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

流體(liútǐ)流動(dòng)阻力系數(shù)(xìshù)的測(cè)定(cèdìng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)(shíyàn)目的：1、掌握測(cè)定流體流動(dòng)阻力實(shí)驗(yàn)的一般(yībān)實(shí)驗(yàn)方法。2、測(cè)定直管的摩擦阻力系數(shù)及突然擴(kuò)大管和閥門(mén)的局部阻力系數(shù)。3、驗(yàn)證湍流區(qū)內(nèi)摩擦阻力系數(shù)Re和相對(duì)粗糙度的函數(shù)。4、將所得光滑管的λ—Re方程與Blasius方程相比較。二、實(shí)驗(yàn)器材：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(guò)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)，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,ρ,μ,ε)引入下列無(wú)量綱數(shù)群。雷諾數(shù)Re=duρ/μ相對(duì)粗糙度ε/d管子長(zhǎng)徑比l/d從而得到△P/(ρu2)=ψ(duρ/μ，ε/d，l/d)令λ=φ（Re，ε/d）△P/ρ=（l/d）φ（Re，ε/d）u2/2可得摩擦阻力系數(shù)與壓頭損失之間的關(guān)系,這種關(guān)系可用試驗(yàn)方法直接測(cè)定。h=△P/ρ=λ（l/d）u2/2f式中，h直管阻力，J/kgfl——被測(cè)管長(zhǎng)，md——被測(cè)管內(nèi)徑，mu——平均流速，m/sλ——摩擦阻力系數(shù)。dU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(guò)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Re就可得出某一相對(duì)粗糙度下管子的λ—Re關(guān)系。（1）、湍流(tuānliú)區(qū)的摩擦阻力系數(shù)在湍流(tuānliú)區(qū)內(nèi)。對(duì)于光滑管，大量實(shí)驗(yàn)(shjyàn)Re3×103~105范圍(fànwéi)Re的關(guān)系(guānxj)Blasius關(guān)系式，即λ=0.3163/Re0.25對(duì)于粗糙管，λ和Re的關(guān)系均以圖來(lái)表示。2、局部阻力h=ξu2/2f式中，ξ為局部阻力系數(shù)，其與流體流過(guò)的管件的幾何形狀及流體的Re有關(guān)，當(dāng)Re達(dá)到一定值后，ξ與Re無(wú)關(guān)，成為定值。四、實(shí)驗(yàn)步驟：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、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(shuō)明系統(tǒng)中氣體已經(jīng)排凈。3、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)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。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)要了解各種閥門(mén)的特點(diǎn)，學(xué)會(huì)使用閥門(mén)，注意閥門(mén)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(guò)程中，液體溫度可由始末溫度值之和的平均值代替，則有t=(t 始

)/2=(21.2+26.8)/2=24℃末此溫度對(duì)應(yīng)水的密度可由相關(guān)表查得,ρ=997.2kg/m3μ=0.9142mPa·S1、求光滑管、粗糙管摩擦阻力系數(shù)λ和雷諾系數(shù)Re由公式u=Q/A=3.54×102Q/d2得到流速，由公式Re=duρ/μ可求得雷諾數(shù)，由式h=△P/ρ=λ（l/d）u2/2可求得真實(shí)(zhēnshj)的λ，由Blasius關(guān)系式fλ’=0.3163/Re0.25可求得理論(lǐlùn)λ’。光滑(guānghuá)管幾何尺寸為d=21mm，l=1.5m，相對(duì)(xiāngduì)粗糙度ε/d=0.2/21=0.01所求光滑(guānghuá)管在不同流量下的u、Re、λ、λ’如下表：序號(hào)Q/序號(hào)Q/m3/h△P/kPau/m/sRe×10-4λ123456789103.503.222.942.662.382.101.821.541.260.986.805.834.934.143.322.702.121.531.090.762.812.582.362.141.911.691.461.241.010.796.445.915.414.904.383.873.342.842.311.810.02420.02460.02490.02540.02560.02660.02790.02800.03000.03420.01990.02030.02070.02130.02190.02260.02340.02440.02570.0273粗糙管幾何尺寸為d=22mm，l=1.5m，相對(duì)粗糙度ε/d=0.3/22=0.014所求粗糙管在不同流量下的u、Re、λ、λ’如下表：序號(hào)Q/序號(hào)Q/m3/h△P/kPau/m/sRe×10-4λ123456789103.673.373.072.772.472.171.871.571.270.976.855.894.904.013.222.541.991.521.030.662.682.462.252.031.811.591.371.150.930.716.435.905.404.874.343.823.292.762.231.700.02800.02860.02850.02860.02890.02950.03120.03380.03500.03850.01990.02030.02070.02130.02190.02260.02350.02450.02590.02772、求局部阻力系數(shù)ξ由公式u=Q/A=3.54×102Q/d2得到流速，由式h=△P/ρ=ξu2/2可得到fξ。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123123123Q/m3/h3.502.701.903.522.721.921.411.060.71△P/kPa4.551.640.273.441.620.916.693.841.78u/m/s4.843.732.633.122.411.701.250.940.63ξ0.39040.23690.08030.71030.56060.63298.6068.7359.0143、所得湍流時(shí)λ—Re—ε/d關(guān)系圖如下：六、思考題：、在測(cè)量前為什么要將設(shè)備中的空氣(kōngqì)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(kāi)流量調(diào)節(jié)閥門(mén)(fámén)，使之大流量輸出便可迅速有效地排凈設(shè)備中的空氣。、在不同(bùtónɡ)設(shè)備（包括相對(duì)粗糙度相同而管徑不同）溫度下測(cè)定的數(shù)據(jù)(shùjù)能否關(guān)聯(lián)在一條曲線上？不能關(guān)聯(lián)到一條(yītiáo)曲線上。、測(cè)出的直管摩擦阻力與設(shè)備的放置狀態(tài)(zhuàngtài)有關(guān)嗎？為什么？有關(guān)系(guānxì)

=（P/ρ+zg）-(P/ρ+zg)=△P/ρ可知，阻力損f 1 1 2 2失均主要表現(xiàn)為流體勢(shì)能的降低，即△P/ρ，只有當(dāng)管道水平放置時(shí)，才能用△P代替△P。當(dāng)不是水平管時(shí)△P還包含了高度差所產(chǎn)生的勢(shì)能差，所以如果不是水平管，則所求的摩擦