北 京 化 工 大 学

实   验   报   告

                                                                                          

课程名称：    化工原理实验                       实验日期： 2015.12.3

班    级：                                       姓    名：  

同 组 人：                                       装置型号： FFRS-Ⅱ型

 

流体阻力实验

一、摘要

本实验以水为介质，使用FFRS-Ⅱ型流体阻力实验装置，测定了水流经直管道、局部管道的阻力系数，Re≈10⁴～10⁵。实验验证了湍流状态下直管摩擦阻力系数受Re和ε/d共同影响；层流状态下直管摩擦阻力系数仅是Re的函数，且在双对数坐标系内呈线性关系；局部阻力系数受Re和局部形状影响，尤其局部形状的差异影响远大于Re。实验得到的直管道阻力系数关联图与教材P29图1-32接近，满足工程上允许的误差范围，在实际应用中，可适当参考该图数据求取阻力系数，进一步计算流体阻力。

关键词：摩擦阻力系数  局部阻力系数  Re  ε/d

二、实验目的

1、掌握测定流体阻力实验的一般实验方法。

2、测定直管的一般阻力系数λ及突然扩大管和阀门的局部阻力系数ζ。

3、验证湍流区内摩擦阻力系数λ为雷诺数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。

三、实验原理

流体在流动过程中，由于粘性会发生相互间的摩擦，从而导致其机械能减少，我们称之为阻力损失。计算流体阻力一种方法是测得管路上、下游两个截面的机械能，当没有外加能量时，两者的差值即是阻力损失；另一种方法是通过因次分析，得到一定条件下通用的公式，此法在科学研究和工程计算上应用广泛，具体如下：

1、寻找影响流体阻力的因素，共6个：

  h _f =Ф(d, u,ρ,μ,,ε)                                   （1）

2、简化实验，确定函数关系：

使用因次分析法，将所有变量组合成4个无因次数群：

雷诺准数Re     duρ/μ          相对粗糙度      ε/d

管道长径比      l/d              能量项          h_f/u²

确定函数关系：                                     （2）

对于水平无变径直管道，结合柏努利方程上式变为：

                                （3）

令

可得： 

                                                          （4）

式中 h_f ——直管阻力，J?Kg^-1；

l ——被测管长，m；

d ——被测管内径，m；

u ——平均流速，m?s^-1；

λ——摩擦阻力系数。

(4)式适用于湍流直管条件下的阻力计算，大量实验表明，当管道内壁非常光滑，即相对粗糙度低于某一数值后，λ与Re的关系遵循Blasius关系式：

λ=0.3163/Re^0.25                                           （5）

当流体处于层流状态时，摩擦阻力系数将不受相对粗糙度的影响，由理论推导得：

                                                 （6）

当流体流经等径管道局部（弯头、阀门等），不考虑直管段长度，方程变为以下形式：

 

                                                  (7)

当流体流经突然扩大管道(p₁<p₂)时：

         

                                       (8)

ζ称为局部阻力系数，它与流体流过的管件的几何形状及流体的Re数有关，当Re大到一定值后，ζ与Re数无关，为定值。

    

用传感器测量压降时，要求主管路和引压管线中的液体必须连续，不能有气泡。主管路排气可开大流量阀门，使水大量快速流过管道，将其中气体带走。引压管线中的气体可在关闭出口流量调节阀的情况下，打开传感器两侧的排气阀门将其排净，最后注意将排气阀关闭。

四、实验流程图

图1、流体阻力实验流程

1、水箱  2、水泵  3、涡轮流量计  4、层流水槽  5、层流管  6、截止阀  7、球阀  8、光滑管  9、粗糙管  10、突扩管  11、流量调节阀   12、层流调节阀

设备尺寸：

不锈钢管：l=1.5m，d=0.021m

镀锌钢管：l=1.5m，d=0.021m

突 扩 管：d₁=0.042m，d₂=0.016m

截止阀管道：d=0.016m

球阀管道：d=0.016m

五、实验操作

1、检查实验器材，关闭所有阀门，启动水泵。

2、确定实验管路，打开总阀门和不锈钢管的阀门。

3、对主管路和不锈钢管路进行排气，直至管路中观察无气泡且传感器读数为零，表明排气完成，关闭排气阀。

4、调节流量为零，待传感器读数稳定后读出压降，作为矫正值，然后从大到小改变流量，测出相应的压降，每设定一个流量时，等待传感器的读数稳定后读数并记录，从小到大依次测出10组数据，并记录相应温度。

5、按上述方法分别测量镀锌钢管，突扩管，截止阀（全开），球阀（全开）和不锈钢管在不同流量时的压降。其中镀锌钢和不锈钢管测10组数据，突扩管、截止阀和球阀均测6组数据。

6、关闭流量调节阀门、停泵，打开传感器两侧排气阀。

7、处理数据，完成实验报告。

六、实验数据处理

1.不锈钢管：l=1.5 m   d=  0.021 m   △p=0.15 Kpa  t_水=25.4℃

以第一组数据为例，计算过程如下：

t_水=20℃，查表得ρ= 998.2kg/m3 μ= 1.005mPa.s

t_水=30℃，查表得ρ= 995.7kg/m3 μ= 0.801mPa.s

用内插法可得：t_水=25.4℃，ρ= 996.85kg/m³，μ= 0.89484mPa.s

流速u =  =  = 5.95 m/s

雷诺数Re =  = 139212

摩擦阻力系数λ= =2*0.021*(22.52-0.15)*10³ /(1.5*5.95²*996.85)= 0.018

λBlasius =  = 0.3163/139212^0.25 = 0.016

2、镀锌钢管：l=1.5 m   d= 0.021 m   △p=0.06 Kpa  t_水=22.7℃

以第一组数据为例，计算过程如下：

用内插法可得：t_水=22.7℃，ρ= 997.6kg/m3 μ= 0.954mPa.s

流速u =  =  = 5.79/s

雷诺数Re =  = 127982

摩擦阻力系数λ= =2*0.021*(36.42-0.06)*10³ /(1.5*5.79²*997.6)= 0.03

λBlasius =  = 0.3163/127982^0.25 = 0.017

3.突扩管：d₁= 0.016 m ；d₂= 0.042 m  △p=0.12 Kpa  t_水=26.9℃

以第一组数据为例，计算过程如下：

用内插法可得：t_水=26.9℃，ρ= 996.5kg/m3 μ= 0.8642mPa.s

流速u₁ =  = 4*3.36/(3600*π*0.0155² ) = 4.14 m/s

流速u₂ =  = 4*3.36/(3600*π*0.042² ) = 0.60m/s

雷诺数Re = = 0.0155*4.14*996.5/(0.8642*10^-3 ) =76467

局部阻力系数ζ=1-( )=1-[(0.60²+2*2.12*10³ /996.5)/ 4.14² ]= 0.72

ζ_理论 =(1)²=(1- d₁²/ d₂²) ²=(1-0.016²/0.042²) ²=0.73

4.球阀（全开）： d=0.02 m   △p=0.12 Kpa   t_水=25.9℃

以第一组数据为例，计算过程如下：

用内插法可得：t_水=25.9℃，ρ= 996.7kg/m3 μ= 0.8846mPa.s

流速u =  =  = 2.67m/s

雷诺数Re = = 0.02*2.67*996.7/(0.8846*10^-3 ) = 76904

局部阻力系数 ζ= =2*1.53*10³/(996.7*2.67²)=0.43

查表知 ζ_理论=0.64

5.截止阀（全开）：d=0.02 m    △p=0.012 Kpa   t_水=25.5℃

以第一组数据为例，计算过程如下：

用内插法可得：t_水=25.5℃，ρ= 996.8kg/m3 μ= 0.8642mPa.s

流速u =  =  = 2.67m/s

雷诺数Re = = 0.02*2.67*996.8/(0.8642*10^-3 ) = 61606

局部阻力系数 ζ= =2*31.12*10³/(996.8*2.67²)=8.76

查表知 ζ_理论=6.80

七、实验结果作图及分析：

结果分析：

1、不锈钢管与镀锌钢管的摩擦阻力系数均随雷诺数的增大而减小，当雷诺数增加到一定值后，阻力系数减小的程度变缓，由于管壁中的突出物已完全暴露在湍流之中，流动进入阻力平方区此时阻力系数λ与雷诺数Re无关。

2、当Re相同时，不锈钢管与镀锌钢管的摩擦阻力系数明显不同，且后者高于前者，因为摩擦阻力系数由雷诺数与粗糙度共同决定，雷诺数Re相等时，相对粗糙度ε/d越大，摩擦系数λ则越大。

3、在湍流区内，光滑管λ与雷诺数Re基本符合Blasius方程。

参考资料：

1、化工原理实验  杨祖荣 主编    化学工业出版社

2、化工原理  陈敏恒 丛德滋 方图南 齐鸣斋 主编     化学工业出版社

第二篇：王某某 流体阻力实验报告(格式参考)

北 京 化 工 大 学

化 工 原 理 实 验 报 告

实验名称：           流体阻力实验

班    级：            化工1101

姓    名：             王某某

学    号：    2010001001       序  号：  1

同 组 人：    王某某、王某某、王某某、王某某

设备型号： 流体阻力-泵联合实验装置UPRSⅢ型-第1套

实验日期：             20##-10-12

一、实验摘要

    本实验使用UPRSⅢ型第1套实验设备，测量了水流经不锈钢管、镀锌管、层流管、突扩管、阀门的阻力损失。确定了摩擦系数和局部阻力系数的变化规律和影响因素，…………。该实验结果可为管路实际应用和工艺设计提供重要的参考。

关键词：摩擦系数，局部阻力系数，……

二、实验目的

   （结合实验教材+预习材料完成本项内容）

三、实验原理

（参考理论教材+实验教材+预习材料，综合整理到报告中。切忌将预习材料中的内容一点不变抄下来！）

四、实验流程和设备

（结合实际设备+预习材料，使用AutoCAD软件绘图）

五、实验操作

（结合实际操作 完成本项内容）

  1、不锈钢管实验：（1、2、3……）

  2、镀锌管实验：（1、2、3……）

  3、层流管实验：（1、2、3……）

   …………

六、实验数据表格及计算举例

（Excel软件处理数据，报告中表格下面要有计算示例）

七、实验结果作图及分析

（按实验教材+预习材料要求，使用Excel、Origin等软件作图）

1、对光滑管与粗糙管的实验结果分析：

2、对层流管的实验结果分析：

…………

八、思考题

（按预习材料要求完成本项内容）

注意：

    1、电子版报告文件取名：“1、王某某 流体阻力实验报告”；

2、实验报告在上完“数据处理”课 一周后提交。