化工原理實驗報告

報告摘要

流體阻力的大小關系到輸送機械的動力消耗和輸送機械的選擇，測定流體流

動阻力對化工及相關過程工業的設計、生產和科研具有重要意義。本實驗利用由

水箱、離心泵、光滑管、粗糙管、層流管、突然擴大管及自動測壓、測流量裝置

等組成的裝置，以水為工作流體，在常溫常壓下測定了光滑管、粗糙管、層流管

的摩擦阻力系數人和突然擴大管的局部阻力系數宮，依據伯努利方程及Blasius

關系式等，探討了直管的摩擦阻力系數人隨雷諾數Re的變化關系，驗證了湍流

區內摩擦阻力系數入為雷諾數Re和相對粗糙度￡/d的函數，并由測得的一系列

數據得到了直管的入-Re關系曲線，實驗成功地完成了相關任務，達到了預期的

目的。

一、實驗目的及任務

1、掌握測定流體流的阻力實驗的一般實驗方法。

2、測定直管的摩擦阻力系數人及突然擴大管和閥門的局部阻力系數自。

3、測定層流管的摩擦阻力。

4、驗證湍流區內摩擦阻力系數入為雷諾數Re和相對粗糙度的函數。

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)，在圓形直管中做穩定流動時，由于黏性和渦流的作

用產生摩擦阻力；流體在流過突然擴大、彎頭等管件時，由于流體運動的速度和

方向突然變化，產生局部阻力。影響流體阻力的因素較多，在工程上通常采用量

綱分析方法簡化實驗，得到在一定條件下具有普遍意義的結果，其方法如下。

流體流動阻力與流體的性質，流體流經處的幾何尺寸以及流動狀態有關，可

表示為

AP=f(d,1,u,p,山￡)

引入下列無量綱數群。

雷諾數Re=duP/u

相對粗糙度￡/d

管子長徑比1/d

從而得到

Ap,dup￡1、

—二以一^,二,二）

pudd

令人二中（Re,￡/d）

Np/YE￡、憂

pdd2

可得摩擦阻力系數與壓頭損失之間的關系，這種關系可用試驗方法直接測

得。

〃包=，匚

fpd2

式中為一直管阻力，J/kg；

L一被測管長，m；

D一被測管內徑，m；

”一平均流速，m/s；

入摩擦阻力系數。

當流體在一管徑為d的圓形管中流動時，選取兩個截面，用U形壓差計測出

這兩個截面間的靜壓強差，即為流體流過兩截面間的流動阻力。根據伯努利方程

找到靜壓強差和摩擦隹力系數的關系式，即可求出摩擦阻力系數。改變流速可測

出不同Re下的摩擦阻力系數，這樣就可得出某一相對粗糙度下的管子入-Re關

系。

（1）湍流區的摩擦阻力系數

在湍流區內2=/（Rc,二）。對于光滑管，大量實驗證明，當Re在3x10，105

d

范圍內，入與Re的關系遵循Blasius關系式，及

入=0.3163/仙8$

對于粗糙管，入與Re的關系均以圖來表示。

（2）層流的摩擦阻力系數

人絲

Re

2.局部阻力

式中，自為局部阻力系數，其與流體流過的管件的幾何形狀及流體的Re

有關，當Re大到一定值后，&與Re無關，成為定值。

三、實驗裝置流程圖及主要測試儀器表

--1

11

I-------------------------^>—

01

9r;d-

d，I------------

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

H[-?>-

圖1流體阻

力實驗裝置流

程

1、水箱；2、離心泵；3、自動測壓、測流量裝置；4、上水閥；5、高位水槽；6、層

流管流量調節閥；7、閥門管線開關閥；8、球閥；9、截止閥；10、光滑管開關閥;

11、粗糙管開關閥12、突然擴大管開關閥13、沆量調節閥

四、實驗操作要點

1、啟動離心泵，打開被測管線上的開關閥及面板上與其相應的切換閥，關

閉其他的開關閥和切換閥，保證測壓點一一對應。

2、系統要排凈氣體使液體連續流動。設備和測壓管線中的氣體都要排凈，

檢驗是否排凈的方法是當流量為零時，觀察U形王差計中兩液面是否水平。

3、讀取數據時，應注意穩定后再讀。測定的，流量由大到小。充分利用面

板量程測取10組數據，然后再由小到大測取幾組數據，以檢查數據的重復性。

測定突然擴大管、球閥和截止閥的局部阻力時，各測取三組數據。層流管的流量

用量筒與秒表測取。

4、測完一根管的數據后，應將流量調節閥關閉，觀察壓差計的兩液面是否

水平，水平時才能更換另一管路，否則全部數據無效。同時要了解各種閥門的特

點，學會使用閥門，注意閥門的切換，同時要關嚴，防止內漏。

五、實驗數據處理

1、不銹鋼管（光滑管）：1=1.50md=0.0205m

實驗時水溫為16.8℃,查表經計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,經處理可得如下表格：

次流量壓降流速雷諾數阻力系數X誤差\v

；

數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

以第一組數據為例，計算如下:

4x。4x0.50_八如,

流速u=------:-r=--------------------7=0.421m/s

36()()吐/360()4x().02052

_dup0.0205x0.421x998.68_

雷諾數Re=--=--------------------=7825

LlOlxlO-

2dxAp_2x0.0205x263.3

阻力系數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阻力系數

次數

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

以第一組數據為例，計算如下:

4X(7.4X0.47./

流速u=----------=--------------7=N0.034O3m/s

3600;rxd23600^-X0.0222

dup().0220x0.343x998.68

雷諾數Re==6854

4l.lOlxlO-3

八世學二2x0.0220x214.3及6

阻力系數

Ipir1.50x998.68x0.3432

3、突然擴大管: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3

qv(m/h)△p(kp?)ul/(m/s)u2/(m/s)系數g

11.050.16791.45060.21050.819152

22.090.69592.88740.41900.811783

33.071.62874.24140.61550.797624

以第一組數據為例，計算如下:

4><外4x1.05./

流速u-------------7=1.4506m/s

\=360(hrxd2360()^x0.0162

4xq,—區9~r=0.2105m/s

3600萬)</36004x().0422

92A〃,9x1679

^2+—0.21052+

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

w,21.45062

最后求得局部阻力系數平均值宮=0.80952

4、層流管:1=1.00md=0.0025m

流量壓降流速雷諾數阻力系數人阻力系數人誤差

次數

q.(m7h)△pg)u/(m/s)Re（實驗值）（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Re=--=-------------：-----=46r2

〃LIOlxlO_3

阻力系數”=普=麻歌黯=°“429

六、實驗結果及結論

用Excel畫出摩擦阻力系數入-雷諾數Re圖，分別見圖2和圖3：

士

*最

《

氐

由域數Re

圖2摩擦阻力系數X與雷諾數Re的關系（光滑管和粗糙管）

<

蟒

而

-BR——層流（實測值）

——層奈（理論值）

100100010000

雷諾致Re

圖3摩擦阻力系數人與雷諾數Re的關系（層流管）

1、對光滑管與粗糙管的實驗結果分析：

（1）光滑管與粗糙管的摩擦阻力系數人均隨雷諾數Re的增大非線性減小，當

Re大到一定程度后，入逐漸趨于一個定值，此后的流動可認為已進入阻力

平方區。這是因為此時層流內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)對于光滑管，在實驗雷諾數下，入與Re應遵循Blasius關系式，即

X(Blasius)=0.3163/Re025

1.由圖2可知，當Re增大時，光滑管實測值與理論值比較接近，表明實驗

比較準確。

2.有些實裝點偏差較大，原因可能是由于管內氣泡并未完全排盡造成儀表