流體流動(dòng)阻力的測(cè)定原版

1、流體流動(dòng)阻力的測(cè)定楊金金同組成員：唐世福 梁燕 吳少華摘要l 測(cè)定層流狀態(tài)下直管段的摩擦阻力系數(shù)（光滑管、粗糙管和層流管）。l 測(cè)定湍流狀態(tài)不同（/d）條件下直管段的摩擦阻力系數(shù)（突然擴(kuò)大管）。l 測(cè)定湍流狀態(tài)下管道局部的阻力系數(shù)的局部阻力損失。l 本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與圖形的擬合利用Matlab完成。關(guān)鍵詞 流體流動(dòng)阻力 雷諾數(shù) 阻力系數(shù) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Matlab 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握直管摩擦阻力系數(shù)的測(cè)量的一般方法；2、測(cè)定直管的摩擦阻力系數(shù)以及突擴(kuò)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)、Re和相對(duì)粗糙度的函數(shù)關(guān)系5、將所得光滑管的方程與Blasius方程相比較。二、基本原理

2、不可壓縮流體（如水），在圓形直管中作穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，由于粘性和渦流的作用產(chǎn)生摩擦阻力；流體在流過(guò)突然擴(kuò)大和彎頭等管件時(shí)，由于流體運(yùn)動(dòng)的速度和方向突然發(fā)生變化，產(chǎn)生局部阻力。影響流體流動(dòng)阻力的因素較多，在工程研究中，利用因次分析法簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)，引入無(wú)因此數(shù)群雷 諾 數(shù)： 相對(duì)粗糙度： 管路長(zhǎng)徑比： 可導(dǎo)出： 這樣，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法直接測(cè)定直管摩擦阻力系數(shù)與壓頭損失之間的關(guān)系：因此，通過(guò)改變流體的流速可測(cè)定出不同Re下的摩擦阻力系數(shù)，即可得出一定相對(duì)粗糙度的管子的Re關(guān)系。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3103至105的范圍內(nèi)，與Re的關(guān)系遵循Blasius關(guān)系式，

3、即：對(duì)于層流時(shí)的摩擦阻力系數(shù)，由哈根泊謖葉公式和范寧公式，對(duì)比可得：局部阻力：= J/kg三、裝置和流程（手繪）四、操作步驟1、啟動(dòng)水泵，打開光滑管路的開關(guān)閥及壓降的切換閥，關(guān)閉其它管路的開關(guān)閥和切換閥；2、排盡體系空氣，使流體在管中連續(xù)流動(dòng)。檢驗(yàn)空氣是否排盡的方法是看當(dāng)流量為零時(shí)候U形壓差計(jì)的兩液面是否水平；3、調(diào)節(jié)倒U型壓差計(jì)閥門1、2、3、4、5的開關(guān)，使引壓管線內(nèi)流體連續(xù)、液柱等高；4、打開流量調(diào)節(jié)閥，由大到小改變10次流量（Remin4000）,記錄光滑管壓降、孔板壓降數(shù)據(jù)；5、完成10組數(shù)據(jù)測(cè)量后，驗(yàn)證其中兩組數(shù)據(jù)，確保無(wú)誤后，關(guān)閉該組閥門；6、測(cè)量粗糙管（10組）、突然擴(kuò)大管（6

4、組）數(shù)據(jù)時(shí)，方法及操作同上；7、測(cè)量層流管壓降時(shí)，首先連通閥門6、7、8、9、10所在任意一條回流管線，其次打開進(jìn)入高位水灌的上水閥門11，關(guān)閉出口流量調(diào)節(jié)閥16；8、當(dāng)高位水灌有溢流時(shí)，打開層流管的壓降切換閥，對(duì)引壓管線進(jìn)行排氣操作；9、打開倒U型壓差計(jì)閥門5，使液柱上升到n型壓差計(jì)示數(shù)為0的位置附近，然后關(guān)閉該閥門，檢查兩邊液柱是否等高；10、調(diào)節(jié)閥門16，改變6次流量（Remax2000），記錄光滑管壓降體積數(shù)據(jù)；11、所有實(shí)驗(yàn)完成后，關(guān)閉閥門、停泵、切斷電源，清理實(shí)驗(yàn)臺(tái)，整理所用儀器，填好原始數(shù)據(jù)表格。五、原始數(shù)據(jù)及處理A、原始數(shù)據(jù) 18 水的密度：=998.2kg/m3粘度：=1.0

5、55910-3表1.光滑管和粗糙管實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)光滑管數(shù)據(jù)：273.5mm的不銹鋼管,=0.010.05粗糙管數(shù)據(jù)：272.5mm的鍍鋅管, =0. 10.2孔板：24，孔流系數(shù)C0=0.73數(shù)據(jù)單位：Pa實(shí)驗(yàn)序號(hào)光滑管孔板 粗糙管 孔板左右差值左右差值左右差值左右差值15460-2005660-50305031005500-6106110-6503450410025100-505150100295028505180-3705550-37032903660347002504450350275024004900-1605060-15031503300443504503900550265021004

6、5407044706029602900539007503150850250016504120350377036027802420635001000250010502350130036706503020660261019507315012501900130022509503280930235097024301460828001450135015002100600290012001700125022009509255016509001650205040024001530870160021005001023001800500180020002002050180025018501950100表2.突然

7、擴(kuò)大管局部阻力系數(shù)測(cè)定原始數(shù)據(jù)突然擴(kuò)大管：223mm483mm不銹鋼管孔板：24，孔流系數(shù)C0=0.73數(shù)據(jù)單位：Pa實(shí)驗(yàn)序號(hào)突然擴(kuò)大管孔板左右 差值左右 差值1185074011103302760243021900-701970-5703350392031850-14003250-190042706170表3.層流管實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)層流管：61.5mm實(shí)驗(yàn)序號(hào)流量測(cè)定壓力損失（單位：Pa）流出體積V/mL時(shí)間 t/s流量q103/m3s-1左右 差值135301.1667100752652240301.33330810810344301.4333-60840900445301.5-1208509

8、70595601.5667-1608701030697601.6833-2409301170798601.75-33096012908111601.85-4209901410B、數(shù)據(jù)處理整理按照表后面的示例方法，編制MATLAB程序，計(jì)算結(jié)果如下：程序代碼詳見 附錄（1）（4）表4.光滑管數(shù)據(jù)處理結(jié)果序號(hào)流量單位：L/h流速單位：雷諾數(shù)摩擦阻力系數(shù)12.96 2.62 494890.022 22.84 2.51 474510.022 32.60 2.30 435440.022 42.44 2.15 407320.022 52.16 1.91 361050.023 61.92 1.70 3204

9、80.023 71.64 1.45 273960.024 81.30 1.15 217720.027 91.06 0.94 177770.027 100.75 0.66 125700.030 表5.粗糙管數(shù)據(jù)處理結(jié)果序號(hào)流量單位：L/h流速單位：雷諾數(shù)摩擦阻力系數(shù)13.40 2.49 517400.029 23.22 2.35 488850.031 33.05 2.23 464180.030 42.86 2.09 435140.030 52.62 1.91 397500.030 62.35 1.72 356820.030 72.03 1.48 308750.031 81.64 1.20 249

10、050.035 91.19 0.87 180680.034 100.53 0.39 8080.40.049 表6層流管數(shù)據(jù)處理結(jié)果序號(hào)流量單位：L/h流速單位：雷諾數(shù)層流摩擦阻力系數(shù)14.32 0.165528.1 0.118124.68 0.1886603.6 0.105335.04 0.2028648.8 0.099645.40 0.2122679.0 0.094355.76 0.2216709.2 0.090266.12 0.2381762.0 0.08576.48 0.2476792.2 0.080886.84 0.2617837.4 0.0764表7.突然擴(kuò)大管的數(shù)據(jù)處理結(jié)果實(shí)驗(yàn)序號(hào)

11、流量單位：m3/h細(xì)管流速u1單位：粗管流速u2單位：局部阻力系數(shù)平均12.523.62 0.530.780 0.78523.244.60 0.670.793 34.325.77 0.840.784 所編MATLAB程序中數(shù)據(jù)處理方法示例：（1）湍流時(shí)流量、流速、雷諾數(shù)以及摩擦阻力系數(shù)的計(jì)算：如：由表1光滑管第一組數(shù)據(jù)：流量 =2.96 L/h流速 雷諾數(shù)=摩擦阻力系數(shù) 由得（2）突然擴(kuò)大的阻力損失：流速計(jì)算同（1）如表2第三組數(shù)據(jù)，計(jì)算得由機(jī)械能守恒得 六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論分析（1）將上面光滑管和層流管的數(shù)據(jù)繪成雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖如下：圖6.1在Re4000的時(shí)候（阻力平方區(qū)），阻力系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增

12、大而減小，直至足夠大的Re后，其值僅取決于相對(duì)粗糙度。圖中光滑管與粗糙管的曲線很好的符合了這一規(guī)律。（2）對(duì)層流管迭代數(shù)據(jù)做雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)如下：圖6.2當(dāng)Re2000為層流，理論上在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中為一條斜率為-1的直線，上圖中 各點(diǎn)基本呈一條直線，其斜率非常接近-1（約為-0.9954）。使用MATLAB最小二乘擬合輸出界面如下圖6.2直線擬合結(jié)果為與層流公式符合的很好圖6.2七、思考題1、測(cè)量前為什么要將設(shè)備中的空氣排盡？怎樣快速排盡？答：是為了保證流體的連續(xù)。先打開出口閥排掉管路中的空氣，然后關(guān)閉出口閥，打開u型壓差計(jì)下端的排氣閥。2、在不同設(shè)備（包括相對(duì)粗糙度相同二內(nèi)徑不同）、不同溫度下測(cè)定的-Re數(shù)據(jù)是否能關(guān)聯(lián)在一條曲線上？答：只要/d相同，Re的數(shù)據(jù)點(diǎn)就能關(guān)聯(lián)在一條直線上。3、以水為工作流體測(cè)定的-Re曲線能否用于其他種類得牛頓型流體？為什么？答:適用，從可以看出，阻力系數(shù)與流體具體流動(dòng)形態(tài)無(wú)關(guān)，只與管徑、粗糙度等有關(guān)。4、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？答：無(wú)關(guān)。機(jī)械能守恒式： U形壓差計(jì)讀出的差值為所以不變，就不變。5.增加雷諾數(shù)的范圍，由那些方法？答：，可以加粗管徑，增加流速等。八、實(shí)驗(yàn)心得體會(huì)此次流體阻力測(cè)定實(shí)驗(yàn)讓我初步接觸了化工