流体阻力系数测定实验报告资料.pdf

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1、 化工原理实验 实验题目：流体流动阻力的测定 姓名：沈延顺 同组人：覃成鹏 臧婉婷 王俊烨 实验时间：2011.10。24 一、实验题目：流体流动阻力的测定 二、实验时间：2011.10.24 三、姓名：沈延顺 四、同组人员：覃成鹏、臧婉婷、王俊烨 五、实验报告摘要：进行流体流动的学习，知道流体的性质和如何计算流体阻力的方法。通过流体阻力实验，包括不锈钢管、镀锌钢管、突然扩大管路和层流管路的测定流体的流量和压降通过伯努利方程来推倒阻力系数和雷诺数之间的关系，来验证层流、湍流雷诺数与阻力系数之间的关系。流体阻力的大小关系到输送机械的动力消耗和输送机械的选择，测定流体流动阻力对化工及相关过程工业的

2、设计、生产和科研具有重要意义。六、实验目的及任务：1、掌握测定流体流动阻力实验。2、测定直管的摩擦阻力系数及突然扩大管路和阀门的局部阻力系数。3、测定层流管的摩擦阻力。4、验证湍流区内摩擦阻力系数为雷诺数 Re 和相对粗糙度的函数。5、将所得光滑管的Re 方程与 Blasius 方程相比较。七、基本原理：1、直管摩擦阻力 不可压缩流体（如水），在圆形直管中做稳定流动时，由于黏性和涡流的作 用产生摩擦阻力；流体在流过突然扩大管、弯头等管件时，由于流体运动的速度和方向突然变化，产生局部阻力。影响流体阻力的因素较多，在工程上通常采用量纲分析方法简化实验，得以在一定条件下具有普遍意义的结果，其方法如下

3、：流体流动阻力与流体的性质，流体流经处的结合尺寸以及流动状态有关，可表示为：引入下列无量纲数群。雷诺数 相对粗糙度 管子长径比 从而得到：令 可得摩擦阻力系数与压头损失之间的关系，这种关系可用实验方法直接测定。式中 直管阻力，J/kg 被测管长，m d被测管内径，m u平均流速，m/s 摩擦阻力系数。当流体在一管径为 d 的圆形管中流动时，选取两个截面，用 U 形压差计测出这两个截面之间的静压强差，即为流体流过两截面间的流动阻力。根据伯努利方程找出静压强差和摩擦阻力系数的关系式，即可求出摩擦阻力系数。改变流速可测出不同 Re 下的摩擦阻力系数，这样就可得出某一相对粗糙度下管子的Re 关系。（1

4、）湍流区的摩擦阻力系数 在湍流区内。对于光滑管，大量实验证明，当Re在范围内，与 Re 的关系遵循 Blasius 关系式，即 对于粗糙管，与 Re 的关系均以图来表示。（2）层流的摩擦阻力系数 2、局部阻力 式中，为局部阻力系数，其与流体流过的管件的集合形状及流体的 Re 有关，当 Re 大到一定值后，与 Re 无关，成为定值。八、实验装置和流程：实验装置 本实验装置如下图所示，管道水平安装，实验用水循环使用。其中 No.1管委层流管，管径（6x1.5）mm，两侧压点之间距离为 1m,No.2 管安装有球阀和截止阀两种管件，管径为（27x3）mm,No.3 管为（27x2.75）mm 的不锈

5、钢管。No.4 管为（27x2.75）mm 镀锌钢管，直管阻力的两测压口碱的距离为1.5m.No.5为突然扩大管，管子有（22x3）mm 扩大到（48x3）mm,a1,a2 为层流管两端的测压口；b1,b2 表示球阀的两测压口；c1,c2 表示截止阀的两测压口；d1,d2 表示不锈钢管的两测压口；e1,e2 表示粗糙管的两测压口；f1,f1 表示突然扩大管的两测压口。系统装有孔板流量计（孔径24.00mm,孔流系数）以测量流量。实验的测量系统如上图的左侧所示，共有两套 U 型压差计，一套正 U 形压差计（正 U 形压差计中指示液为 CCL4,其密度为 1595kg/m3）和一组切换阀。正U 形

6、压差计用来测量层流管的阻力，他也可用倒 U 形压差计测量；倒 U 型压差计用来测量孔板压差，直管阻力和局部阻力，各测压点均与面板后两个汇集管相连，通过面板上切换阀与倒 U 型压差计相连。前者用来测量直管阻力和局部阻力，后者用来测量孔板压差，其测压口与装置相同编号的测压口相连。实验流程图 检查仪器 开电源开关 开电源开关 开泵 1、层流流量和压强差的测定 2、不锈钢管流量和压强差的测定 3、镀锌钢管流量和压强差的测定 4、突然扩大管流量和压强差的测定 排气、检查装置 排气、检查装置 排气、检查装置 排气、检查装置 测量水温、管长和管径 测量管长、管径和水温 测量管长、管径和水温 测量水温、细管长

7、径和粗管长径 测量 6组时间、体积、时间和压差 测量 10组流量和压差 测量 10组流量和压差 测量 3组流量和压差 九、操作要点：1、启动离心泵，打开被测管线上的开关阀及面板上与其相应的切换阀，关闭其他的开关阀和切换阀，保证测压点一一对应。2、系统要排净气体使液体流动。设备和测压管线中的气体都要排净，检查是否排净的方法是当流量为零时，观察 U 型压差计中两液面是否水平。3、读取数据时，应注意稳定后再读数。测量直管摩擦阻力时，流量由大到小，充分利用面板量程测取 10 组数据，然后再从小到大测取几组数据，以检查数据的重复性。测定突然扩大管、球阀和截止阀的局部阻力时，各测量 3 次。层流管的流量用

8、量筒与秒表测取。4、测完一根管的数据后，应将流量调节阀关闭，观察压差计的两液面是否水平，水平时才能更换另一条管路，否则全部数据无效。同时要了解各种阀门的特点，学会使用阀门，注意阀门的切换，同时要关严，防止内漏。十、原始数据：不锈钢管 L=1.50m d=20.5mm T=16.7 序号 水流量/mh 压降/KPa 1 0.72 0.37 2 1.05 0.78 3 1.32 1.19 4 1.69 1.84 5 2.03 2.58 6 2.41 3.50 7 2.08 4.59 8 3.26 6.01 9 3.54 6.99 10 3.91 8.40 镀锌钢管 L=1.50 d=22.0 T=

9、17.2 序号 水流量/mh 压降/KPa 1 0.73 0.42 2 1.23 1.04 3 1.62 1.71 4 2.06 2.61 5 2.42 3.51 6 2.74 4.43 7 2.99 5.27 8 3.28 6.22 9 3.55 7.30 10 3.92 8.80 突然扩大管路 d1=16.0mm d2=42.0mm L1=140mm L2=280mm T=17.8 序号 水流量/mh 压降/KPa 1 1.20 0.35 2 2.41 1.82 3 3.30 3.68 层流管路 d=2.7mm L=1.00m T=18.6 序号 时间（t）水的体积/ml 压降/KPa 1

10、 2597 51 1.49 2 2546 74 2.24 3 2554 85 2.64 4 2645 96 2.91 5 3736 146 3.15 6 2616 112 3.77 十一、实验数据处理：实验计算方法，原理，公式如下：流体在管道内流动时，由于流体的粘性和涡流的影响会产生阻力作用，流体在直管内流动阻力的大小与管长、管径、流体流速和管道摩擦系数有关，他们之间的关系如下：1、不锈钢管数据处理如下：处理过程如下：序号流量/m/h压降/kpa 压降/pa流量/m/s直径/mm直径/m横截面积/m流速/m/s10.720.373700.000220.50.0205 0.000330064 0

11、.60594421.050.78780 0.00029220.50.0205 0.000330064 0.88366831.321.191190 0.00036720.50.0205 0.000330064 1.11089741.691.841840 0.00046920.50.0205 0.000330064 1.42228552.032.582580 0.00056420.50.0205 0.000330064 1.70842562.413.53500 0.00066920.50.0205 0.000330064 2.02822972.84.594590 0.00077820.50.020

12、5 0.000330064 2.35644883.266.016010 0.00090620.50.0205 0.000330064 2.74357993.546.996990 0.00098320.50.0205 0.000330064 2.979224103.918.48400 0.00108620.50.0205 0.000330064 3.290612 序号长度/m密度/m 黏度/pa.s雷诺数阻力系数11.5998.695 0.001104 11236.990.0275821.5998.695 0.001104 16387.28 0.02733931.5998.695 0.00110

13、4 20601.15 0.02639141.5998.695 0.001104 26375.72 0.02489551.5998.695 0.001104 31682.07 0.02419361.5998.695 0.001104 37612.71 0.02328671.5998.695 0.001104 43699.41 0.02262381.5998.695 0.00110450878.6 0.02185291.5998.695 0.001104 55248.54 0.021554101.5998.695 0.001104 61023.11 0.021232 整理后的得到的数据如下：序号

14、压降/pa 流速/m雷诺数 阻力系数 阻力系数理论 /s 值 1 370 0.605944 11236.99 0.02758 0.030721094 2 780 0.883668 16387.28 0.027339 0.027955835 3 1190 1.110897 20601.15 0.026391 0.026401361 4 1840 1.422285 26375.72 0.024895 0.024819791 5 2580 1.708425 31682.07 0.024193 0.023708048 6 3500 2.028229 37612.71 0.023286 0.022712

15、531 7 4590 2.356448 43699.41 0.022623 0.021876623 8 6010 2.743579 50878.6 0.021852 0.021060341 9 6990 2.979224 55248.54 0.021554 0.020630939 10 8400 3.290612 61023.11 0.021232 0.020124524 2、镀锌钢管数据处理如下：处理过程如下：序号流量/m/h压降/kpa 压降/pa流量/m/s直径/mm直径/m横截面积/m流速/m/s10.730.41410 0.000203220.022 0.000380133 0.53

16、343921.231.041040 0.000342220.022 0.000380133 0.89880931.621.7117100.00045220.022 0.000380133 1.18379742.062.612610 0.000572220.022 0.000380133 1.50532252.423.513510 0.000672220.022 0.000380133 1.76838862.744.434430 0.000761220.022 0.000380133 2.00222572.995.275270 0.000831220.022 0.000380133 2.1849

17、0983.286.226220 0.000911220.022 0.000380133 2.39682493.557.37300 0.000986220.022 0.000380133 2.594123103.928.88800 0.001089220.022 0.000380133 2.864497 长度/m密度/m 黏度/pa.s雷诺数阻力/pa阻力系数1.5998.62 0.001089 10761.68 0.410567 0.0423231.5998.62 0.00108918132.7 1.041437 0.0378151.5998.62 0.001089 23882.09 1.71

18、2363 0.0358431.5998.62 0.001089 30368.58 2.613607 0.0338331.5998.62 0.001089 35675.723.514850.032971.5998.62 0.001089 40393.17 4.436122 0.0324591.5998.62 0.001089 44078.67 5.277283 0.0324271.5998.62 0.001089 48353.86 6.228595 0.0318041.5998.62 0.001089 52334.21 7.310088 0.0318641.5998.62 0.001089 57

19、788.76 8.812161 0.031503 处理后的数据如下：序号 流量/m/s 流速/m/s 雷诺数 阻力系数 1 0.000203 0.533439 10761.68 0.042323 2 0.000342 0.898809 18132.7 0.037815 3 0.00045 1.183797 23882.09 0.035843 4 0.000572 1.505322 30368.58 0.033833 5 0.000672 1.768388 35675.72 0.03297 6 0.000761 2.002225 40393.17 0.032459 7 0.000831 2.18

20、4909 44078.67 0.032427 8 0.000911 2.396824 48353.86 0.031804 9 0.000986 2.594123 52334.21 0.031864 10 0.001089 2.864497 57788.76 0.031503 3、由“不锈钢管”和“镀锌钢管”数据得到Re 图如下：由上图可知道：1、不锈钢管的曲线函数是：相关度是：0.9751，即Re 的关系是：.Re 关系图 2、镀锌钢管的曲线函数是：相关度是：0.969，即Re 的关系是：。3、实际上 Blasius 关系式是 4、根据实验和实验数据知道曲线相关度分别是0.9751 和 0.9

21、69 和函数的表达式可以说明实验在有外在的条件干涉下证明和验证了 Blasius 方程。4、突然扩大管数据处理：处理过程如下：序号流量/m/h 流量/m3/s 压降/kpa 压降/pad1/mmd2/mmL1/mmL2/mm11.2 0.0003330.35350164214028022.41 0.0006691.821820164214028033.3 0.0009173.6836801642140280 序号密度/kg/m 黏度/pa.s 流速U1/m/s 流速U2/m/s 局部阻力系数1998.530.001071 1.657864020.2405970.723880722998.530

22、.001071 3.32954357 0.48319910.650109253998.530.001071 4.55912605 0.66164190.62432676 处理后的数据如下：序号 流量/m/h 压降/pa 流速U1/m/s 流速U2/m/s 局部阻力系数 1 1.2 350 1.65786402 0.240597 0.72388072 2 2.41 1820 3.32954357 0.4831991 0.65010925 3 3.3 3680 4.55912605 0.6616419 0.62432676 5、层流数据处理如下：数据处理过程如下：序号时间/s体积/ml流量/m3/

23、s压差/Kpa 压差/pad/mmL/md/m125.97511.9638E-061.4914902.710.0027225.46742.90652E-062.2422402.710.0027325.54853.32811E-062.6426402.710.0027426.45963.62949E-062.9129102.710.0027537.361463.90792E-063.1531502.710.0027626.161124.28135E-063.7737702.710.0027 密度/kg/m3 黏度/pa.s横截面积/m2流速/m/s 雷诺数摩擦阻力系数理论值 阻力系数998.41

24、 0.001047 5.72555E-06 0.342989 883.09380.072472485 0.068503998.41 0.001047 5.72555E-060.50764 1307.0190.048966387 0.047013998.41 0.001047 5.72555E-06 0.581274 1496.6030.042763510.04226998.41 0.001047 5.72555E-06 0.633911 1632.1280.039212617 0.039167998.41 0.001047 5.72555E-06 0.682541 1757.3350.0364

25、1878 0.036571998.41 0.001047 5.72555E-06 0.747761 1925.2580.033242302 0.036467 处理完的数据如下：序号 流量/m3/s 压差/pa 流速/m/s 雷诺数 理论值 阻力系数 1 1.96E-06 1490 0.342989493 883.0938 0.072472 0.068503 2 2.91E-06 2240 0.507640088 1307.019 0.048966 0.047013 3 3.33E-06 2640 0.581273633 1496.603 0.042764 0.04226 4 3.63E-06

26、2910 0.633910794 1632.128 0.039213 0.039167 5 3.91E-06 3150 0.682540739 1757.335 0.036419 0.036571 6 4.28E-06 3770 0.747761108 1925.258 0.033242 0.036467 层流阻力系数和雷诺数的关系图 十二、结果结论：1、对于光滑管理论的摩擦阻力系数和实验测定的摩擦阻力系数所差无几。而对于镀锌钢管来说用 Blasius 公式算出的数据与实验的数据相差的很远。2、通过双对数坐标对不锈钢管和镀锌钢管的摩擦阻力系数和雷诺数的关系可以看出所得的数据做成的曲线的方程，和

27、 Blasius 方程很相近。3、对于层流管的摩擦阻力系数的实验数据所得的值和理论公式所得的值几乎一样。4、对于突然放大管路的摩擦阻力系数的值算出来三组数据都不相等，但是差距很小，可以认为是一样的。十三、分析讨论：1、在不锈钢管实验中，由最后的数据显示摩擦系数的值和理论摩擦系数的值很相近但还是有有一定的差距，我想这是由于下面的几点原因：第一，不锈钢管可以看作是光滑管但它还是有一定的阻力，并不是不受阻力的影响。第二，实验中温度、压差和流量都不是一个定值，是在变化的。第三，在实验过程中和数据处理中有效合理的处理数据而造成了一定的误差。2、通过“不锈钢管”、“镀锌钢管”和“层流管”实验数据的显示可以

28、看出：在湍流区的摩擦阻力系数，对于光滑管，实验可以证明当 Re 在 3000 到 300000范围内与 Re 的关系遵循 Blasius 关系式，即：。而对于湍流区的粗糙管路，与 Re 之间的关系就只能用图来表示。而对于层流的摩擦阻力系数是符合：的关系的。3、对于突然放大管路来说，从理论上来讲，摩擦阻力系数应该是相等的，但是在实验的数据表明摩擦阻力系数并不相等。这是由于我们在测定压差时，压差传感器的两端并不是在离突然放大管路很近的地方，而是d1=140mm,d2=280mm距离还是很多的。所以会造成了最后的数据并不相等，而是有很微小的差异。十四、思考题 2、答：我认为对于相对粗糙度相同的其他数据不同的设备测量的数据是可以关联到一条曲线上的。因为压差是与管路的长度，直径，流体的流速，密度，黏度和粗糙度相关。但是可以将这六个数据可以通过量纲分析的方法可以变成压差只 于三个数组群有关，即雷诺数，相对粗糙度和长径比。当相对粗糙度相等时，就可以通过数据的相连关就可以使与 Re 在一条曲线上。3、答：适用，应为数据的处理是通过三个数群来计算，而这三个数群的纲领都是一，与流体的性质无关。所以可以适用于其他的牛顿流体。4、答：无关，测量的阻力时是与虚拟压差有关，摆放的位置不会影响流体的虚拟压强差，所以摆放的位置状态不会影响测量结果的。