流体流动阻力的测定(教案)

实验二流体流动阻力的测定

难点：因次分析方法对工程实际问题的分析解决；

重点：测定流体经直管和管件时阻力损失的实验组织法；

课时：4学时，其中实验讲解约1学时，学生完成实验3学时；

流体流动阻力测定是化工领域中最重要的实验之一，是运用因次分析方法的理论来具体解决复杂工程问题的实例，通过实验掌握工程实验的基本实验技能。

一、实验目的

1.熟悉测定流体经直管和管件时阻力损失的实验组织法及测定摩擦系数的工程

意义；

2.学会用因次分析方法解决工程实际问题；

3.学会压差计、流量计的使用方法；

4.学会识别组成管路中各个管件，阀门并了解其作用。

二、实验任务

1.测定特定ε/ d条件下直管摩擦系数和雷诺数的关系。

2.测定流体流经阀门和弯头时的阻力系数。

三、实验原理

由于流体粘性的存在，流体在流动的过程中会发生流体间的摩擦，从而导致阻力损失。层流时阻力损失的计算式是由理论推导得到的；湍流时由于情况复杂得多，未能得出理论式，但可以通过实验研究，获得经验的计算式。

1、直管阻力——采用因次分析法规划实验：

（1）影响过程的主要因素

=f (d, u,ρ,μ, l,ε)

h

f

与的大小取决于流体的物性（密度ρ、粘度μ）、流湍流时直管阻力损失h

f

动状况（流速u）及流道的几何尺寸和形状（内直径d、长度l、管壁粗糙程度ε），

的值而其它自变量保持不变，6个自变若每个自变量的数值变化10次，测取h

f

量，根据正交网络法规划，实验次数将达106。

2、因次分析法规划实验因次分析法是通过将变量组合成无因次数群，从而研究无因次数群之间的关系，大大减少实验自变量的个数 ，大幅度地减少实验次数 。

在物理方程因次一致性的条件下，任何一个方程都可化为无因次方程；原方程共有7个变量；它们的因次分别为：d -- [L]；u -- [LT －1]；ρ– [ML －3]；μ-- [ML －1T －1]；ε-- [L]；h f -- [L 2T －2

]，其中有[L]、[M]、[T] 3个基本因次；根据无因次方程的变量总数等于原方程变量总数和基本因次数之差，可得无因次数群的个数π=7-3=4个。

即h f =f (d, u,ρ,μ, l,ε) → π4 =f （π1，π2，π3）式中：[]d L εεπ==

1 []d L L L ==

2π [][][][]113113Re -----===LT L ML T ML μμπ

[]2224u h T L h f f ==-π

由因次分析法可将对h f =f (d, u,ρ,μ, l,ε)的研究转化成对无因次数群π4 =f （π1，π2，π3）之间关系的研究，即：

实验工作量将从106次实验 → 103次实验，若实验设备已定，则：

实验次数又将从103次实验 → 102次实验，从而，实验工作量大大降低。若实验设备是水平直管，阻力损失表现为压强的降低，即：

),,('2d d l du f u h f

εμρ=2

),(2

u d l d du f h f ⋅⋅=εμρ2

),(2

u d l d du f P ⋅⋅=∆εμρρ

所以

其中

在实验装置和物系已确定的情况下，摩擦系数λ只随Re 而变，实验操作变量仅是流量，通过阀门的开度改变流量，用流量计测定流速，由压差计测定压差，用温度计测定物系温度，从而确定ρ和μ。

四、实验装置

光滑直管为不锈钢管，管径20.5mm ，测压点间长度2m ；粗糙直管为镀锌管，管径20.5mm ，测压点间长度2m ；两根管并联，通过球阀控制，直管和弯头的压强损失使用水银压差计测定，闸阀的压强损失通过氯仿压差计测定。

2

2u d l P ⋅⋅=∆λρ),(d du f εμρλ=

实验介质为自来水，置于水箱内循环使用，通过离心泵输送，用流量计测定流速，用出口控制阀调节流量（注意：出口控制阀的安装位置，流量调节阀一般不设在吸入侧，以免在关小阀门使发生气蚀现象，也不宜装在离泵很远的出口线上否则，在调节阀前面管段内若有积存空气时会发生泵的喘振，通常在靠近出口的管上安装流量调节阀）。

五、实验步骤

1、实验准备：对照实验流程图，熟习实验装置及流程，识别组成管路中各个管

件、阀门、压差计并了解其作用；检查轴承润滑情况，用手转动联轴节看其是否转动灵活；同时将水箱充水至80％。

2、打开压差计平衡阀、四个引压阀和切换阀；关闭各放气阀和离心泵的出口控

制阀，启动电源。（为什么？——离心泵在启动时关闭出口阀门，可使轴功率低，以免电机烧坏；同时，在出口阀全开的情况下开动离心泵，管内流量瞬间达到最大值，压差计也会随着迅速上升，这样很可能导致压差计中的指示液被冲走）。

3、系统排气（为什么？——气体的存在会影响压力传递，导致测量误差）。

管路排气：先将控制阀开足然后再关闭，重复三次，排走总管中的大部分气体，然后打开总管排气阀，开足然后再关闭，重复三次。（注意平衡阀处于开启状态）

引压管排气：依次分别对六个放气阀，开关重复三次，应保持平衡阀在开启状态。

压差计排气：关闭平衡阀，缓慢旋动压差计上放气阀排除压差计中的气泡，注意：此时眼睛要注视着U型压差计中的指示液面的上升，先排进压管，后排低压管（严防压差计中水银冲走），排气完毕。

4、检验排气是否彻底。（如何检验？——将出口控制阀打开至最大，再关闭出口

阀，看U型压差计读数，若左右读数相等，说明排气彻底，若左右读数不等，重复上述3排气顺序。