流體阻力實(shí)驗(yàn)

1、流體流動(dòng)阻力的測(cè)定實(shí)驗(yàn)報(bào)告班級(jí)：化工1302姓名：周雙月學(xué)號(hào)：2013011048完成日期：2015-11-12流體流體阻力的測(cè)定一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募叭蝿?wù) 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)及突然擴(kuò)大管的局部阻力系數(shù)。 測(cè)定層流管的摩擦阻力。 驗(yàn)證在湍流區(qū)內(nèi)摩擦阻力系數(shù)為雷諾數(shù)Re和相對(duì)粗糙度的函數(shù)。 將所得的光滑管的-Re與Blasius方程相比較。二、 基本原理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。影響流體流動(dòng)阻力的因素較

2、多，在工程上通常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=f (d,l,u,p,)引入無量綱數(shù):雷諾數(shù) 相對(duì)粗糙度 管子長(zhǎng)徑比 從而得到： 令可得摩擦阻力系數(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。（1）式中-直管阻力，； -被測(cè)管長(zhǎng)，； -被測(cè)管內(nèi)徑，； -平均流速，； -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摩擦阻力。根據(jù)伯努利方程找出不同Re靜壓強(qiáng)差和摩擦阻力系數(shù)的關(guān)系式，即可求

3、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)，這樣就可以得出某一相對(duì)粗糙度下管子的Re關(guān)系。在湍流區(qū)內(nèi)摩擦阻力系數(shù)=f (Re,/d),對(duì)于光滑管，大量實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)Re在3103105的范圍內(nèi)，與Re的關(guān)系遵循Blasius關(guān)系式，即（2）對(duì)于粗糙管，與Re的關(guān)系均已莫狄摩擦系數(shù)圖來表示。如下圖所示。圖 1，莫狄摩擦因數(shù)圖層流的摩擦阻力系數(shù)：（3）2、局部阻力（4）式中,為局部阻力；為局部阻力系數(shù)，它與流體流過的管件的幾何形狀及流體的Re有關(guān)，當(dāng)Re大到一定值后，與Re無關(guān)，成為定值。三、 裝置和流程本實(shí)驗(yàn)裝置如下圖所示，管道水平安裝，實(shí)驗(yàn)用水循環(huán)使用。其中5管為層流管，管徑（61.

4、5）mm,兩測(cè)壓點(diǎn)之間的距離為1.50m；6、7安裝有球閥和截止閥兩種管件，管徑為（273）mm；8管為d=20.5mm不銹鋼管；9管為d=22.0mm鍍鋅鋼管，直管阻力的兩測(cè)壓口間的距離為1.5m；10管為突然擴(kuò)大管，管子由d1=16.0mm擴(kuò)大到d2=42.0mm。各測(cè)壓元件兩測(cè)壓口，均與壓差傳感器相連（但各口都有閥門，可以切換），系統(tǒng)流量由渦輪流量計(jì)3測(cè)量。圖 2 流體阻力實(shí)驗(yàn)帶控制點(diǎn)工藝流程1水箱；2水泵；3渦輪流量計(jì)；4主管路切換閥；5層流管；6截止閥；7球閥；8不銹鋼閥；9鍍鋅鋼管；10突擴(kuò)管；11流量調(diào)節(jié)閥（閘閥）；12層流管流量閥（針閥）；13變頻儀四、 實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)開泵：打開

5、各管路的切換閥門，關(guān)閉流量調(diào)節(jié)閥11按變頻儀13綠色按鈕啟動(dòng)泵，固定轉(zhuǎn)速（頻率在50Hz），觀察泵出口壓力表讀書在0.2MPa左右時(shí)，即可開始實(shí)驗(yàn)。排凈系統(tǒng)（各主管及測(cè)壓管線）氣體：設(shè)備主管和測(cè)壓管線中的氣體都要排凈，其方法是打開流量調(diào)節(jié)閥11數(shù)十秒鐘后在關(guān)閉。這是流量為零，待數(shù)十秒鐘觀察壓差傳感器指示示數(shù)是否為零（允許有13Pa的波動(dòng)，可記錄和在計(jì)算時(shí)扣除），否則，要重新排氣。實(shí)驗(yàn)測(cè)取數(shù)據(jù)：需測(cè)定哪個(gè)元件，則打開哪個(gè)管路的切換閥和測(cè)壓管線上的切換閥門，其余管路的切換閥和測(cè)壓管線上的切換閥都關(guān)閉。流量由小到大，測(cè)取810組數(shù)據(jù)，測(cè)定突然擴(kuò)大管的局部阻力時(shí)測(cè)取3組數(shù)據(jù)。層流管的流量用量筒與秒表測(cè)

6、取。測(cè)完一個(gè)元件（如一根管）的數(shù)據(jù)后，應(yīng)將流量調(diào)節(jié)閥11關(guān)閉，觀察壓差傳感器指示示數(shù)是否為零（允許13Pa波動(dòng)，可記錄和在計(jì)算時(shí)扣除），否則，要重新排氣。層流實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)關(guān)閉流量調(diào)節(jié)閥11，調(diào)變頻儀13頻率，應(yīng)調(diào)至1215Hz情況下，用層流流量調(diào)節(jié)閥（針閥）12調(diào)節(jié)流量，用量筒與秒表測(cè)取數(shù)據(jù)。五、 數(shù)據(jù)處理1.原始數(shù)據(jù)表(1)不銹鋼管路原始數(shù)據(jù)光滑管l/md/m(p1-p2)/kPa1.50.02050.02序號(hào)水流量qv/(m3/h)壓降p/kPa水溫T/°C10.750.4319.820.950.642031.080.8220.141.281.0920.151.852.0820.2

7、62.503.6020.473.055.1220.683.657.1220.894.149.0021104.7511.521.1（2）鍍鋅鋼管路原始數(shù)據(jù)粗糙管l/md/m(p1-p2)/kPa1.50.0220.00序號(hào)水流量qv/(m3/h)壓降p/kPa水溫T/°C10.740.3821.920.880.5221.931.160.8221.941.441.1821.951.811.7821.962.402.9222.072.703.6322.083.255.1222.293.816.8422.2104.459.1622.3 （3）突然擴(kuò)大管路原始數(shù)據(jù)突擴(kuò)管d1d2(p1-p2)/

8、kPa0.0160.0420.01序號(hào)水流量qv/(m3/h)壓降p/kPa水溫T/°C11.270.3822.822.331.2922.833.342.622.8 （4）層流管路原始數(shù)據(jù)層流管l/md/m(p1-p2)/kPa1.50.0030.02序號(hào)體積V/ml時(shí)間/s壓降p/kPa水溫T/°C155.0600.7222.8267.0600.8422.8387.5601.0622.84131.5601.622.85170.0601.9622.96105.0302.4622.97121.5302.8822.92. 數(shù)據(jù)處理（見附表）已知l、d，測(cè)定pf、T等參數(shù),可通過

9、查表和計(jì)算得到、Re、。根據(jù)公式： Re=du，=2dpflu2 （1）不銹鋼管數(shù)據(jù)處理以第一組數(shù)據(jù)為例；qv=0.75m3/h；d=0.0205m；l=1.50m；p=0.43kPa；（p1-p2）=0.02kPa;平均溫度T=22.41°C。，查表內(nèi)插得22.41°C時(shí)，水的黏度Pa·s，取水的密度為。；理論（2）鍍鋅鋼管數(shù)據(jù)處理 以第一組數(shù)據(jù)為例；qv=0.74m3/h；d=0.022m；l=1.50m；p=0.38kPa；（p1-p2）=0.00kPa;平均溫度T=22.02°C。查表內(nèi)插得22.02°C時(shí)，水的黏度Pa·s，

10、取水的密度為。（3）層流管路數(shù)據(jù)處理以第一組數(shù)據(jù)為例；V=55mL；t=60s；d=0.003m；l=1.50m；p=0.72kPa；（p1-p2）=0.02kPa;平均溫度T=22.80°C。查表內(nèi)插得22.80°C時(shí)，水的黏度Pa·s，取水的密度為理論（4）突然擴(kuò)大管數(shù)據(jù)處理以第一組數(shù)據(jù)為例；qv=1.27 m3/h；d1=0.016m；d2=0.042m ；l=1.50m；p=0.38kPa；（p1-p2）=0.01kPa;平均溫度T=22.80°C。查表內(nèi)插得22.80°C時(shí)，水的黏度Pa·s，取水的密度為理論六、結(jié)果討論1、

11、由數(shù)據(jù)處理的圖表可知,光滑管和粗糙管的隨 Re 的增大而減小，且 Re 增大到一定數(shù)值時(shí)，降低的速度變小，流體流型進(jìn)入完全湍流區(qū)后，與Re無關(guān)。2、由光滑管的 Re曲線可以看出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和符合Blasuis 方程。3、層流管的所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較好地符合公式=64/Re。4、層流管的 Re 小于 2000，光滑管和粗糙管的 Re 在104數(shù)量級(jí)。七、誤差分析1、實(shí)驗(yàn)過程中水箱中的水的溫度不斷升高，但是處理數(shù)據(jù)時(shí)取用平均溫度溫度，導(dǎo)致黏度和密度都存在一定誤差。2、實(shí)驗(yàn)水已經(jīng)在蓄水池中存放多時(shí)，且并不純凈，不能保證其粘度、密度等參數(shù)與理想狀態(tài)相同。3、調(diào)解儀器狀態(tài)時(shí)儀器無法處于完全穩(wěn)定的狀態(tài)，讀數(shù)不準(zhǔn)確

12、。4、在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，由于流動(dòng)過程本身有一定的脈動(dòng)性，壓差不能保持穩(wěn)定，有上下波動(dòng)的情況，壓差計(jì)的數(shù)據(jù)不斷變化，讀取的數(shù)據(jù)是一個(gè)范圍內(nèi)的平均值，不穩(wěn)定，影響結(jié)果。八、思考題 在測(cè)量前為什么要將設(shè)備中的空氣排盡？怎樣才能迅速的排盡？答：因?yàn)閷?shí)驗(yàn)的原理是根據(jù)伯努利方程設(shè)計(jì)的，而伯努利方程僅適用于連續(xù)均勻的流體，管路內(nèi)有氣體未排凈則流體不是連續(xù)均勻的，不適用伯努利方程，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)會(huì)使數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。要迅速排凈氣體，首先要開大流量，使管內(nèi)液體充分流動(dòng)，以趕出管路內(nèi)的氣泡；若認(rèn)為氣泡已趕凈，將流量閥關(guān)閉。 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 Re數(shù)據(jù)能否關(guān)聯(lián)在一條直

13、線上？答：不能，因?yàn)?，跟住四個(gè)特征數(shù)，分別是長(zhǎng)徑比l/d,雷諾數(shù)Re，相對(duì)粗糙度 ，還有歐拉數(shù)的平方。即使相對(duì)粗糙度相同的管，管徑和溫度不同都會(huì)影響雷諾數(shù)及摩擦系數(shù)。他們得到的-Re曲線圖都不同。例如，由于溫度的改變，會(huì)影響液體的粘度改變，還有液體密度的改變。因此，摩擦系數(shù)的公式中， =64/Re因此，溫度的改變會(huì)影響，摩擦系數(shù)和雷諾數(shù)的改變。因此，他們不是在同一條曲線上，但能反映在同一副圖中，作出比較。以水作為工作流體所測(cè)得的Re關(guān)系能否適用于其他種類的牛頓型流體？為什么？答：可以用于牛頓流體的類比，牛頓流體的本構(gòu)關(guān)系一致。應(yīng)該是類似平行的曲線，但雷諾數(shù)本身并不是十分準(zhǔn)確，建議取中間段曲線，不要用兩邊端數(shù)據(jù)。雷諾數(shù)本身只與速度，粘度和管徑一次相關(guān)，不同流體的粘度可以