化工原理实验-流体流动阻力系数的测定实验报告

流体流动阻力系数的测定实验报告

一、实验目的：

1、 掌握测定流体流动阻力实验的一般实验方法。

2、 测定直管的摩擦阻力系数λ及突然扩大管和阀门的局部阻力系数ξ。 3、 验证湍流区内摩擦阻力系数λ为雷诺系数Re和相对粗糙度的函数。 4、 将所得光滑管的λ—Re方程与Blasius方程相比较。

二、实验器材：

流体阻力实验装置一套 三、实验原理：

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、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，得到在一定条件下具有普遍意义的结果，其方法如下。

流体流动阻力与流体的性质，流体流经处的几何尺寸以及流动状态有关，可表示为

△P=f (d, l, u,ρ,μ,ε)

引入下列无量纲数群。

雷诺数 Re=duρ/μ 相对粗糙度 ε/ d 管子长径比l / d 从而得到

△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

可得摩擦阻力系数与压头损失之间的关系,这种关系可用试验方法直接测定。 h f=△P/ρ=λ（l / d）u2/2

式中，h f——直管阻力，J/kg

l——被测管长，m d——被测管内径，m u——平均流速，m/s λ——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λ—Re关系。

（1）、湍流区的摩擦阻力系数 在湍流区内λ=f（Re，ε/ d）。对于光滑管，大量实验证明，当Re在3×103~105

范围内，λ和Re的关系遵循Blasius关系式，即 λ=0.3163 / Re0.25

对于粗糙管，λ和Re的关系均以图来表示。

2、 局部阻力

h f=ξu2/2

式中，ξ为局部阻力系数，其与流体流过的管件的几何形状及流体的Re有关，当Re达到一定值后，ξ与Re无关，成为定值。

四、实验步骤：

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、 排净系统中的气体以便使液体能连续流动。设备和测压管线中的气体都要排净，观察

U形压差计中两液面是否水平，如果水平说明系统中气体已经排净。

3、 测定光滑管和粗糙管摩擦阻力，先将流量从小到大慢慢增加，并观察U形压差计中两

液面差，当液面差达到最大并等数据稳定后记录第一组数据，即此时的液体流量和压差。接着将流量由大到小，每相差0.3m3/h左右侧一组数据。充分利用面板量程测取10组数据，然后再由小到大测取几组数据，以检查数据的重复性（不记录数据）。测定突然扩大管、球阀和截止阀的局部阻力时，各测取3组数据，具体步骤与侧量光滑管和粗糙管相同。注意在记录整个实验的第一组数据时记录一次液体温度，记录最后一组数据时记录一次温度。

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。

五、实验数据处理：

在整个实验过程中，液体温度可由始末温度值之和的平均值代替，则有 t=(t始+t末)/2= (21.2+26.8)/2=24℃

此温度对应水的密度可由相关表查得,

ρ=997.2kg/m3 μ=0.9142mPa·S

1、 求光滑管、粗糙管摩擦阻力系数λ和雷诺系数Re

由公式u=Q/A=3.54×102 Q/d2得到流速，由公式Re=duρ/μ可求得雷诺数，由式 h f=△P/ρ=λ（l / d）u2/2 可求得真实的λ，由Blasius关系式 λ’=0.3163 / Re0.25可求得理论λ’。

光滑管几何尺寸为 d=21mm， l=1.5m，相对粗糙度 ε/ d=0.2/21=0.01 所求光滑管在不同流量下的u、Re、λ、λ’如下表：

光滑管的相关数据如下表：

序号 Q/ m3 /h 1 3.50 6.80 2.81 6.44 2 3.22 5.83 2.58 5.91 3 2.94 4.93 2.36 5.41 4 2.66 4.14 2.14 4.90 5 2.38 3.32 1.91 4.38 6 2.10 2.70 1.69 3.87 7 1.82 2.12 1.46 3.34 8 1.54 1.53 1.24 2.84 9 1.26 1.09 1.01 2.31 10 0.98 0.76 0.79 1.81 △P/kPa u/m/s Re×10-4 λ 0.0242 0.0246 0.0249 0.0254 0.0256 0.0266 0.0279 0.0280 0.0300 0.0342 λ’ 0.0199 0.0203 0.0207 0.0213 0.0219 0.0226 0.0234 0.0244 0.0257 0.0273 粗糙管几何尺寸为 d=22mm， l=1.5m，相对粗糙度 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：

粗糙管的相关数据表如下:

序号 Q/ m3 /h 1 3.67 6.85 2.68 6.43 2 3.37 5.89 2.46 5.90 3 3.07 4.90 2.25 5.40 4 2.77 4.01 2.03 4.87 5 2.47 3.22 1.81 4.34 6 2.17 2.54 1.59 3.82 7 1.87 1.99 1.37 3.29 8 1.57 1.52 1.15 2.76 9 1.27 1.03 0.93 2.23 10 0.97 0.66 0.71 1.70 △P/kPa u/m/s Re×10-4 λ λ’ 0.0280 0.0286 0.0285 0.0286 0.0289 0.0295 0.0312 0.0338 0.0350 0.0385 0.0199 0.0203 0.0207 0.0213 0.0219 0.0226 0.0235 0.0245 0.0259 0.0277

2、求局部阻力系数ξ

由公式u=Q/A=3.54×102 Q/d2得到流速，由式h f=△P/ρ=ξu2/2可得到ξ。 其中，扩大管的管径取d=16mm,球阀和截止阀的管径取d=20mm。 所求得各数据如下表：

扩大管、球阀管、截止阀管的相关数据表如下: 序号 Q/ m3 /h 扩大管 1 3.50 4.55 4.84 0.3904

3、 所得湍流时λ—Re—ε/ d关系图如下：

2 2.70 1.64 3.73 0.2369 3 1.90 0.27 2.63 0.0803 1 3.52 3.44 3.12 0.7103 球阀 2 2.72 1.62 2.41 0.5606 3 1.92 0.91 1.70 0.6329 1 1.41 6.69 1.25 8.606 截止阀 2 1.06 3.84 0.94 8.735 3 0.71 1.78 0.63 9.014 △P/kPa u/m/s ξ 摩擦阻力系数λ与Re的关系0.0090.0080.0070.0060.0050.0040.0030.0020.0010粗糙管光滑管对数 (粗糙管)对数 (光滑管)摩擦阻力系数λ4.5674.043.5122.9862.4591.9331.404Re×10^4

摩擦阻力系数λ与Re的关系0.0080.0070.0060.0050.0040.0030.0020.0010摩擦阻力系数λ粗糙管光滑管对数 (粗糙管)对数 (光滑管)1.4041.9332.4592.9863.512Re×10^44.044.567

六、思考题：

（1）、在测量前为什么要将设备中的空气排净？怎样才能迅速地排净？

设备中要是还有空气未排净将使设备中液体不能连续地流动，势必影响实验结果。在接通水泵电源以后，再打开流量调节阀门，使之大流量输出便可迅速有效地排净设备中的空气。 （2）、在不同设备（包括相对粗糙度相同而管径不同）、不同温度下测定的λ—Re数据能否关联在一条曲线上？ 不能关联到一条曲线上。 （3）、测出的直管摩擦阻力与设备的放置状态有关吗？为什么？

有关系。由h f=（P1/ρ+z1g）-( P2/ρ+ z2g) =△P/ρ可知，阻力损失均主要表现

为流体势能的降低，即△P/ρ，只有当管道水平放置时，才能用△P代替△P。当不是水平管时△P还包含了高度差所产生的势能差，所以如果不是水平管，则所求的摩擦阻力值要比实际的摩擦阻力要大。 （4）、如果要增加雷诺数的范围，可采取哪些措施？

可以同时增大管径和管内水的流量，或者用密度大、黏度小的液体进行试验。 3、通过活动，使学生养成博览群书的好习惯。 B比率分析法和比较分析法不能测算出各因素的影响程度。√ C采用约当产量比例法，分配原材料费用与分配加工费用所用的完工率都是一致的。Ｘ C采用直接分配法分配辅助生产费用时，应考虑各辅助生产车间之间相互提供产品或劳务的情况。错 C产品的实际生产成本包括废品损失和停工损失。√ C成本报表是对外报告的会计报表。× C成本分析的首要程序是发现问题、分析原因。× C成本会计的对象是指成本核算。× C成本计算的辅助方法一般应与基本方法结合使用而不单独使用。√ C成本计算方法中的最基本的方法是分步法。X D当车间生产多种产品时，“废品损失”、“停工损失”的借方余额，月末均直接记入该产品的产品成本 中。× D定额法是为了简化成本计算而采用的一种成本计算方法。× F“废品损失”账户月末没有余额。√ F废品损失是指在生产过程中发现和入库后发现的不可修复废品的生产成本和可修复废品的修复费用。Ｘ F分步法的一个重要特点是各步骤之间要进行成本结转。(√) G各月末在产品数量变化不大的产品，可不计算月末在产品成本。错 G工资费用就是成本项目。(×) G归集在基本生产车间的制造费用最后均应分配计入产品成本中。对 J计算计时工资费用，应以考勤记录中的工作时间记录为依据。(√) J简化的分批法就是不计算在产品成本的分批法。(×) J简化分批法是不分批计算在产品成本的方法。对 J加班加点工资既可能是直接计人费用，又可能是间接计人费用。√ J接生产工艺过程的特点，工业企业的生产可分为大量生产、成批生产和单件生产三种，X K可修复废品是指技术上可以修复使用的废品。错 K可修复废品是指经过修理可以使用，而不管修复费用在经济上是否合算的废品。Ｘ P品种法只适用于大量大批的单步骤生产的企业。× Q企业的制造费用一定要通过“制造费用”科目核算。Ｘ Q企业职工的医药费、医务部门、职工浴室等部门职工的工资，均应通过“应付工资”科目核算。Ｘ S生产车间耗用的材料，全部计入“直接材料”成本项目。Ｘ S适应生产特点和管理要求，采用适当的成本计算方法，是成本核算的基础工作。(×) W完工产品费用等于月初在产品费用加本月生产费用减月末在产品费用。对 Y“预提费用”可能出现借方余额，其性质属于资产，实际上是待摊费用。对 Y引起资产和负债同时减少的支出是费用性支出。X Y以应付票据去偿付购买材料的费用，是成本性支出。X Y原材料分工序一次投入与原材料在每道工序陆续投入，其完工率的计算方法是完全一致的。Ｘ Y运用连环替代法进行分析，即使随意改变各构成因素的替换顺序，各因素的影响结果加总后仍等于指标的总差异，因此更换各因索替换顺序，不会影响分析的结果。(×) Z在产品品种规格繁多的情况下，应该采用分类法计算产品成本。对 Z直接生产费用就是直接计人费用。X Z逐步结转分步法也称为计列半成品分步法。√ A按年度计划分配率分配制造费用，“制造费用”账户月末(可能有月末余额/可能有借方余额/可能有贷方余额/可能无月末余额)。 A按年度计划分配率分配制造费用的方法适用于(季节性生产企业)