流体流动阻力测定实验

实验报告

项目名称：流体流动阻力测定实验

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专业年级：

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姓名：

指导老师：

实验组员：

一、实验目的

1、学习管路阻力损失h f和直管摩擦系数的测定方法。

2、掌握不同流量下摩擦系数与雷诺数Re之间的关系及其变化规律。

3、学习压差测量、流量测量的方法。了解压差传感器和各种流量计的结构、使用方法及性能。

4、掌握对数坐标系的使用方法。

二、实验原理

流体在管道内流动时，由于黏性剪应力和涡流的存在，会产生摩擦阻力。这种阻力包括流体流经直管的沿程阻力以及因流体运动方向改变或管子大小形状改变所引起的局部阻力。

流体在直管内流动阻力的大小与管长、管径、流体流速和管道摩擦系数有关，它们之间存在如下关系：

h f = ρf

P ∆=2

2

u d l λ （4-1）

式中： -f h 直管阻力，J/kg ；

-d 直管管径，m ；

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

；

-λ摩擦系数。 滞流时，λ=

Re 64

；湍流时，λ与Re 的关系受管壁相对粗糙度d

ε⋅的影响，即λ= )(Re,d

f ε

。当相对粗糙度一定时，λ仅与Re 有关，即λ=(Re)f ，由实验可求得。

由式（4—1），得 λ=

2

2u P l d f

∆⋅⋅ρ （4-2） 雷诺数 Re =μ

ρ

⋅⋅u d （4-3）

式中-μ流体的黏度，Pa*s

和流体在管内的流速u，查出流体的物理性质，即可分别计测量直管两端的压力差p

算出对应的λ和Re。

三、实验装置

1、本实验共有两套装置，实验装置用图4-2所示的实验装置流程图。每套装置中被测光滑直管段为管内径d=8mm，管长L=1.6m的不锈钢管；被测粗糙直管段为管内径d=10mm，管长L=1.6m的不锈钢管

2、流量测量：在图1-2中由大小两个转子流量计测量。

3、直管段压强降的测量：差压变送器或倒置U形管直接测取压差值。

图4-2 流体流动阻力测定实验装置流程图

⑴—大流量调节阀；⑵—大流量转子流量计；⑶—光滑管调节阀；⑷—粗糙管调节阀；⑸—光滑管；⑹—粗糙管；⑺—局部阻力阀；⑻—离心泵；⑼—排水阀；⑽倒U管⑾⑾’—近端测压点；⑿⑿’—远端测压点；⒀⒀’—切断阀；⒁⒁’—放空阀；⒂⒂’—光滑管压差；⒃⒃’—粗糙管压差；⒄—数字电压表；⒅—压差变送器

四、实验步骤

1、检查储水槽内的水位是否符合要求，检查离心泵的所有出口阀门以及真空表、压力表的阀门是否关闭。

2、开总电源，在仪表面板上按变频器的“run ”按钮启动变频电动机。

3、在流量为零条件下，打开通向倒置U 形管的进水阀，检查导压管内是否有气泡存在，以及U 形管两边液柱是否水平。若U 形管内液柱高度差不为零，则表明导压管内存在气泡，需要进行排气泡操作。

排气泡的方法：打开管路的流量调节阀，排出导管内的气泡，再关闭流量调节阀，开大流量，旋开倒置U 形管上部的放空阀，当U 形管内两液柱降至中间时马上关闭放空阀，检查液柱两边是否水平。

4、测光滑管阻力时，关闭粗糙管截止阀，将光滑管截止阀全开，测粗燥管阻力则相反。

5、用于测量直管段的压差，小流量时用倒置∪型管压差计测量，大流量时用差压变送器测量。应在最大流量（1000L/h ）和零流量之间取值，测取12组数据。当流量小于100L ／h 时,测量5组数据，同时测取水箱水温。

6、待数据测量完毕，关闭流量调节阀，按变频器“stop ”按钮关闭电动机，关电源。

五，实验过程原始记录（数据、图表、计算等）

1、 基本数据

装置型号： 直管管长： m 离心泵型号： 粗糙管内径： m 光滑管内径： m 流体密度ρ： 3

/m kg 流体温度（原始数据）： C ︒ 流体黏度μ5

10⨯： s Pa ⋅

2、 实验数据记录表

○

1为实验原始数据 数据处理

（1） 管内流速 2

4

d Q

u π=

=

113.00079

.03600100020

42

=⨯⨯⨯⨯π （2） 压力降 Pa gh p 24.39004.081.908.996=⨯⨯==∆ρ

（3） 雷诺数 10731013.8608

.996113.00079.0Re 5

-=⨯⨯⨯=

=

μ

ρ

du

（4） 摩擦系数 0492.0113.06.108.99624

.390079.0222

2=⨯⨯⨯⨯=∆=

lu p d ρλ 式中 -Q 流体的体积流量，s m /3；

-d 直管管径，m ；

-l 直管管长，m ； -u 管路流速，m / s ； -ρ流体的密度，kg / m 3

；

-μ流体的黏度，Pa*s 。

六、实验结果及分析

曲线表明，在湍流区内，光滑管阻力系数随雷诺数增大而减小，，进入阻力平方区（也称完全湍流区）后，雷诺数对阻力系数的影响却越来越弱，阻力系数基本趋于不变。然而，第五个点阻力系数急剧下降，可能是由于用转子流量计测流量时流量太大，导致转子不稳定，度数出现误差。 （2）粗糙管结果分析：

曲线表明，在湍流区内，粗糙管阻力系数随雷诺数增大而减小，进入阻力平方区（也称完全湍流区）后，雷诺数对阻力系数的影响却越来越弱，阻力系数基本趋于不变。由图看出试验中有两个点是有较大的偏差，可能是由于在U 形管压差计度数上出现了误差。 八、思考题

1、实验应取得15组以上的数据，且希望这些点在曲线上尽可能均匀分布，为此实验中压差的读数应怎么选取

答：小流量范围内（0~100L/h ）取5个流量点，剩下的点在大范围（100~1000L/h ）内平均选取7个点。

2、本实验以水为工作介质，绘出的Re -λ曲线，对其他流体能否使用为什么

答：不能，因为，每一种流体他们的流体密度还有粘度都不同，都会影响摩擦系数λ和雷诺数Re 的大小变化，根据公式λ=64μ/ρud=64/Re ，在相同的粗糙度管中，得出的关系曲线也是不同的。因此，用水得出的λ-Re 关系不能用于其它种类的牛顿型流体。 3、不同管径、不同水温下测定的Re -λ数据能否关联在同一条曲线上

答：不能，因为管径和温度不同都会影响雷诺数及摩擦系数λ。他们得到的λ-Re 曲线图都不同。例如，由于温度的改变，会影响液体的粘度改变，还有液体密度的改变。摩擦系数的公式中，λ=64μ/ρud=64/Re 因此，温度的改变会影响摩擦系数和雷诺数的改变。因此，他们不是在同一条曲线上，但能反映在同一副图中，作出比较。 4、在圆直管内及导压管内可否有积存的空气如有，会有何影响

答：不可以有空气，因为如果设备含有气泡的话，就会影响U 型管的读数，读数不准确，便会影响实验结果的准确性。

5、本实验是测定等直径水平直管的流动阻力，若将水平管改成流体自下而上流动的垂直管，