实验一 流体流动阻力的测定

实验一 流体流动阻力的测定

一、 实验目的和任务

1.了解流体流过管路系统的阻力损失的测定方法；

2.测定流体流过圆形直管的阻力，确定摩擦系数λ与流体Re 的关系；

3.测定流体流过管件的阻力，局部阻力系数ξ；

4.学会压差计和流量计的使用方法；

5.识别管路中各个管件、阀门，并了解其作用；

二、实验原理

流体的流动性，即流体内部质点之间产生相对位移。真实流体质点的相对运动表现出剪切力，又称内摩擦力，流体的粘性是流动产生阻力的内在原因。流体与管壁面的摩擦亦产生摩擦阻力，统称为沿程阻力。此外，流体在管内流动时，还要受到管件、阀门等局部阻碍而增加的流动阻力，称为局部阻力。因此，研究流体流动阻力的大小是十分重要的。 2.1 直管摩擦系数λ测定 流体在管道内流动时，由于流体粘性作用和涡流的影响产生阻力。阻力表现为流体的能量损失，其大小与管长、管径、流体流速等有关。流体流过直管的阻力计算公式，常用以下各种形式表示： )2( 2g

u d L H 2

f λ＝

或 )3( 2

L P P P 2

21f u d ρλ

＝－＝－∆ 式中h f ——以能量损失表示的阻力，J ／kg ； H f ——以压头损失表示的阻力，m 液柱；

△P f ——以压降表示的阻力，N ／m 2

L ——管道长，m

d ——管道内径，m ； u ——流体平均流速，m/s ；

P ——流体密度，kg ／m 3

； λ——摩擦系数，无因次；

g ——重力加速度，g 一9.81m/s 2

。．

λ为直管摩擦系数，由于流体流动类型不同，产生阻力的原因也不同。层流时流体流动主要克服流体粘性作用的内摩擦力。湍流时除流体的粘性作用外，还包括涡流及管壁粗糙度的影响，因此λ的计算式形式各不相同。层流时，利用计算直管压降的哈根－泊谡叶公式： )4( d

u

L 32P P P 2

21f μ＝

－＝－∆ 和直管阻力计算公式(3)，比较整理得到λ的理论计算式为 )5( Re

64

du 232＝＝

ρμλ⨯ 由此式可见，λ与管壁粗糙度ε无关，仅为雷诺数的函数。

(1)

2L h 2

f u d λ＝

湍流时，由于流体流动的复杂性和管壁粗糙度的影响，λ的计算比层流复杂，是利用因次分析和实验得到计算公式。将影响阻力的许多因素表示为压降的函数，即 ），，，，，（＝εμρu L d f P f ∆ 通过因次分析得到以下准数函数式，

），，（＝d d L du f u

P 2

f ε

μρρ∆ 也与计算直管阻力的公式(3)相比较，整理得到： ）

，（）＝，（

＝d /Re f d

du f εε

μρλ 由此式可见，湍流时直管摩擦系数λ，是流体流动Re 和管壁相对粗糙度ε／d 的函数。此函数的具体形式通过实验确定。

许多学者实验研究了上述函数关系，其中较简单的是柏拉修斯(Blasius)公式： )6( Re

3164

.025

.0＝

λ 此式适用于光滑管，Re 在2500～1×105

范围内。对粗糙管λ与Re 的关系，可见化工原

理教材上册摩擦系数λ与雷诺数Re 及相对粗糙度ε/d 的关系图及其他学者的计算公式。 本实验是利用水作实验，在管长、管径和管壁粗糙度一定的条件下，改变水的流量，测定直管阻力，即流体压力降ΔP f =P 1－P 2，然后分别计算λ和Re 值，考察两者的关系。 2.2局部阻力系数ξ测定

流体在管路中流过管件如阀门、弯头、三通、突然扩大或突然收缩等处时，产生涡流形成阻力，习惯称为局部阻力。其计算式表示为 )7( m /N 2

u P 22

f ρξ

＝∆

式中，ξ称为局部阻力系数，无因次。它与管件的几何形状与Re 有关。当Re 大到一定

时，ξ与Re 无关，成为定值。管件的局部阻力系数ξ也都是由实验测定的。

三、实验装置

3.1设备的主要技术数据:

⒈ 被测光滑直管段： 管径d —0.008m ； 管长L —1.698m ； 材料—不锈钢管

被测粗糙直管段： 管径 d —0.010m ； 管长L —1.698m ； 材料—不锈钢管 ⒉ 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. 玻璃转子流量计:

型号 测量范围 LZB —40 100～1000(L ／h) LZB —10 10～100(L ／h) 3.2实验流程

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；25-涡轮流量计

四、实验方法及步骤:

1.向储水槽内注水，直到水满为止。

2. 大流量状态下的压差测量系统，应先接电预热10～15分钟，调好数字表的零点，然后启动泵进行实验。

3. 光滑管阻力测定：

⑴关闭粗糙管阀18、粗糙管测压进水阀20、粗糙管测压回水阀8，将光滑管阀17全

⑵在流量为零条件下，打开光滑管测压进水阀19和回水阀9，旋开倒置U型管进水阀

11，检查导压管内是否有气泡存在。若倒置U型管内液柱高度差不为零，则表明导压管内存在气泡，需要进行赶气泡操作。导压系统如图2所示。

操作方法如下：

开大流量，使倒置U型管内液体充分流动，以赶出管路内的气泡；若认为气泡已赶净，将流量阀关闭；慢慢旋开倒置U型管上部的放空阀21，打开阀3、4，使液柱降至零点上下时马上关闭，管内形成气-水柱，此时管内液柱高度差应为零。然后关闭放空阀21。