化工原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告

報(bào)告摘要

流體阻力的大小關(guān)系到輸送機(jī)械的動(dòng)力消耗和輸送機(jī)械的選擇，測(cè)定流體流

動(dòng)阻力對(duì)化工及相關(guān)過(guò)程工業(yè)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和科研具有重要意義。本實(shí)驗(yàn)利用由

水箱、離心泵、光滑管、粗糙管、層流管、突然擴(kuò)大管及自動(dòng)測(cè)壓、測(cè)流量裝置

等組成的裝置，以水為工作流體，在常溫常壓下測(cè)定了光滑管、粗糙管、層流管

的摩擦阻力系數(shù)人和突然擴(kuò)大管的局部阻力系數(shù)宮，依據(jù)伯努利方程及Blasius

關(guān)系式等，探討了直管的摩擦阻力系數(shù)人隨雷諾數(shù)Re的變化關(guān)系，驗(yàn)證了湍流

區(qū)內(nèi)摩擦阻力系數(shù)入為雷諾數(shù)Re和相對(duì)粗糙度￡/d的函數(shù)，并由測(cè)得的一系列

數(shù)據(jù)得到了直管的入-Re關(guān)系曲線(xiàn)，實(shí)驗(yàn)成功地完成了相關(guān)任務(wù)，達(dá)到了預(yù)期的

目的。

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募叭蝿?wù)

1、掌握測(cè)定流體流的阻力實(shí)驗(yàn)的一般實(shí)驗(yàn)方法。

2、測(cè)定直管的摩擦阻力系數(shù)人及突然擴(kuò)大管和閥門(mén)的局部阻力系數(shù)自。

3、測(cè)定層流管的摩擦阻力。

4、驗(yàn)證湍流區(qū)內(nèi)摩擦阻力系數(shù)入為雷諾數(shù)Re和相對(duì)粗糙度的函數(shù)。

5、將所得光滑管的人一Re方程與Blasius方程相比較。

二、基本原理

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

AP=f(d,1,u,p,山￡)

引入下列無(wú)量綱數(shù)群。

雷諾數(shù)Re=duP/u

相對(duì)粗糙度￡/d

管子長(zhǎng)徑比1/d

從而得到

Ap,dup￡1、

—二以一^,二,二）

pudd

令人二中（Re,￡/d）

Np/YE￡、憂(yōu)

pdd2

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)

得。

〃包=，匚

fpd2

式中為一直管阻力，J/kg；

L一被測(cè)管長(zhǎng)，m；

D一被測(cè)管內(nèi)徑，m；

”一平均流速，m/s；

入摩擦阻力系數(shù)。

當(dāng)流體在一管徑為d的圓形管中流動(dòng)時(shí)，選取兩個(gè)截面，用U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

找到靜壓強(qiáng)差和摩擦隹力系數(shù)的關(guān)系式，即可求出摩擦阻力系數(shù)。改變流速可測(cè)

出不同Re下的摩擦阻力系數(shù)，這樣就可得出某一相對(duì)粗糙度下的管子入-Re關(guān)

系。

（1）湍流區(qū)的摩擦阻力系數(shù)

在湍流區(qū)內(nèi)2=/（Rc,二）。對(duì)于光滑管，大量實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)Re在3x10，105

d

范圍內(nèi)，入與Re的關(guān)系遵循Blasius關(guān)系式，及

入=0.3163/仙8$

對(duì)于粗糙管，入與Re的關(guān)系均以圖來(lái)表示。

（2）層流的摩擦阻力系數(shù)

人絲

Re

2.局部阻力

式中，自為局部阻力系數(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大到一定值后，&與Re無(wú)關(guān)，成為定值。

三、實(shí)驗(yàn)裝置流程圖及主要測(cè)試儀器表

--1

11

I-------------------------^>—

01

9r;d-

d，I------------

3|------------

H[-?>-

圖1流體阻

力實(shí)驗(yàn)裝置流

程

1、水箱；2、離心泵；3、自動(dòng)測(cè)壓、測(cè)流量裝置；4、上水閥；5、高位水槽；6、層

流管流量調(diào)節(jié)閥；7、閥門(mén)管線(xiàn)開(kāi)關(guān)閥；8、球閥；9、截止閥；10、光滑管開(kāi)關(guān)閥;

11、粗糙管開(kāi)關(guān)閥12、突然擴(kuò)大管開(kāi)關(guān)閥13、沆量調(diào)節(jié)閥

四、實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)

1、啟動(dòng)離心泵，打開(kāi)被測(cè)管線(xiàn)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、系統(tǒng)要排凈氣體使液體連續(xù)流動(dòng)。設(shè)備和測(cè)壓管線(xiàn)中的氣體都要排凈，

檢驗(yàn)是否排凈的方法是當(dāng)流量為零時(shí)，觀(guān)察U形王差計(jì)中兩液面是否水平。

3、讀取數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)注意穩(wěn)定后再讀。測(cè)定的，流量由大到小。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。

測(cè)定突然擴(kuò)大管、球閥和截止閥的局部阻力時(shí)，各測(cè)取三組數(shù)據(jù)。層流管的流量

用量筒與秒表測(cè)取。

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(guān)察壓差計(jì)的兩液面是否

水平，水平時(shí)才能更換另一管路，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

1、不銹鋼管（光滑管）：1=1.50md=0.0205m

實(shí)驗(yàn)時(shí)水溫為16.8℃,查表經(jīng)計(jì)算得在該溫度下水的密度P=998.68kg/m,

該溫度下水的粘度21.101mPa?s,經(jīng)處理可得如下表格：

次流量壓降流速雷諾數(shù)阻力系數(shù)X誤差\v

；

數(shù)qv(m7h)△p(kp“)u/(m/s)ReA(Blasius)(%)

10.500.26330.42178250.040700.0336321.02

20.700.41250.589109540.032530.030925.22

30.920.62920.774143970.028730.028880.52

41.130.90550.951176840.027400.027430.09

51.411.29951.187220650.025260.025952.67

61.822.04831.532284820.023900.024351.86

72.393.37942.011374020.022860.022740.52

82.904.73622.441453830.021760.021670.42

93.506.60222.946547720.020830.020680.73

103.817.71483.206596240.020540.020241.46

以第一組數(shù)據(jù)為例，計(jì)算如下:

4x。4x0.50_八如,

流速u(mài)=------:-r=--------------------7=0.421m/s

36()()吐/360()4x().02052

_dup0.0205x0.421x998.68_

雷諾數(shù)Re=--=--------------------=7825

LlOlxlO-

2dxAp_2x0.0205x263.3

阻力系數(shù)2==0.04070

Ipu21.50x998.68x0.4212

0.3163_0.3163

4mM-Re。*-78250,25

w(%)l^-^BIasius)|

誤差=xi()o=2i()2

“Blasius)

2、鍍鋅管(粗糙管)：1=1.50md=0.0220m

流量壓降流速雷諾數(shù)阻力系數(shù)

次數(shù)

Qv(m3/h)△p(kPa)u/(m/s)ReX

10.470.21430.34368540.05336

20.680.37030.49799160.04405

30.860.55570.628125410.04133

41.241.02570.906180820.03669

51.521.46531.Ill221650.03489

61.922.24471.403279980.03349

72.363.22971.725344140.03190

82.844.52812.075414140.03088

93.406.28932.485495800.02993

103.787.69332.762551210.02962

以第一組數(shù)據(jù)為例，計(jì)算如下:

4X(7.4X0.47./

流速u(mài)=----------=--------------7=N0.034O3m/s

3600;rxd23600^-X0.0222

dup().0220x0.343x998.68

雷諾數(shù)Re==6854

4l.lOlxlO-3

八世學(xué)二2x0.0220x214.3及6

阻力系數(shù)

Ipir1.50x998.68x0.3432

3、突然擴(kuò)大管:4=0.0160m,L=0.140m；d2=0.0420m,l2=0.280m

流量壓降流速流速局部阻力

次數(shù)3

qv(m/h)△p(kp?)ul/(m/s)u2/(m/s)系數(shù)g

11.050.16791.45060.21050.819152

22.090.69592.88740.41900.811783

33.071.62874.24140.61550.797624

以第一組數(shù)據(jù)為例，計(jì)算如下:

4><外4x1.05./

流速u(mài)-------------7=1.4506m/s

\=360(hrxd2360()^x0.0162

4xq,—區(qū)9~r=0.2105m/s

3600萬(wàn))</36004x().0422

92A〃,9x1679

^2+—0.21052+

局部阻力系數(shù)€=1-------/一=1------------9?&68=()為19152

w,21.45062

最后求得局部阻力系數(shù)平均值宮=0.80952

4、層流管:1=1.00md=0.0025m

流量壓降流速雷諾數(shù)阻力系數(shù)人阻力系數(shù)人誤差

次數(shù)

q.(m7h)△pg)u/(m/s)Re（實(shí)驗(yàn)值）（理論值）（%）

10.00361.03030.2044620.124290.1385410.28

20.00441.25600.2495650.101430.1133510.51

30.00692.01280.3908850.066100.072288.55

40.00762.32050.4309750.062810.065624.28

50.00973.23250.54912450.053710.051424.47

60.01043.24780.58913350.046950.047962.10

70.01254.07830.70716040.040810.039902.28

流速二4x0.00360204m/s

3600^xj23600%x0.00252

中、甘妞「dup0.0025x0.204x998.68..

雷偌數(shù)Re=--=-------------：-----=46r2

〃LIOlxlO_3

阻力系數(shù)”=普=麻歌黯=°“429

六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

用Excel畫(huà)出摩擦阻力系數(shù)入-雷諾數(shù)Re圖，分別見(jiàn)圖2和圖3：

士

*最

《

氐

由域數(shù)Re

圖2摩擦阻力系數(shù)X與雷諾數(shù)Re的關(guān)系（光滑管和粗糙管）

<

蟒

而

-BR——層流（實(shí)測(cè)值）

——層奈（理論值）

100100010000

雷諾致Re

圖3摩擦阻力系數(shù)人與雷諾數(shù)Re的關(guān)系（層流管）

1、對(duì)光滑管與粗糙管的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：

（1）光滑管與粗糙管的摩擦阻力系數(shù)人均隨雷諾數(shù)Re的增大非線(xiàn)性減小，當(dāng)

Re大到一定程度后，入逐漸趨于一個(gè)定值，此后的流動(dòng)可認(rèn)為已進(jìn)入阻力

平方區(qū)。這是因?yàn)榇藭r(shí)層流內(nèi)層已薄到可以使管壁表面上的凸出物完全暴

露在湍流核心之中。

(2)對(duì)于光滑管，在實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)下，入與Re應(yīng)遵循Blasius關(guān)系式，即

X(Blasius)=0.3163/Re025

1.由圖2可知，當(dāng)Re增大時(shí)，光滑管實(shí)測(cè)值與理論值比較接近，表明實(shí)驗(yàn)

比較準(zhǔn)確。

2.有些實(shí)裝點(diǎn)偏差較大，原因可能是由于管內(nèi)氣泡并未完全排盡造成儀表