化工原理实验~流体流动阻力系数的测定实验报告

流体流动阻力系数的测定实验报告

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、测定直管的摩擦阻力系数λ及突然扩大管与阀门的局部阻力系数ξ。

3、验证湍流区内摩擦阻力系数λ为雷诺系数Re与相对粗糙度的函数。

4、将所得光滑管的λ—Re方程与Blasius方程相比较。

二、实验器材:

流体阻力实验装置一套

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,由于黏性与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与方向突然变化,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

△P=f (d, l, u,ρ,μ,ε)

引入下列无量纲数群。

雷诺数Re=duρ/μ

相对粗糙度ε/ d

管子长径比l / d

从而得到

△P/(ρu2)=ψ(duρ/μ,ε/ d, l / d)

令λ=φ(Re,ε/ d)

△P/ρ=(l / d)φ(Re,ε/ d)u2/2

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定。

h f=△P/ρ=λ(l / d)u2/2

——直管阻力,J/kg

式中,h

f

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

与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管子的λ—Re关系。

(1)、湍流区的摩擦阻力系数

在湍流区内λ=f(Re,ε/d)。对于光滑管,大量实验证明,当Re在3×103~105范围内,λ与Re的关系遵循Blasius关系式,即λ=0、3163 / Re0、25

对于粗糙管,λ与Re的关系均以图来表示。

2、局部阻力

h f=ξu2/2

式中,ξ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 达到一定值后,ξ与Re无关,成为定值。

四、实验步骤:

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,关闭其她的开关阀

与切换阀,保证测压点一一对应。

2、排净系统中的气体以便使液体能连续流动。设备与测压管线中的气体都要排净,观察U

形压差计中两液面就是否水平,如果水平说明系统中气体已经排净。

3、测定光滑管与粗糙管摩擦阻力,先将流量从小到大慢慢增加,并观察U形压差计中两液

面差,当液面差达到最大并等数据稳定后记录第一组数据,即此时的液体流量与压差。

接着将流量由大到小,每相差0、3m3/h左右侧一组数据。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(不记录数据)。测定突然扩大

管、球阀与截止阀的局部阻力时,各测取3组数据,具体步骤与侧量光滑管与粗糙管相

同。注意在记录整个实验的第一组数据时记录一次液体温度,记录最后一组数据时记录

一次温度。

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就是否水平,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、实验数据处理:

在整个实验过程中,液体温度可由始末温度值之与的平均值代替,则有

t=(t

始+t

末

)/2= (21、2+26、8)/2=24℃

此温度对应水的密度可由相关表查得,

ρ=997、2kg/m3

μ=0、9142mPa·S

1、求光滑管、粗糙管摩擦阻力系数λ与雷诺系数Re

由公式u=Q/A=3、54×102 Q/d2得到流速,由公式Re=duρ/μ可求得雷诺数,由式

h f=△P/ρ=λ(l / d)u2/2可求得真实的λ,由Blasius关系式λ’=0、3163 / Re0、25可求

得理论λ’。

光滑管几何尺寸为d=21mm, l=1、5m,相对粗糙度ε/ d=0、2/21=0、01

所求光滑管在不同流量下的u、Re、λ、λ’如下表:

光滑管的相关数据如下表:

粗糙管几何尺寸为d=22mm, l=1、5m,相对粗糙度ε/ d=0、3/22=0、014

所求粗糙管在不同流量下的u、Re、λ、λ’如下表:

粗糙管的相关数据表如下:

2、求局部阻力系数

由公式u=Q/A=3、54×102 Q/d2得到流速,由式h f=△P/ρ=ξu2/2可得到ξ。

其中,扩大管的管径取d=16mm,球阀与截止阀的管径取d=20mm。

所求得各数据如下表:

扩大管、球阀管、截止阀管的相关数据表如下:

3、所得湍流时—Reε/ d关系图如下:

六、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？

设备中要就是还有空气未排净将使设备中液体不能连续地流动,势必影响实验结果。在接通水泵电源以后,再打开流量调节阀门,使之大流量输出便可迅速有效地排净设备中的空气。

(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？

不能关联到一条曲线上。

(3)、测出的直管摩擦阻力与设备的放置状态有关不？为什么？

有关系。由h f =(P 1/ρ+z 1g )-( P 2/ρ+ z 2g ) =△P/ρ可知,阻力损失均主要表现为流

体势能的降低,即△P/ρ,只有当管道水平放置时,才能用△P 代替△P 。当不就是水平管时△P 还包含了高度差所产生的势能差,所以如果不就是水平管,则所求的摩擦阻力值要比实际的摩擦阻力要大。

(4)、如果要增加雷诺数的范围,可采取哪些措施？

可以同时增大管径与管内水的流量,或者用密度大、黏度小的液体进行试验。