流体流动阻力的测定

化工原理实验报告

报告摘要

流体阻力的大小关系到输送机械的动力消耗和输送机械的选择，测定流体流

动阻力对化工及相关过程工业的设计、生产和科研具有重要意义。本实验利用由

水箱、离心泵、光滑管、粗糙管、层流管、突然扩大管及自动测压、测流量装置

等组成的装置，以水为工作流体，在常温常压下测定了光滑管、粗糙管、层流管

的摩擦阻力系数人和突然扩大管的局部阻力系数宫，依据伯努利方程及Blasius

关系式等，探讨了直管的摩擦阻力系数人随雷诺数Re的变化关系，验证了湍流

区内摩擦阻力系数入为雷诺数Re和相对粗糙度£/d的函数，并由测得的一系列

数据得到了直管的入-Re关系曲线，实验成功地完成了相关任务，达到了预期的

目的。

一、实验目的及任务

1、掌握测定流体流的阻力实验的一般实验方法。

2、测定直管的摩擦阻力系数人及突然扩大管和阀门的局部阻力系数自。

3、测定层流管的摩擦阻力。

4、验证湍流区内摩擦阻力系数入为雷诺数Re和相对粗糙度的函数。

5、将所得光滑管的人一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有关，可

表示为

AP=f(d,1,u,p,山£)

引入下列无量纲数群。

雷诺数Re=duP/u

相对粗糙度£/d

管子长径比1/d

从而得到

Ap,dup£1、

—二以一^,二,二）

pudd

令人二中（Re,£/d）

Np/YE£、忧

pdd2

可得摩擦阻力系数与压头损失之间的关系，这种关系可用试验方法直接测

得。

〃包=，匚

fpd2

式中为一直管阻力，J/kg；

L一被测管长，m；

D一被测管内径，m；

”一平均流速，m/s；

入摩擦阻力系数。

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

找到静压强差和摩擦隹力系数的关系式，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的管子入-Re关

系。

（1）湍流区的摩擦阻力系数

在湍流区内2=/（Rc,二）。对于光滑管，大量实验证明，当Re在3x10，105

d

范围内，入与Re的关系遵循Blasius关系式，及

入=0.3163/仙8$

对于粗糙管，入与Re的关系均以图来表示。

（2）层流的摩擦阻力系数

人丝

Re

2.局部阻力

式中，自为局部阻力系数，其与流体流过的管件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、实验装置流程图及主要测试仪器表

--1

11

I-------------------------^>—

01

9r;d-

d，I------------

3|------------

H[-?>-

图1流体阻

力实验装置流

程

1、水箱；2、离心泵；3、自动测压、测流量装置；4、上水阀；5、高位水槽；6、层

流管流量调节阀；7、阀门管线开关阀；8、球阀；9、截止阀；10、光滑管开关阀;

11、粗糙管开关阀12、突然扩大管开关阀13、沆量调节阀

四、实验操作要点

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、系统要排净气体使液体连续流动。设备和测压管线中的气体都要排净，

检验是否排净的方法是当流量为零时，观察U形王差计中两液面是否水平。

3、读取数据时，应注意稳定后再读。测定的，流量由大到小。充分利用面

板量程测取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、球阀和截止阀的局部阻力时，各测取三组数据。层流管的流量

用量筒与秒表测取。

4、测完一根管的数据后，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、实验数据处理

1、不锈钢管（光滑管）：1=1.50md=0.0205m

实验时水温为16.8℃,查表经计算得在该温度下水的密度P=998.68kg/m,

该温度下水的粘度21.101mPa・s,经处理可得如下表格：

次流量压降流速雷诺数阻力系数X误差\v

；

数qv(m7h)△p(kp“)u/(m/s)ReA(Blasius)(%)

10.500.26330.42178250.040700.0336321.02

20.700.41250.589109540.032530.030925.22

30.920.62920.774143970.028730.028880.52

41.130.90550.951176840.027400.027430.09

51.411.29951.187220650.025260.025952.67

61.822.04831.532284820.023900.024351.86

72.393.37942.011374020.022860.022740.52

82.904.73622.441453830.021760.021670.42

93.506.60222.946547720.020830.020680.73

103.817.71483.206596240.020540.020241.46

以第一组数据为例，计算如下:

4x。4x0.50_八如,

流速u=------:-r=--------------------7=0.421m/s

36()()吐/360()4x().02052

_dup0.0205x0.421x998.68_

雷诺数Re=--=--------------------=7825

LlOlxlO-

2dxAp_2x0.0205x263.3

阻力系数2==0.04070

Ipu21.50x998.68x0.4212

0.3163_0.3163

4mM-Re。*-78250,25

w(%)l^-^BIasius)|

误差=xi()o=2i()2

“Blasius)

2、镀锌管(粗糙管)：1=1.50md=0.0220m

流量压降流速雷诺数阻力系数

次数

Qv(m3/h)△p(kPa)u/(m/s)ReX

10.470.21430.34368540.05336

20.680.37030.49799160.04405

30.860.55570.628125410.04133

41.241.02570.906180820.03669

51.521.46531.Ill221650.03489

61.922.24471.403279980.03349

72.363.22971.725344140.03190

82.844.52812.075414140.03088

93.406.28932.485495800.02993

103.787.69332.762551210.02962

以第一组数据为例，计算如下:

4X(7.4X0.47./

流速u=----------=--------------7=N0.034O3m/s

3600;rxd23600^-X0.0222

dup().0220x0.343x998.68

雷诺数Re==6854

4l.lOlxlO-3

八世学二2x0.0220x214.3及6

阻力系数

Ipir1.50x998.68x0.3432

3、突然扩大管:4=0.0160m,L=0.140m；d2=0.0420m,l2=0.280m

流量压降流速流速局部阻力

次数3

qv(m/h)△p(kp„)ul/(m/s)u2/(m/s)系数g

11.050.16791.45060.21050.819152

22.090.69592.88740.41900.811783

33.071.62874.24140.61550.797624

以第一组数据为例，计算如下:

4><外4x1.05./

流速u-------------7=1.4506m/s

\=360(hrxd2360()^x0.0162

4xq,—区9~r=0.2105m/s

3600万)</36004x().0422

92A〃,9x1679

^2+—0.21052+

局部阻力系数€=1-------/一=1------------9?&68=()为19152

w,21.45062

最后求得局部阻力系数平均值宫=0.80952

4、层流管:1=1.00md=0.0025m

流量压降流速雷诺数阻力系数人阻力系数人误差

次数

q.(m7h)△pg)u/(m/s)Re（实验值）（理论值）（%）

10.00361.03030.2044620.124290.1385410.28

20.00441.25600.2495650.101430.1133510.51

30.00692.01280.3908850.066100.072288.55

40.00762.32050.4309750.062810.065624.28

50.00973.23250.54912450.053710.051424.47

60.01043.24780.58913350.046950.047962.10

70.01254.07830.70716040.040810.039902.28

流速二4x0.00360204m/s

3600^xj23600%x0.00252

中、甘妞「dup0.0025x0.204x998.68..

雷偌数Re=--=-------------：-----=46r2

〃LIOlxlO_3

阻力系数”=普=麻歌黯=°“429

六、实验结果及结论

用Excel画出摩擦阻力系数入-雷诺数Re图，分别见图2和图3：

士

*最

《

氐

由域数Re

图2摩擦阻力系数X与雷诺数Re的关系（光滑管和粗糙管）

<

蟒

而

-BR——层流（实测值）

——层奈（理论值）

100100010000

雷诺致Re

图3摩擦阻力系数人与雷诺数Re的关系（层流管）

1、对光滑管与粗糙管的实验结果分析：

（1）光滑管与粗糙管的摩擦阻力系数人均随雷诺数Re的增大非线性减小，当

Re大到一定程度后，入逐渐趋于一个定值，此后的流动可认为已进入阻力

平方区。这是因为此时层流内层已薄到可以使管壁表面上的凸出物完全暴

露在湍流核心之中。

(2)对于光滑管，在实验雷诺数下，入与Re应遵循Blasius关系式，即

X(Blasius)=0.3163/Re025

1.由图2可知，当Re增大时，光滑管实测值与理论值比较接近，表明实验

比较准确。

2.有些实装点偏差较大，原因可能是由于管内气泡并未完全排尽造成仪表