流體流動(dòng)阻力的測(cè)定

1、實(shí)驗(yàn)一：流體流動(dòng)阻力的測(cè)定一， 摘要 本實(shí)驗(yàn)以水為介質(zhì)，使用FFRS-型流體阻力實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)測(cè)定不同管道中流體流量和測(cè)壓點(diǎn)間的壓強(qiáng)差，結(jié)合已知管徑管長(zhǎng)，應(yīng)用機(jī)械能守恒式算出不同管道摩擦阻力系數(shù)和雷諾數(shù)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了湍流狀態(tài)下直管摩擦阻力系數(shù)受Re和/d共同影響；層流狀態(tài)下，直管摩擦阻力系數(shù)僅是Re的函數(shù)，且在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系內(nèi)呈線性關(guān)系；局部阻力系數(shù)受Re和局部性狀影響。二， 目的及任務(wù)1 掌握測(cè)定流體流動(dòng)阻力實(shí)驗(yàn)的一般方法。2 測(cè)定直管的摩擦阻力系數(shù)及突然擴(kuò)大管的局部阻力系數(shù)。3 測(cè)定層流管的摩擦阻力。4 驗(yàn)證湍流區(qū)內(nèi)摩擦阻力系數(shù)為雷諾系數(shù)Re和粗糙度的函數(shù)。5 將所得光滑管的Re方程與Bl

2、asius方程比較。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)，由于粘性和渦流的作用產(chǎn)生摩擦阻力；流體在突然擴(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比較多，在工程上采用量綱分析方法簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)，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=fd,l,u, , , 引入無(wú)量綱數(shù)群: 雷諾數(shù)Re=du/ 相對(duì)粗糙度/d 管子長(zhǎng)徑比l/d從而得到 p/u2=(du/, /d,l/d)令=（Re, /d） 則有 p/=l/d(Re, /d)uu

3、/2可得摩擦阻力系數(shù)與壓頭損失之間的關(guān)系，這種關(guān)系可用實(shí)驗(yàn)方法直接測(cè)定。 Hf=p/=l/d*uu/2式中：hf直管阻力，J/； l被測(cè)管長(zhǎng)，m; d被測(cè)管內(nèi)徑，m; u平均流速，m/s; 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)出著兩個(gè)截面間的靜壓差，即為流體流過(guò)兩截面間的流動(dòng)阻力。根據(jù)伯努利方程找出靜壓差和摩擦阻力系數(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)，就可求出某一相對(duì)粗糙度下的-Re關(guān)系。（1） 湍流區(qū)的摩擦系數(shù)在湍流區(qū)內(nèi)=f(Re, /d).對(duì)于光滑管，大量實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)Re在范圍內(nèi)，與Re的關(guān)系遵循Blasius關(guān)

4、系式，即 =/ 對(duì)于粗糙管，與Re的關(guān)系均以圖來(lái)表示。（2） 層流的摩擦阻力系數(shù) =64/Re2. 局部阻力當(dāng)流體流過(guò)等直徑的管道局部（彎頭，閥門(mén)），不考慮直管段長(zhǎng)度，方程變?yōu)椋寒?dāng)流體流經(jīng)突然擴(kuò)大管道時(shí)（） 稱為局部阻力系數(shù)，它與流體流過(guò)的管件的幾何形狀及流體的雷諾數(shù)Re有關(guān)，當(dāng)雷諾數(shù)Re大到一定值后，與Re無(wú)關(guān)，為定值。3排氣原理用傳感器測(cè)量壓降時(shí)，要求主管路和引壓管線中的液體必須相連，不能有氣泡。主管路排氣可開(kāi)大流量閥，使水快速大量流過(guò)管道，將其中氣體帶走。引壓管線中的氣體可在關(guān)閉出口流量調(diào)節(jié)閥的情況下。打開(kāi)傳感器兩側(cè)的排氣閥門(mén)將其排凈。最后注意將排氣閥門(mén)關(guān)閉進(jìn)行測(cè)量。四， 流程圖及儀表設(shè)

5、備尺寸：光滑管 d=21.5mm l=1.50m粗糙管 d=21.5mm l=1.50m突然擴(kuò)大管 d1=16mm d2=42mm層流管 d=29mm l=1.00m五， 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 關(guān)閉閥門(mén)，啟動(dòng)水泵 確定實(shí)驗(yàn)管路為光滑管，打開(kāi)光滑管主管路切換閥門(mén)V3以及光滑管的引壓管路切換閥門(mén)和壓力傳感器兩側(cè)的閥門(mén)。進(jìn)行主管路，測(cè)壓管路的排氣，大約一到兩分鐘時(shí)間。關(guān)閉切換閥門(mén)和壓力傳感器兩側(cè)的閥門(mén)，看傳感器是否回零（左右）。如果沒(méi)有達(dá)到要求，則重復(fù)上述排氣步驟。如果達(dá)到要求則可以進(jìn)行測(cè)量。從達(dá)到小改變流量，按照要求記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。A負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)流量大小；B負(fù)責(zé)分配數(shù)據(jù)間隔，以便得到更科學(xué)化的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄，同時(shí)與

6、A配合控制流量范圍；C負(fù)責(zé)讀取壓力傳感器的數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)溫度以及流量讀數(shù)。由于壓力壓力波動(dòng)大，AB要協(xié)同配合選取適宜實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，C務(wù)必要在示數(shù)波動(dòng)平穩(wěn)讀取數(shù)據(jù)。讀數(shù)從0.6到4.0左右測(cè)量十組。測(cè)量完后關(guān)閉光滑管切換閥門(mén)，看傳感器是否回零，否則該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)棄用，重新測(cè)量。實(shí)驗(yàn)完畢關(guān)閉光滑管主觀切換閥門(mén)和引壓管切換閥門(mén)。確定實(shí)驗(yàn)管路為粗糙管，參照中所示方法進(jìn)行粗糙管路實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量，從0.6到4.0左右測(cè)取十組數(shù)據(jù)并記錄。確定實(shí)驗(yàn)管路為突然擴(kuò)大管，參照中所示方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從0.6到4.0左右測(cè)取三組數(shù)據(jù)并記錄即可。確定實(shí)驗(yàn)管路為層流管，打開(kāi)層流管主管路切換閥及層流管的引壓管路切換閥門(mén)和壓力傳感器兩側(cè)的閥門(mén)

7、進(jìn)行排氣，待排氣合格后，關(guān)閉壓力傳感器兩側(cè)的閥門(mén)。為保證設(shè)備安全，避免水泵過(guò)熱，打開(kāi)其他任意一個(gè)管路切換閥，使水流流動(dòng)起來(lái)。打開(kāi)層流管調(diào)節(jié)閥，在保證水流較小卻連續(xù)的情況下，在一定時(shí)間內(nèi)用量筒量取排出水體積，并讀出壓力傳感器示數(shù)。測(cè)量六組數(shù)據(jù)并記錄。測(cè)量完畢，關(guān)閉層流管切換閥，看傳感器是否回零，否則該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)棄用，重新測(cè)量。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉切換閥門(mén)和引壓管閥門(mén)。關(guān)閉主管路閥門(mén)，關(guān)閉水泵。六， 操作要點(diǎn)（1）啟動(dòng)離心泵，打開(kāi)被測(cè)管線上的開(kāi)關(guān)閥，及面板上與其相對(duì)應(yīng)的切換閥，關(guān)閉其他的開(kāi)關(guān)閥和切換閥，保證測(cè)壓點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。（2）系統(tǒng)要排凈氣體使液體連續(xù)流動(dòng)。設(shè)備和測(cè)壓管線上的氣體都要排凈，檢查是否排凈的方

8、法是當(dāng)流量為零時(shí)，觀察U形壓差計(jì)兩側(cè)液面是否相平。（3）讀取數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)注意穩(wěn)定后再讀數(shù)。測(cè)定直管摩擦阻力時(shí)，流量由大到小，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。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)。層流管的流量由量筒和秒表測(cè)取。（4）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(wú)效。同時(shí)要了解各閥門(mén)的特點(diǎn)，學(xué)會(huì)使用閥門(mén)，注意各閥門(mén)的切換，同時(shí)要關(guān)嚴(yán)，防止內(nèi)漏。七， 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)的記錄及處理：（1）光滑管測(cè)量數(shù)據(jù)記錄及處理：光滑管D=21.5mm l=1.5m =995.

9、35m3 （）p(kPa)T()(cP)U()Re（Blasius)0.80 0.3989 30.0 0.80070.61 0.0306 16368 0.0280 0.95 0.5352 30.3 0.79570.73 0.0291 19559 0.0267 1.13 0.7027 30.4 0.7940.87 0.0270 23314 0.0256 1.43 1.0988 30.7 0.7891.09 0.0264 29691 0.0241 1.75 1.5710 30.9 0.78571.34 0.0252 36488 0.0229 2.13 2.1882 31.0 0.7841.63 0

10、.0237 44507 0.0218 2.53 2.9558 31.3 0.75891.94 0.0227 54614 0.0207 3.05 4.1589 31.7 0.77272.33 0.0220 64663 0.0198 3.55 5.4688 31.5 0.7762.72 0.0213 74943 0.0191 4.03 6.8485 32.0 0.76793.09 0.0207 85974 0.0185 數(shù)據(jù)處理實(shí)例：以第六組數(shù)據(jù)為例。因?yàn)闇囟茸兓笠鸬拿芏茸兓鄬?duì)較小，故取密度為近似定值=995.35m3所測(cè)數(shù)據(jù)：管路流量=2.53；壓差計(jì)測(cè)得兩截面壓力差p=2.9558kPa

11、；溫度T=31.3。根據(jù)公式：u= 算得u=1.94m/s根據(jù)公式：= 算得=0.0227 此為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)溫度，查表，利用內(nèi)插法算得粘度=0.759mPa·s根據(jù)公式：Re= 算得Re=54613根據(jù)Blasius公式：=0.3163/ 算得=0.0207 此為理論數(shù)據(jù)（2）粗糙管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理表粗糙管D=21.5mm l=1.50m =996.7m3（）p（kPa）T（）（cP)u （)Re0.60 0.3638 27.30.8490 0.46 0.0496 11593 0.70 0.4588 26.90.8564 0.54 0.0460 13408 0.81 0.5890

12、26.80.8583 0.62 0.0441 15481 0.92 0.7188 26.60.86220.70 0.0417 17504 1.11 0.9588 26.50.86410.85 0.0382 21072 1.63 1.9419 26.30.86791.25 0.0359 30809 2.17 3.2388 26.20.8699 1.66 0.0338 40921 2.74 5.0909 25.90.8757 2.10 0.0333 51327 3.34 7.5423 25.80.8778 2.56 0.0332 62417 4.02 10.5080 25.40.8857 3.08

13、 0.0319 74455 數(shù)據(jù)處理實(shí)例：以第6組數(shù)據(jù)為例。因?yàn)闇囟茸兓笠鸬拿芏茸兓鄬?duì)較小，故取密度為近似定值=996.7m3所測(cè)數(shù)據(jù)：管路流量=1.63；壓差計(jì)測(cè)得兩截面壓力差p=1.9419kPa；溫度T=26.3。根據(jù)公式：u= 算得u=1.25m/s根據(jù)公式：= 算得=0.0359 根據(jù)溫度，查表，利用內(nèi)插法算得粘度=0.868mPa·s根據(jù)公式：Re= 算得Re=30808根據(jù)光滑管和粗糙管實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，繪制如下所示圖形： 湍流時(shí) 粗糙管和光滑管摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)Re關(guān)系圖（3）突然擴(kuò)大管數(shù)據(jù)記錄及處理表突然擴(kuò)大管d1=16mm d2=42mm =996.5kg/m3（

14、）p (kpa)T （）u1 （)u2 （)平均1.00 0.1276 27.40 1.38 0.20 0.845 0.802 2.45 1.0930 27.10 3.39 0.49 0.788 4.06 3.2078 27.00 5.61 0.81 0.775 數(shù)據(jù)處理實(shí)例：以第二組數(shù)據(jù)為例因?yàn)闇囟茸兓笠鸬拿芏茸兓鄬?duì)較小，故取密度為近似定值=996.5kg/m3所測(cè)數(shù)據(jù)：管路流量=2.45；壓差計(jì)測(cè)得兩截面壓力差p=1.093kPa；溫度T=27.1。根據(jù)公式：u= 算得細(xì)管流速u1=3.39m/s 粗管流速u2=0.49m/s根據(jù)公式= 算得局部阻力系數(shù)=0.785最后根據(jù)三組數(shù)據(jù)區(qū)

15、平均值，即為突然擴(kuò)大管局部阻力系數(shù)值，（4）層流管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理表層流管d=2.9mm l=1.00m =994.3m3 V(ml)T(s)p(kPa)T()(cP)（）U（）Re20600.113532.9 0.7540 0.333 0.050 0.2597 193 36300.508533.4 0.7462 1.200 0.182 0.0898 702 49300.742133.7 0.7417 1.633 0.247 0.0707 962 61300.981234.2 0.7342 2.033 0.308 0.0603 1210 72301.296434.9 0.7240 2.400

16、 0.364 0.0572 1448 88301.567836.0 0.7085 2.933 0.444 0.0463 1808 數(shù)據(jù)處理實(shí)例：以第三組數(shù)據(jù)為例。因?yàn)闇囟茸兓笠鸬拿芏茸兓鄬?duì)較小，故取密度為近似定值=994.3m3所測(cè)數(shù)據(jù)：體積V=49 ml;時(shí)間t=30s;壓差計(jì)測(cè)得兩截面壓力差p=0.7421kPa;溫度T=33.7。根據(jù)公式： 算得=1.63m3/s根據(jù)公式：u= 算得u=0.25m/s根據(jù)公式：= 算得=0.0707 根據(jù)溫度，查表，利用內(nèi)插法算得粘度=0.742mPa·s根據(jù)公式：Re= 算得Re=961繪制所得圖形： 層流時(shí)摩擦阻力系數(shù)和雷諾數(shù)Re關(guān)系

17、圖八， 結(jié)果及結(jié)論（1） 在湍流區(qū)，粗糙管的摩擦阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)Re的增大而減小，且變化率逐漸減小,到Re>40000時(shí)，變化減慢，曲線逐漸平緩；光滑管的摩擦阻力系數(shù)與雷諾數(shù)Re在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸上成線性關(guān)系。相同雷諾數(shù)Re下，光滑管摩擦阻力系數(shù)小于粗糙管，在阻力平方區(qū)，雷諾數(shù)Re越大，兩者差距越大。（2） 在層流區(qū)，摩擦阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的增大而減小，且在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上成線性關(guān)系。（3） 突然擴(kuò)大管摩擦阻力系數(shù)主要取決于管道形狀，與雷諾數(shù)有一定關(guān)系，但是沒(méi)有外形對(duì)其影響大，實(shí)驗(yàn)值與理論值基本相符。九， 分析討論（1） 本實(shí)驗(yàn)中，水溫影響到流體粘度和密度，為保證實(shí)驗(yàn)精確性，應(yīng)盡量保持水溫的恒定。

18、（2） 實(shí)驗(yàn)中環(huán)境會(huì)對(duì)流體的流動(dòng)狀態(tài)造成影響，故應(yīng)盡量保證裝置的穩(wěn)定性和環(huán)境的平穩(wěn)。故而，流體流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置一般都在一層，一減少環(huán)境因素的波動(dòng)。（3） 實(shí)驗(yàn)中，壓力和水流的波動(dòng)是不可避免的，在調(diào)節(jié)流量時(shí)盡量小幅度調(diào)節(jié)，減少波動(dòng)，同時(shí)減少讀數(shù)時(shí)間。在讀數(shù)時(shí)盡量在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)讀取。十， 思考題1、不銹鋼管、鍍鋅鋼管實(shí)驗(yàn)測(cè)量的只是Re改變后的值，為什么判斷受Re和/d共同影響？ 答：因?yàn)橐阎Σ磷枇瘮?shù)是h f =(d, u,)，使用因次分析法化為無(wú)量綱的函數(shù)形式后，可得摩擦阻力函數(shù)，而對(duì)于已經(jīng)安裝好的管徑還說(shuō),l/d是固定值，所以判斷摩擦阻力系數(shù)是受雷諾數(shù)Re與/d共同作用的。因?yàn)椴讳P鋼管與鍍鋅管的相對(duì)粗糙度不同，所以才會(huì)在相同的雷諾數(shù)時(shí)的值不同。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-Re數(shù)據(jù)能否關(guān)聯(lián)在一條曲線上？為什么？答:可以關(guān)聯(lián)在一條曲線上。因?yàn)楫?dāng)摩擦阻力與d,l,u,的函數(shù)化為無(wú)量綱的形式后，可以得出摩擦阻力系數(shù)函數(shù)，只要求得設(shè)備長(zhǎng)徑比，相對(duì)粗糙度，根據(jù)流體流動(dòng)狀態(tài)求得雷諾系數(shù)即可對(duì)應(yīng)求得摩擦阻力系數(shù)。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-Re數(shù)據(jù)可以關(guān)聯(lián)在一條曲線上。3、以水作工作流體所測(cè)得的-Re關(guān)系能否適用于其它種類的牛頓型流體？為什么？ 答：可以適用其他類型的牛頓