化工原理实验报告(流体阻力)

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ΔP ，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λ‐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：0.250.3163Re λ= 。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

①掌握测定流体流动阻力实验的一般实验方法。

②测定直管的摩擦阻力系数λ及突然扩大管和阀门的局部阻力系数ξ。 ③验证湍流区内摩擦系数λ为雷诺数Re 和相对粗糙度的函数。 ④将所得光滑管λ-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，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=ƒ(d ,l ,u ,ρ, μ, ε) 引入下列无量纲数群。

雷诺数 du Re ρ

μ=

相对粗糙度 d

ε 管子长径比l d

从而得到

2

(,,)p du l

u d d

ρερμ∆=ψ 令(Re,)d

ε

λ=Φ

2(Re,)2

p

l u d d ερ∆=Φ 可得到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。

2

2

f p

l u h d λρ∆==⨯

式中

f h ——直管阻力，J/k

g ；

l ——被测管长，m ； d ——被测管内径，m ； u ——平均流速，m/s ； λ——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λ-Re 关系。

(1)湍流区的摩擦阻力系数

在湍流区内(Re,)f d

ε

λ=。对于光滑管，大量实验证明，当Re 在35

310~10⨯范围内，λ与Re 的关系式遵循Blasius 关系式，即

0.250.3163Re λ=

对于粗糙管，λ与Re 的关系均以图来表示。 (2)层流的摩擦阻力系数

64Re

λ= 2. 局部阻力

2

2

f u h ξ=

式中，ξ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，ξ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Φ(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Φ(27×3)mm ；No.3管为Φ(27×2.75) mm 不锈钢管；No.4为Φ(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Φ(22×3) mm 扩大到Φ(48×3) mm ；a 1、a 2为层流管两端的两测压口；b 1、b 2为球阀的两测压口；c 1、c 2表示截止阀的两测压口；d 1、d 2表示不锈钢管的两测压口；e 1、e 2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

①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。

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。

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。

④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：μ=1.3053

⨯

10-

1）、不锈钢管 d=21mm l=1.50m

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

V/m 3.h -1 4.00 3.70 3.40 3.11 2.82 2.49 2.21 1.93 1.61 1.19 ΔP/kPa

7.18

6.24 5.42 4.63 3.91 3.14 2.55 2.03 1.49 0.90

序号 1 2

3

4

5

6

7

8

9

10

V/m 3.h -1 4.00 3.68 3.42 3.10 2.79 2.51 2.20 1.90 1.62 1.29 ΔP/kPa

10.45

8.89 7.72 6.39 5.24 4.29 3.34 2.53 1.90 1.30

V/m 3.h -1 3.80 2.79 1.68 ΔP/kPa

4.10

2.05

0.70

V/m 3.h -1 4.33 3.83 3.5 3.13 2.33 1.67 ΔP/kPa

2.35

2.22

1.94

1.64

1.17

0.81

2、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

雷诺数 du Re ρ

μ

=

2

2

f p

l u h d λρ∆==⨯

式中

f h ——直管阻力，J/k

g ；

l ——被测管长，m ； d ——被测管内径，m ； u ——平均流速，m/s ； λ——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

雷诺数 du Re ρ

μ

=

摩擦阻力系数

3、数据处理结果如下表所示

序号 V/m 3

/h -1

hf v/m/s -1

Re λ B λ