流体力学综合实验流体流动阻力的测定
流体力学综合实验-流体流动阻力的测定
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实验报告
课程名称： 过程工程原理实验(乙) 指导老师: 成绩：＿__＿__＿_＿＿_＿＿＿____
实验名称: 流体力学综合实验——流体流动阻力的测定 同组学生姓名: 实验类型： 流体力学实验 一、实验目的和要求（必填） ? 二、实验内容和原理(必填)
三、实验材料与试剂(必填) 四、实验器材与仪器(必填) 五、操作方法和实验步骤（必填） 六、实验数据记录和处理?? 七、实验结果与分析(必填） 八、讨论、心得
一．实验目的
1.掌握测定流体流经直管、管件（阀门）时阻力损失的一般实验方法;
2.测定直管摩擦系数λ与雷诺准数Re 的关系,验证在一般湍流区内λ与Re 的关系曲线；
3.测定流体流经管件(阀门）时的局部阻力系数ζ;
4.识辨组成管路的各种管件、阀门,并了解其作用。
二．实验原理
流体通过由直管、管件（如扩大管、三通和弯头等)和阀门等组成的管路系统时,由于粘性剪应力和涡流应力的存在,要损失一定的机械能。流体流经直管时所造成的机械能损失成为直管阻力损失。流体通过管件、阀门时由于流体运动方向和速度大小的改变所引起的机械能损失成为局部阻力损失。
1.直管阻力摩擦系数λ的测定
流体在水平等径直管中稳定流动时,阻力损失为:
2
22
1u d l p p p h f
f λ
ρ
ρ
=-=
?=
···
(1)
f 2
2d p u l λρ?=
(2)
专业：
姓名： 学号：
装 订
公式中：
λ——直管阻力摩擦系数，无因次； d ——直管内径,m;
f
p ?——流体流经ｌ米直管的压力降,P ａ；
f
h ——单位质量流体流经l 米直管的机械能损失，Ｊ/kg ；
ρ——流体密度，k ｇ／m 3; ｌ——直管长度,ｍ；
u ——流体在管内流动的平均速度，m/s ； 滞流（层流)时：
Re
64
=λ (3)
μ
ρ
du Re = (4)
式中：
R ｅ——雷诺准数，无因次； μ——流体粘度，kg ／(m ·s)。
湍流时λ是R ｅ和相对粗糙度(ε/ d ）的函数，须由实验测定。
由（2）可是，要测定λ，需要确定ｌ、d,测定f p ?、u 、ρ、μ等参数。l 、d 为装置参数(装置参数表格中给出），ρ、μ通过测定流体温度,再查有关手册而得，ｕ通过测定流体流量，再由管径计算得到。
本装置流量采用涡轮流量计或转子流量计测量，则
2
d
900V
u π=
············(5） 式中：V ——流量计测得的流量，m 3/h 。
f
p ?可用Ｕ型管、倒置Ｕ型管、测压直管等液柱压差计测定,或采用压差变
送器和二次仪表显示。
根据实验装置结构参数ｌ、ｄ,指示液密度ρ0，流体温度t 0（查流体物性ρ、
装 订
μ），以及实验时测定的流量Ｖ、f
p ?,求取Re 和λ,再将Re 和λ标绘在双对数
坐标图上。
２ 局部阻力系数ξ的测定
流体通过某一管件或者阀门时的机械能损失表示为流体在小管径内流动时平均动能的某一倍数，局部阻力的这种算法,叫做阻力系数法。即:
21f 'h '2
f
f p p l u l ξρρ??==— ·········(6） 故： 12
'2=f f p p l u l ξρρ???? ???
— ··········（7） 式中：——单位质量流体流经某一管件或阀门时的机械能损失，J/kg ； ξ——局部阻力系数,无因次;
——局部阻力压强降，Ｐa ；(本装置中,所测得的压强降应扣除
阀门二端两侧压口间直管段的压降,直管段的压降由相应管路的直管阻力实验结果求取)；
ρ——流体密度，kg/m 3； ｇ——重力加速度,9．81m/s ２;
u ——流体在小截面管中的平均流速,ｍ/ｓ。
根据连接管件或阀门两端管径中小管的直径d,流体温度t 0（查流体物性ρ、μ)，以及实验时测定的流量V 、f
p ?，通过式（6)或(7)，求取管件(阀门)的局部阻
力系数ξ。 三．实验仪器 1.实验装置
实验对象部分由贮水箱、离心泵,不同管径、材质的水管，各种阀门、管件，涡轮流量计和倒U 型压差计等所组成。管路部分有三段并联长直管,自上而下分别为用于测定直管层流阻力、粗糙管直管阻力系数、光滑管直管阻力系数。同时在粗糙管直管和光滑管直管上分别装有闸阀和截止阀,用于测定不同种类阀门的局部阻力系数。
装 订
水的流量使用转子流量计或涡流流量计测量,管路直管阻力和阀门的局部阻力采用相应的倒U 型压差计或压差传感器测量。
２.实验流程:实验装置流程图如图１中箭头所示。 3．装置参数
装置参数如下表所示。
名称 类型 管内径 (mm) 测量段长度(mm) 光滑管 不锈钢管 21 1000 粗糙管
镀锌铁管 ２2 1000 光滑管局部阻力 截止阀 ２1 6６０ 粗糙管局部阻力
闸阀 22 680 层流管
不锈钢管
６
2000
图1 流体力学综合实验装置装置流程示意图
四．实验步骤
1.开启仪表柜上的总电源、仪表电源开关;
2.首先对水泵进行灌水，然后关闭泵出口阀,启动水阀，待电机转动平稳后，把泵的出口阀缓缓开到最大;
3.全开流量调节阀,以排除测试管路内的空气。当采用U 型压差计（或倒Ｕ型压差计)测量压差时,应先对Ｕ型压差计（或倒U 型压差计）进行排气和调零，使压差计两端在带压且零流量时的液位高度相等。本装置选用差压变送器测量压差,当使用差压变送器测量压差时，也应先对差压变送器两侧的引压管进行排气操作;
装 订
4.实验从最大流量开始做起，最小流量控制在1．5m ３/h 以上,每次流量为上次的０.8５倍,流量改变后，要待流动达到稳定后再读数,实验时同时读取不同流量下的压差、流量和温度等有关参数；
5.装置确定时,根据ΔP 和u 的实验测定值,可以计算λ和ξ，在等温条件下，雷诺数Re ＝duρ/μ=Ａu ,其中Ａ为常数,因此只要调节管路流量,即可得到一系列λ~Re 的实验点，从而绘出λ～R ｅ曲线;
6.实验结束，关闭泵出口阀,关闭水泵电机,关闭仪表电源和总电源开关,将实
验装置恢复原样。
五．实验数据记录及处理
实验原始数据如实验原始数据记录表。 1.直管阻力摩擦系数λ的测定
水温t=21℃，此时水的密度3997.95/kg m ρ= ,其粘度30.984610Pa s μ-=??
光滑管（d ＝21ｍm ，ｌ=1０00ｍm)
序号 流量 V/(m ３
/ｈ) 直管压差 Δｐf /kP ａ 流速 ｕ/(m/s) 2
f lu p d 2ρλ?=
雷诺数 Re 1 5.14 8.56 4.12 0.02１2 8７6９３ ２ 4．3８ 6.40 ３.51 0．0219 ７4709 3 ３.71 ４.72 2.９8 0.0２２4 63429 4 ３．１６ 3.52 2.53 0.02３1 5３850 ５ 2.67 2.５9 ２.14 ０.0２3８ 45５49 ６ ２.26 1．92 1.81 ０.02４7 3852５ 7 １．９３ 1.4１ 1.5５ 0.０2４7 ３2991 8 1．６４ ０．97 1.3２ 0．0234 ２8096 粗糙管（d=22mm ，ｌ＝１０00ｍm)
1 5.８５ 16.０9 4.27 0．0３８９ ９52１4 ２ 4.97 1１.７８ 3.６3 0．0394 809４３ 3 4.23 ８.6４ 3.０9 ０.0３9９ 68９0
2 4 3.6２ ６．42 2.65 0.040３ ５9090 ５ ３.05 4.58 2.2
3 0.０40６ 4972５ ６ ２．5９ ３.35 1．89 0.0413 4214
4 ７ 2.19 2．４2 １.60 0.0４17 3567７ 8 1.86 1.68 1.3６ 0.０400 ３0３２6 9
1.6０
1.１８
1．17
０.０380
２6089
在双对数坐标轴上绘出两条λ～Ｒe 曲线如下： 光滑管的λ~Re 曲线(舍弃误差较大的第7、8组数据）
装 订
由流体力学相关知识可知：当2１０0<Ｒe<１0５时，光滑管的摩擦系数λ满足柏拉修斯经验公式：0.25
0.3164
Re λ=
，而测量结果为:0.1819
0.1681Re λ=,有一点差距。查《化工原理》教材莫狄（Moody ）图,可得该粗糙管的相对粗糙度ε/d 约为0.0０04,则其绝对粗糙度约为ε=0.00８４ｍm 。 粗糙管的λ~Re 曲线（舍弃误差较大的第8、9组数据)
由流体力学相关知识可知:实验结果也各经验公式存在一些误差。查《化工原理》教材莫狄(Moo ｄy)图,可得该粗糙管的相对粗糙度ε/d 约为0．０1,则其绝
对粗糙度约为ε=0.22m ｍ。
2.局部阻力系数ξ的测定
水温t ＝２1℃，此时水的密度3997.95/kg m ρ=，其粘度30.984610Pa s μ-=??
光滑管 截止阀(d ＝21ｍｍ，ｌ1=６60mm)
序号
流量 V ／（m 3／h ） 直管压差 Δp f /kPa 阀压差 Δp ’f /kPa 流速 u/(m ／s) 12'2=
f
f p p l u l ξρρ
????
???
—
ξ平均
值 1 ５.１4 ８．56 93.3 ４.12 １0．３４９ １0.2９8
2 4.38 6．40 68．0 ３.51 1０．3７4
3 ３.71 ４.７２ 48.7 ２.98 10.２87
4 ３．1６ ３.5２ 35.3 2.5３ 10.３２
5 5 2.67 2.59 25.3 2.14 10.324
6 ２.2６ 1．９２ １8.2 1.8１ 1０.３58 7
1，93
１．４1
13.0
1.55
１０.068
装 订
8 1.64 ０.97 8．６ 1．32 ９.15５ 粗糙管 闸阀(d=２2mm,l 1=680mm)
1 ５.8５ 16.０9 13.3９ 4.27 0.269
０.252
2 ４.97 11.78 9.79 3．６
3 0.271 3 ４．２3 ８.6
4 7.１７ ３．09 ０.27２ 4 3．６2 6.４2 5．3０ 2．６
5 0.2６7 ５ 3.0５ 4.58 3.7
6 2.２3 0.2６0 6 2.5９ 3.35 2．74 1.８9 0.259
7 2.19 ２.４２ 1.９6 1.6０ 0．246
8 1.８６ 1.68 1.３5 １．３6 0.225 9
1.6０
1．18
０.94
１.1７
0.2０1
（注:在计算截止阀局部阻力系数时舍弃误差较大的第８组数据)
即实验测得该截止阀全开时的局部阻力系数为ξ=10.298,该闸阀全开时的局
部阻力系数为ξ=0.２52。
六．实验结论及误差分析
实验结论:本次实验可以有效地测定该管路的λ~Re 曲线、估算管路相对粗糙度并计算阀门的局部阻力系数。实验测得光滑管的相对粗糙度为ε/d ＝0.0004,则其绝对粗糙度约为ε＝０．008４mm ;粗糙管的相对粗糙度为ε／d=0.0１，则其绝对粗糙度约为ε=0.22mm .测得截止阀全开时的局部阻力系数为ξ＝10．298，闸阀全开时的局部阻力系数为ξ=０．25２。
结论分析:在作光滑管和粗糙管的λ~Re 曲线时均将流量最小的两组数据舍弃，用此时的数据计算出来的结果偏差较大;在计算阀门的局部阻力损失时截止阀的计算中也将最小流量下的数据舍弃。这可以说明实验装置在小流量的测量状态下误差较大。在实验过程中也有所体现，当流量减小到很小时,多次调节仪表的读数稳定值差距也较大。
实验结果与理论值之间存在一定的误差。管路的λ～Ｒe 曲线与理论的经验公式没有很准确的对应，阀门局部阻力系数也有一定的误差，例如:查表的闸阀全开局部阻力系数理论值为ξ=0.17，与实验值０.25２也一定差距。
实验中可能产生误差的原因有:
1、实验装置中管路上的测压点的设置存在一些问题，管道上打的孔数目多，对于实验数据的测量造成一定的影响;
2、实验管路并不能做到完全水平，会有一定倾角，而理论计算是以水平来
装 订
考量,从而产生误差;
3、由于水在管路中流动时摩擦生热,导致水体温度不断变化，而计算时仅用特定温度下水的密度与粘度的数据，从而产生误差;
４、实验所用管路内因长期有水及空气流过,应会有较大锈蚀,导致管径及粗糙度发生变化,从而产生误差;
5、所用的水因反复循环使用，并未更换,导致水中带有很多杂质,其密度与粘度与所查的纯水的数据存在差距，产生误差;
６、仪器系统误差、读数误差、偶然误差等其他误差。
七．思考题
1.在对装置做排气工作时，是否一定要关闭流程尾部的出口阀?为什么? 答:对装置做排气工作时,先要打开出口阀，使流体流动稳定后，再关闭流程尾部的出口阀,这样可使管中有较大压力使得气体排出。排气时出口阀一定要关闭,以防止排气不充分。
2.如何检测管路中的空气已经被排除干净?
答：调节阀门,使流体流速为0，如果p ?=0,则说明空气已经排尽。然而事实上,由于实验装置本身的误差,即使空气已经排除干净，压差也不一定为0。而且由于实验室不断有人进行实验，所以本实验过程中并不要求做排气这一过程。
3.以水作介质所测得的λ-Re 关系能否用于其它流体?
答：可以。因为Re,f d ελ?
?= ???，即λ-Re 关系于管内介质种类无关,只与管子
的相对粗糙度有关。所以只要相对粗糙度相同,不论流体种类如何，λ-R ｅ 关系就都相同。
4.在不同设备上（包括不同管径),不同水温下测定的λ～Re 数据能否关联在同一条曲线上?
答:Re,f d ελ?
?= ???，即λ~Re 数据能否关联取决于相对粗糙度是否相同。在不
同设备上（包括不同管径)，不同水温下测定的λ～Re 数据，若其对应的相对粗糙度相同，则可以关联在同一条曲线上,与水温无关。
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