流体流动阻力测定实验报告

实验名称：液体流动阻力的测定实验 一、 实验目的

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 验证湍流区摩擦阻力系数λ为雷诺数Re 和相对粗糙度的函数。 ④ 将所得光滑管的Re -λ方程和Blasius 方程相比较。

二、 实验器材

流体流动阻力实验装置

三、 实验原理

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，由于粘性和涡流的作用产生摩擦阻力；流体在流过突然扩大、弯头等官件时，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，在工程上通过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

),,,,,(εμρu l d f p =∆

引入下列无量纲数群。

雷诺数 μ

ρ

du =Re

相对粗糙度

d ε

管子长径比 d

l

从而得到

)l

,,(2

d d du u

p εμρρψ=∆ 令)(Re,d

ε

Φ=λ

2

)(Re,l 2u d d p

εΦ=∆ρ 可得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

l 2

u d p

h f ⨯=∆=λρ

式中 f h ——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 ； λ——摩擦阻力系数。

当流体在一管径外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的静压强差，即为流体流过两截面的流动阻力。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。改变流速可测不同Re 下的摩擦阻力系数，这样就可得出某一相对粗糙度下管子的Re -λ关系。 （1） 湍流区的摩擦阻力系数

在湍流区内)(Re,μ

ε

f =λ。对于光滑管，大量实验证明，当Re 在5

310~103⨯范围内，λ与Re 的关系Blasius 关系，即

25.0Re /3163.0=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

Re

64=λ 2. 局部阻力

2

2

u h s ξ=

式中，ξ为局部阻力系数，其中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，ξ和Re 无关，成为定值。

四、 实验装置

图-1 管道流体阻力测定实验——实验装置示意图及流程

1、2—白铁管；3—不锈钢管； 4—白铁管； 5—孔板流量计； 6—文丘里流量计； 7—涡轮流量计；

以水为工作流体，经高位槽（或实验自备水箱）由泵循环供水，流体经2#管路作测定光滑直管摩擦系数λ与雷诺数Re的关系；流体流经3#管路作粗糙直管的摩擦系数λ与雷诺数Re的关系，流体流经4#管路作测定闸阀（全开时）的当量长度Le，流体流经直管及闸阀时所产生阻力损失用U型压差计测量，流量由数字式流量积算仪显示。

五、实验内容及步骤

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，保证测压一一对应。

②系统要排净气体连续流动。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形压差计中两液面是否水平。

③读取数据时，应注意稳定后在读数。测定直管摩擦阻力时，流量由大到校，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3组数据。层流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条管路，否则全部数数据无效。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。

六、实验数据及处理

表-2 扩大管、截止管、球阀数据表

2. λ与Re 关系图的绘制

以表-1第一组光滑管数据为例Re 、λ、ξ数据进行求解： 将第一组数据带入公式μ

ρ

du =

Re 得：

74850.753600

10900.20.0213.14 4.01

997.24Re 6

-=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=

=

μ

ρ

du 由2l 2

u d p

h f ⨯

=∆=λρ ⇒ 22u

p d ρλ∆= 将第一组数据带入上式得：

0.021901

.41.5997.281000

06.80.0213600)(3.1422

522=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=∆=u p d ρλ 由22u h s ξ=和2

l 2

u d p h f ⨯

=∆=λρ联立得22u p ρξ∆= 将表-2球阀第一组数据带入得：

)03.3997.2(81000

02.2(0.02)3600)3.14(0219.022

422⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=∆=u p ρξ 根据以上计算过程计算出其他的数值，结果列表如下：

表-3 光滑管、粗糙管、扩大管、截止管、球阀数据处理表

利用表-3中的数据绘制出λ与Re 关系图如下：

图-2 λ与Re 关系图

七、 实验结论及误差分析

1. 实验结论

① 绘制出湍流时Re -λ关系曲线； ② 计算出局部阻力系数ξ；

2. 误差分析

① 给离心泵灌水排气时间不是很充足。 ② 对倒U 型压差计进行排气和调零时，压差计两端在带压且零流量时的液位高度并不是完全相等。

③ 每次改变流量后，流动并未彻底达到稳定，记下了流量和压差读数。 ④ 测量仪器自身带来的误差。

八、 思考题

① 在测量前为什么要将设备的空气排净？怎样才能迅速地排净？

答：测量前将设备的空气排净是为了让流体能够连续流动，要将空气迅速地排净的方法就是将鼓风机的频率调最大。

② 在不同设备（包括相对粗糙度相同而管径不同）、不同温度下测定的λ-Re 数据能否关联在一条曲线上？

答：相对粗糙度相同时能关联在一条曲线上，否则不能。

④ 测出的直管摩擦阻力与设备的放置状态有关吗？为什么？（管径、管长相同，且321R R R ==）

答：无关。

⑤ 如果要增加雷诺数的范围，可采取哪些措施? 答：由μ

ρ

du =

Re 可知，要增加雷诺数的范围可以增大管径和流体流速。