0276670.026617序3-1P/kPav/m/sRehf号V/ m/h1410.453.06049165473.1810.450.031982镀23.688.892.81565160235.338.890.03214633.427.722.6167255979.577.720.032321锌43.16.392.3718850741.726.390.0325

11、6152.795.242555.240.032964管62.514.291.92045841084.424.290.03334572.23.341.6832736010.253.340.03379281.92.531.45373331099.762.530.03431991.621.91.23949926516.641.90.035452101.291.30.98700821115.11.30.038254序层号V(mL/s)T/ °CP/kPav(m/s)Re14.3326.12.35180.6560491893.0780.033807流23.8326.1

12、2.21740.5803511674.6460.03821733.526.21.93530.5298861529.0250.041857管43.1326.31.64060.4743741368.8410.04675552.3326.41.17260.3532571019.350.06278561.6726.50.8120.252327728.10690.087899突然序v1(m/s)v2（m/s)Rehf号扩大15.5940690.76189131840.834.0882430.72016824.1072240.55938923377.432.0420220.739351管32.473167

13、0.33683614076.730.6992980.752793数据处理示例：1、 光滑管： T=20.0时水的密度1000Kg / m3 ，粘度1.005mPa ? s以光滑管第 4 组数据为例：qP=4.63kPa d=21.0 mm l=1.50 mv=3.11 m 3/hhfP=4qv4 3.11/ 36002.495454ud 23.140.0212du0.0212.495454 1000Re1.00510 352117.432dP20.0214.631030.020839lu 21.50 1000 2.49545420.31630.31630.020934Re0.2552117.4

14、30.252、 粗糙管：以粗糙管第 4 组数据为例： qv 3.1m3 / hd 21.5mml 1.50mu4qv43.12.373081d23.140.002152du0.02152.373081100050741.72Re1.00510 32dp2 0.02156.391030.032528lu21.5010002.37308123、 突然扩大管：以第 1 组数据为例： qv3.80 m3P 4.1036kpa d115.5 mm l1 140mmhd242.0mm l 2280mmdu31840.83Re2P(u12u22 ) 2 4.10361031000(5.59406920.76

15、18912 )u1210005.59406920.7201684、 层流管：以第 4 组数据为例：qv3.13mL / sP1.6406kPav0.474374m / s d=2.9mm l=1.00mdu0.00290.47437410001368.841Re1.00510 32dp20.00291.6406 1030.046755lu2110000.474374 2由上述数据可以得到以下图形：七、实验结果分析：由上面图表中的数据信息可以得出以下结论：1、当 Re>4000时，流动进入湍流区，摩擦阻力系数随雷诺数Re的增大而减小。至足够大的Re后， -Re 曲线趋于平缓；2、实验测出的

16、光滑管 -Re 曲线和利用 Blasius关系式得出的 -Re 曲线比较接近，说明当Re 在 3 103 10 5 范围内，与 Re 的关系满足 Blasius关系式，即0.3163 / Re0. 25 ；3、突然扩大管的局部阻力系数随流量的减小而增大；4、在 Re<2000 范围内，流体流动为层流，实验所得层流管的摩擦阻力系数随Re 的变化趋势与公式64 特性曲线相差较远，可能原因是在调节Re流量和时间控制中未把握好，人为造成了实验误差，并且流量过大，导致流体并非层流状态。八、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：排气是为了保证流体的连续流动。 先打开出口阀排除管路中的气体， 然后关闭出口阀，打开U 形压差计下端的排气阀。2. 在不同设备、不同温度下测定的 -Re 数据能否关联在一条曲线上？答：只要相对粗糙度相同， -Re 数据就能关联到一条曲线上。3. 以水为工作流体所测得的摩擦阻力系数与雷诺数的关系是否适用于