3_流体流动时摩擦阻力系数的测定

生物系统传输过程实验报告

实验报告

课程名称：生物系统传输过程实验

指导老师：叶章颖 成绩：______ 实验名称：流体流动时摩擦阻力系数的测定 实验类型：__探究型实验__ 一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填）

一、实验目的

测定流体流动时的沿程阻力系数和局部阻力系数及不同流型下直管沿程阻力系数λ随雷诺数Re 的变化关系。掌握流量压强的测量方法。

二、实验装置

1.实验设备的基本情况

实验流程示意图见图1。

水泵2将储水槽1中的水抽出，送入实验系统，首先经玻璃转子流量计15、16测量流量，然后送入被测直管段测量流体在光滑管或粗糙管的流动阻力，或经10测量局部阻力后回到储水槽，水循环使用。被测直管段流体流动阻力△p 可根据其数值大小分别采用变送器12或空气-水倒置∪型管22来测量。

图1 流动阻力实验流程示意图

1-水箱；2-离心泵；3、4-放水阀；5、13-缓冲罐；6-局部阻力近端测压阀；7、15-局部阻力远端测压阀；8、20-粗糙管测压回水阀；9、19-光滑管测压回水阀；10-局部阻力管阀；11-U 型管进水阀；12-压力传感器；14-流量调节阀； 15、16-水转子流量计；17-光滑管阀；18-粗糙管阀； 21-倒置U 型管放空阀；22-倒置U 型管；23-水箱放水阀；24-放水阀；

专业：生物系统工程 姓名：邵建智 学号：3110100122 日期：2013.9.30 地点： 院楼D228

2.设备的主要技术数据

（1） 被测光滑直管段： 管径d —0.008m ； 管长L —1.69m ； 材料—不锈钢管

被测粗糙直管段： 管径 d —0.010m ； 管长L —1.69m ； 材料—不锈钢管 （2）被测局部阻力直管段: 管径 d —0.015m ；管长 L —1.2m ； 材料—不锈钢管 （3）压力传感器: 型号:LXWY 测量范围: 200 KPa （4）直流数字电压表: 测量范围: 0 ～ 200 KPa （5）离心泵: 型号: WB70/055 流量: 8(m 3／h) 扬程: 12(m) 电机功率: 550(W) （6）玻璃转子流量计:

型号 测量范围 精度 LZB —40 100～1000(L ／h) 1.5 LZB —10 10～100(L ／h) 2.5 3.实验设备的功能与特点

本实验装置可用于实验教学和科研。利用该实验装置，可学习和掌握光滑直管、粗糙直管的阻力系数与雷诺准数的测量方法；也可学习局部阻力的测量方法；学习几种压差测量方法；加深对流体流动阻力概念的理解。 本实验装置的特点：

⑴ 本实验装置数据稳定，重现性好，能给实验者明确的流体流动阻力概念。

⑵ 雷诺准数的数据范围宽，可作出102～104三个数量级。能够测量出光滑管、粗糙管的阻力系数与雷诺准数的关系，同时也可以测量阀门局部阻力。 ⑶ 实验采用循环水系统，节约实验费用。

⑷ 测量系统采用量程不同的两种流量计和压差测量仪表，测量精度较高。

⑸ 采用压力传感器—数字表系统,测量大流量下的流体流动阻力, 实验数据稳定可靠。

三、实验原理

1. 直管摩擦系数λ与雷诺数Re 的测定

直管的摩擦阻力系数是雷诺数和相对粗糙度的函数，即)/(Re,d f ελ=，对一定的相对粗糙度而言，

(Re)f =λ。

流体在一定长度等直径的水平圆管内流动时，其管路阻力引起的能量损失为：

g

P g P P h f

f ρρ∆=

-=21 （1） 又因为摩擦阻力系数与阻力损失之间有如下关系（范宁公式）

g

u d l h g

P f f

22λρ==

∆ （2）

整理（1）（2）两式得

2

2u P l d f

∆⋅

⋅=ρλ （3）

μ

ρ

⋅⋅=

u d Re （4）

式中：-d 管径，m ；

-∆f P 直管阻力引起的压强降，Pa ； -l 管长，m ； -u 流速，m / s ； -ρ流体的密度，kg / m 3；

-μ流体的粘度，N ·s / m 2。

在实验装置中，直管段管长l 和管径d 都已固定。若水温一定，则水的密度ρ和粘度μ也是定值。所以本实验实质上是测定直管段流体阻力引起的压强降△P f 与流速u （流量V ）之间的关系。

根据实验数据和式（3）可计算出不同流速下的直管摩擦系数λ，用式（4）计算对应的Re ，从而整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系，绘出λ与Re 的关系曲线。

2. 局部阻力系数ζ的测定

g u g P h f f 22

'ζρ=∆=

' （5） 2'2u P f

∆⋅⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛=ρζ （6）

式中：-ζ局部阻力系数，无因次； -∆'

f P 局部阻力引起的压强降，Pa ；

-'f h 局部阻力引起的能量损失，J ／kg 。

图3 局部阻力测量取压口布置图

局部阻力引起的压强降'

f P ∆ 可用下面的方法测量：在一条各处直径相等的直管段上，安装待测局部阻力的阀门，在其上、下游开两对测压口a-a ’和b-b ＇，见图3，使

ab ＝bc ； a ＇b ＇＝b ＇c ＇ 则 △P f ，a b ＝△P f ，bc ； △P f ，a ＇b ＇= △P f ，b ＇c ＇ 在a~a ＇之间列柏努利方程式： P a －P a ＇ =2△P f ，a b +2△P f ，a ＇b ＇+△P

＇

f （7）