化工原理實(shí)驗(yàn)~流體流動(dòng)阻力系數(shù)的測(cè)定實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?1、 2、 3、 4、 二、實(shí)驗(yàn)器材： 流體流動(dòng)阻力系數(shù)的測(cè)定實(shí)驗(yàn)報(bào)告 掌握測(cè)定流體流動(dòng)阻力實(shí)驗(yàn)的一般實(shí)驗(yàn)方法。 測(cè)定直管的摩擦阻力系數(shù)入及突然擴(kuò)大管和閥門的局部阻力系數(shù) 驗(yàn)證湍流區(qū)內(nèi)摩擦阻力系數(shù)入為雷諾系數(shù)Re和相對(duì)粗糙度的函數(shù)。 將所得光滑管的 入一Re方程與Blasius方程相比較。 流體阻力實(shí)驗(yàn)裝置一套 三、實(shí)驗(yàn)原理： 1、 直管摩擦阻力 不可壓縮流體(如水) ，在圓形直管中做穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，由于黏性和渦流的作用產(chǎn) 生摩擦阻力；流體在流過突然擴(kuò)大、彎頭等管件時(shí)，由于流體運(yùn)動(dòng)的速度和方向突然 變化，產(chǎn)生局部阻力。影響流體阻力的因素較多，在工程上通常采用量綱分析方法簡(jiǎn) 化實(shí)驗(yàn)，

2、得到在一定條件下具有普遍意義的結(jié)果，其方法如下。 流體流動(dòng)阻力與流體的性質(zhì)，流體流經(jīng)處的幾何尺寸以及流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，可表示 為 P=f (d, I, u, p ,卩, ) 引入下列無量綱數(shù)群。 雷諾數(shù) Re=du p /卩 相對(duì)粗糙度 管子長(zhǎng)徑比 從而得到 P/( p u2)= w (du p /, / d， l / d) 令入=(Re, / d) u2/2 ,這種關(guān)系可用試驗(yàn)方法直接測(cè)定。 P/ p = (I / d) (Re, / d) 可得摩擦阻力系數(shù)與壓頭損失之間的關(guān)系 h f= P/ p =入(I / d) u2/2 式中, h f 直管阻力, J/kg I 被測(cè)管長(zhǎng)，m d被測(cè)管內(nèi)徑

3、，m u平均流速，m/s 入一一摩擦阻力系數(shù)。 當(dāng)流體在一管徑為d的圓形管中流動(dòng)時(shí)， 選取兩個(gè)截面，用U形壓差計(jì)測(cè)出這兩 個(gè)截面間的靜壓強(qiáng)差,即為流體流過兩截面間的流動(dòng)阻力。根據(jù)伯努利方程找出靜壓 強(qiáng)差和摩擦阻力系數(shù)的關(guān)系式，即可求出摩擦阻力系數(shù)。改變流速可測(cè)出不同Re下 的摩擦阻力系數(shù)，這樣就可得出某一相對(duì)粗糙度下管子的入一Re關(guān)系。 (1) 、湍流區(qū)的摩擦阻力系數(shù) 在湍流區(qū)內(nèi)入=f (Re, / d)。對(duì)于光滑管，大量實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng) Re在3x 103105范圍內(nèi)，入和Re的關(guān)系遵循 Blasius關(guān)系式，即 入=0.3163 / Re0-25 對(duì)于粗糙管，入和Re的關(guān)系均以圖來表示。 2、

4、局部阻力 hf= E u2/2 Re有關(guān)， 四、實(shí)驗(yàn)步驟: 1、 2、 式中，E為局部阻力系數(shù)，其與流體流過的管件的幾何形狀及流體的 當(dāng)Re達(dá)到一定值后，E與Re無關(guān)，成為定值。 啟動(dòng)離心泵，打開被測(cè)管線上的開關(guān)閥及面板上與其相應(yīng)的切換閥，關(guān)閉其他的開關(guān) 閥和切換閥，保證測(cè)壓點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。 排凈系統(tǒng)中的氣體以便使液體能連續(xù)流動(dòng)。設(shè)備和測(cè)壓管線中的氣體都要排凈，觀察 U形壓差計(jì)中兩液面是否水平，如果水平說明系統(tǒng)中氣體已經(jīng)排凈。 測(cè)定光滑管和粗糙管摩擦阻力，先將流量從小到大慢慢增加，并觀察U形壓差計(jì)中兩 液面差，當(dāng)液面差達(dá)到最大并等數(shù)據(jù)穩(wěn)定后記錄第一組數(shù)據(jù)，即此時(shí)的液體流量和壓 差。接著將流量由大到

5、小，每相差 0.3m3/h左右側(cè)一組數(shù)據(jù)。充分利用面板量程測(cè)取 10組數(shù)據(jù)，然后再由小到大測(cè)取幾組數(shù)據(jù)，以檢查數(shù)據(jù)的重復(fù)性(不記錄數(shù)據(jù))。測(cè) 定突然擴(kuò)大管、球閥和截止閥的局部阻力時(shí)，各測(cè)取3組數(shù)據(jù)，具體步驟與側(cè)量光滑 管和粗糙管相同。注意在記錄整個(gè)實(shí)驗(yàn)的第一組數(shù)據(jù)時(shí)記錄一次液體溫度，記錄最后 一組數(shù)據(jù)時(shí)記錄一次溫度。 測(cè)完一根管的數(shù)據(jù)后，應(yīng)將流量調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，觀察壓差計(jì)的兩液面是否水平，水平時(shí) 才能更換另一條管路，否則全部數(shù)據(jù)無效。同時(shí)要了解各種閥門的特點(diǎn)，學(xué)會(huì)使用閥 門，注意閥門的切換，同時(shí)要關(guān)嚴(yán)，防止內(nèi)漏。 五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理： 在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，液體溫度可由始末溫度值之和的平均值代替，則有

6、t=(t 始+t 末)/2= (21.2+26.8)/2=24 C 此溫度對(duì)應(yīng)水的密度可由相關(guān)表查得， p =997.2kg/m3 =0.9142mPa - S 1、求光滑管、粗糙管摩擦阻力系數(shù)入和雷諾系數(shù)Re 由公式u=Q/A=3.54 X102 Q/d2得到流速，由公式 Re=du p/可求得雷諾數(shù)，由式 h f= P/ p =入(l / d) u2/2可求得真實(shí)的 入，由Blasius關(guān)系式 入0.3163 / Re025可 求得理論入 光滑管幾何尺寸為d=21mm ,1= 1.5m，相對(duì)粗糙度 / d=0.2/21=0.01 所求光滑管在不同流量下的U、Re、入、入如下表： 光滑管的相

7、關(guān)數(shù)據(jù)如下表： 序號(hào) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Q/ m3 /h 3.50 3.22 2.94 2.66 2.38 2.10 1.82 1.54 1.26 0.98 P/kPa 6.80 5.83 4.93 4.14 3.32 2.70 2.12 1.53 1.09 0.76 u/m/s 2.81 2.58 2.36 2.14 1.91 1.69 1.46 1.24 1.01 0.79 Rex 10-4 6.44 5.91 5.41 4.90 4.38 3.87 3.34 2.84 2.31 1.81 入 0.0242 0.0246 0.0249 0.0254 0.0256 0

8、.0266 0.0279 0.0280 0.0300 0.0342 入， 0.0199 0.0203 0.0207 0.0213 1 0.0219 1 0.0226 | 0.0234 | 0.0244 0.0257 0.0273 粗糙管幾何尺寸為d=22mm , 1= 1.5m，相對(duì)粗糙度 / d=0.3/22=0.014 所求粗糙管在不同流量下的U、Re、入、入如下表： 粗糙管的相關(guān)數(shù)據(jù)表如下 序號(hào) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Q/ m3 /h 3.67 3.37 3.07 2.77 2.47 2.17 1.87 1.57 1.27 0.97 P/kPa 6.85 5.89 4

9、.90 4.01 3.22 2.54 1.99 1.52 1.03 0.66 u/m/s 2.68 2.46 2.25 2.03 1.81 1.59 1.37 1.15 0.93 0.71 Rex 10-4 6.43 5.90 5.40 4.87 4.34 3.82 3.29 2.76 2.23 1.70 入 0.0280 0.0286 0.0285 0.0286 0.0289 0.0295 0.0312 0.0338 0.0350 0.0385 入， 0.0199 0.0203 0.0207 0.0213 0.0219 0.0226 0.0235 0.0245 0.0259 0.0277 2

10、、求局部阻力系數(shù) E 由公式u=Q/A=3.54 X 102 Q/d2得到流速，由式 h f= P/ p = E u2/2可得到E。 其中，擴(kuò)大管的管徑取 d=16mm,球閥和截止閥的管徑取 d=20mm。 所求得各數(shù)據(jù)如下表： 擴(kuò)大管、球閥管、截止閥管的相關(guān)數(shù)據(jù)表如下： 序號(hào) 擴(kuò)大管 球閥 截止閥 1 2 3 1 2 3 1 2 3 Q/ m3 /h 3.50 2.70 1.90 3.52 2.72 1.92 1.41 1.06 0.71 P/kPa 4.55 1.64 0.27 3.44 1.62 0.91 6.69 3.84 1.78 u/m/s 4.84 3.73 2.63 3.12

11、2.41 1.70 1.25 0.94 0.63 E 0.3904 0.2369 0.0803 0.7103 0.5606 0.6329 8.606 8.735 9.014 3、所得湍流時(shí)入一Re / d關(guān)系圖如下: 摩擦阻力系數(shù)入與Re的關(guān)系 入數(shù)系力阻擦摩 0.009 0.008 0.007 0.006 0.005 0.004 0.003 0.002 0.001 0 十粗糙管 亠光滑管 對(duì)數(shù)（粗糙管） 對(duì)數(shù)（光滑管） 4屛肆2靜249 I.933 / ReX 10八4 摩擦阻力系數(shù)入與Re的關(guān)系 亠粗糙管 T-光滑管 對(duì)數(shù)(粗糙管) 對(duì)數(shù)(光滑管) 六、思考題： (1) 、在測(cè)量前為什么要將設(shè)備中的空氣排凈？怎樣才能迅速地排凈？ 設(shè)備中要是還有空氣未排凈將使設(shè)備中液體不能連續(xù)地流動(dòng)，勢(shì)必影響實(shí)驗(yàn)結(jié) 果。在接通水泵電源以后，再打開流量調(diào)節(jié)閥門，使之大流量輸出便可迅速有效地排 凈設(shè)備中的空氣。 (2) 、在不同設(shè)備(包括相對(duì)粗糙度相同而管徑不同)、不同溫度下測(cè)定的 入一Re數(shù) 據(jù)能否關(guān)聯(lián)在一條曲線上？ 不能關(guān)聯(lián)到一條曲線上。 (3) 、測(cè)出的直管摩擦阻力與設(shè)備的放置狀態(tài)有關(guān)嗎？為什么？ 有關(guān)系。由h f= ( Pi/p +zig) -