流体流动阻力的测定

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1、生物工程单元操作实验报告——流体流动阻力的测定流体流动阻力的测定一、实验目的（1）熟悉测定流体流经直管的阻力损失的实验组织法及测定摩擦系数的工程意义。（2）观察摩擦系数λ与雷诺数Re之间的关系，学习双对数坐标纸的用法（3）掌握流体流经管件时的局部阻力，并求出该管件的局部阻力。二、实验原理流体在管内流动时，由于流体具有黏性，在流动时必须克服内摩擦力，因此，流体必须做功。当流体呈湍流流动时，流体内部充满了大小漩涡，流体质点运动速度和方向都发生改变，质点间不断相互碰撞，引起流体质点动量交换，使其产生了湍动阻力

2、，结果也会消耗流体能量，所以流体的黏性和流体的漩涡产生了流体流动的阻力。流体在管内流动的阻力的计算公式表示为或式中：h为流体通过直管的阻力（J/kg）；△p为流体通过直管的压力降（N/m2）；p1，p2为直管上下游界面流动的压力（N/m2）；l为管道长（m）；d为管道直径（内径）（m）；ρ为流体密度（kg/m3）；u为流体平均流速（m/s）；λ为摩擦系数，无因次。摩擦系数λ是一个受多种因素影响的变量，其规律与流体流动类型密切相关。当流体在管内作层流流动时，根据力学基本原理，流体流动的推动力（由于压力产生

3、）等于流体内部摩擦力（由于黏度产生），从理论上可以推得λ的计算式为当流体在管内作湍流流动时，由于流动情况比层流复杂得多，湍流时的λ还不能完全由理论分析建立摩擦系数关系式。湍流的摩擦系数计算式是在研究分析阻力产生的各种因素的基础上，借助因次分析方法，将诸多因素的影响归并为准数关系，最后得出如下结论由此可见，λ为Re数和管壁相对粗糙度ε/d的函数，其函数的具体关系通过实验确定。局部阻力通常有两种表达方式，即当量长度法和阻力系数法。当量长度法：流体流过某管件时因局部阻力造成的能量损失相当于流体流过与其相同管径

4、的若干米长度的直管阻力损失，用符号le来表示，则阻力系数法：流体通过某一管件的阻力损失用流体在管路中的动能系数来表示8生物工程单元操作实验报告——流体流动阻力的测定二、实验装置本实验装置如下图，由直管、管件、控制阀、涡轮流量计、供水泵和水箱构成。水箱装有水。测试系统为两组U形管压差计一个用于检测直管阻力，另一个用于检测局部阻力。指示液为汞。图一管道流体阻力实验装置1-储槽；2-泵；3、4-压差计；5-测试阀；6-涡轮流量计；7-数字测速计；8-温度计；9-放空阀直管阻力测定长度L=2.0m，管内径为d1

5、=18mm；局部阻力管内径d2=20mm.实验物料为水，有离心泵在水箱及管道间循环。水系统用于测定流体做湍流流动时的管道阻力。流体的流量用涡轮流量计测定，流量计已经事先校核过，流量系数ε=643.26。流量计的安装已经考虑过前后的稳定度与水平度。三、实验步骤1.熟悉实验装置，掌握每个阀门的作用和用法。2.打开U型压差计的平衡阀，关闭离心泵出口阀门，启动离心泵。3.打开离心泵出口阀门至最大循环几分钟，排出管路中气体，再把两个U型压差计上放气阀打开，小心排尽压差计两侧的空气，严防把水银冲走。4.慢慢关闭平衡

6、阀，如果水银柱稳定在一定高度不变，而开平衡阀时水银柱又能维持0位，则说明管道与压差计内空气已经排尽，否则需重新排气。5.记录U形压差计0位柱高：R10=36.5cm，R20=32.9mm。6.调节泵出口阀门，改变流量，待流量稳定后，读取并记录直管两端U型管度数、闸阀两端U型管度数、流量以及温度。从大到小记录9组数据（附后）。7.关闭泵出口阀门，及仪表开关、泵。8生物工程单元操作实验报告——流体流动阻力的测定二、实验结果1)实验数据及计算。室温为15℃，各参数取值如下：水的物性：密度ρ水=1000kg/m

7、3，动力黏度μ=0.001081Pas汞密度：ρ汞=13600kg/m3重力常数：g=9.8m/s2π=3.14以第一组数据为例，具体计算过程如下：qv=u=ζ=其他各组数据计算过程同第一组，具体实验数据及计算结果如下表：8生物工程单元操作实验报告——流体流动阻力的测定2)根据上表，采用双对数坐标纸作λ-Re关系图，如下：8生物工程单元操作实验报告——流体流动阻力的测定3)根据上表，采用双对数坐标纸作-关系图，如下：根据△P2/ρ水-u2/2关系曲线，得ζ=1.23,拟合度R=0.99963。二、分析讨

8、论8生物工程单元操作实验报告——流体流动阻力的测定1.λ-Re关系。由实验结果中λ-Re关系图可以看出摩擦系数λ随雷诺数Re的增大而减小。基本符合实验预期。不过，未观察到摩擦系数λ不随雷诺数Re变化而变化的完全阻力平方区段，分析其原因为实验中最大循环的流量较小，流速小，导致雷诺数没有达到充分大，因此摩擦系数λ一直与Re相关；实验中采用的管道相对粗糙度较小，因此需要更大的雷诺数，更大的流量才能使流体进入充分湍流区。2.局部阻力系数ζ值的测定据