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化工原理-流体阻力实验报告(北京化工大学)
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1305班
姓 名: 张玮航
学 号: 2013011132 序 号: 11
同 组 人: 宋雅楠、陈一帆、陈骏
设备型号: 流体阻力-泵联合实验装置UPRSⅢ型-第4套
实验日期: 2015-11-27
北京化工大学 化工原理 流体阻力实验
PAGE \* MERGEFORMAT - 12 -
一、实验摘要
首先,本实验使用UPRSⅢ型第4套实验设备,通过测量不同流速下水流经不锈钢管、镀锌管、层流管、突扩管、阀门的压头损失来测定不同管路、局部件的雷诺数与摩擦系数曲线。确定了摩擦系数和局部阻力系数的变化规律和影响因素,验证在湍流区内λ与雷诺数Re和相对粗糙度的函数。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。
结果,从实验数据分析可知,光滑管、粗糙管的摩擦阻力系数随Re增大而减小,并且光滑管的摩擦阻力系数较好地满足Blasuis关系式: 。突然扩大管的局部阻力系数随Re的变化而变化。
关键词:摩擦系数,局部阻力系数,雷诺数,相对粗糙度
二、实验目的
1、掌握测定流体流动阻力实验的一般实验方法:
= 1 \* GB3 ①测量湍流直管的阻力,确定摩擦阻力系数。
= 2 \* GB3 ②测量湍流局部管道的阻力,确定摩擦阻力系数。
= 3 \* GB3 ③测量层流直管的阻力,确定摩擦阻力系数。
2、验证在湍流区内摩擦阻力系数λ与雷诺数Re以及相对粗糙度的关系。
3、将实验所得光滑管的λ-Re曲线关系与Blasius方程相比较。
三、实验原理
1、 直管阻力
不可压缩流体在圆形直管中做稳定流动时,由于黏性和涡流的作用会产生摩擦阻力(即直管阻力);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,会产生局部阻力。由于分子的流动过程的运动机理十分复杂,目前不能用理论方法来解决流体阻力的运算问题,必须通过实验研究来掌握其规律。为了减少实验的工作量、化简工作难度、同时使实验的结果具有普遍的应用意义,应采用基于实验基础的量纲分析法来对直管阻力进行测量。
利用量纲分析的方法,结合实际工作经验,流体流动阻力与流体的性质、流体流经处的几何尺寸、流体的运动状态有关。可表示为:。
通过一系列的数学过程推导,引入以下几个无量纲数群:
= 1 \* GB3 ①雷诺数: ; = 2 \* GB3 ②相对粗糙度: ; = 3 \* GB3 ③长径比:
整理得到:
其中,令:为直管阻力系数,则有 。
阻力系数与压头损失之间的关系可通过实验测得,上式改写为:
(1)
(式中 ——直管阻力(J/kg), ——被测管长(m), ——被测管内径(m),—平均流速(m/s),—直管中的摩擦阻力系数。)
根据机械能衡算方程,实验测量:
(2)
对于水平无变径直管道,结合式(1)与式(2)可得摩擦系数:
测量
当流体在管径为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的压强差,即为流体流过两截面间的流动阻力。通过改变流速可测出不同Re下的摩擦阻力系数,这样便能得到某一相对粗糙度下的关系。
其中,经过大量实验后人们发现:
1、层流圆直管(Re2000):λ=φ(Re)即λ=64/Re
2、湍流水力学光滑管(Re4000):λ=0.3163/Re0.25
3、湍流普通直管(4000Re临界点):λ=φ(Re,ε/d)即
4、湍流普通直管(Re临界点):λ=φ(ε/d)即
将上述经验结果归纳为表1 。
表1 摩擦阻力系数与雷诺数关系
0~2000
2000~4000
4000~Re临界点
临界点以上
(水力光滑管)
\
(粗糙管)
\
直管段两端使用电子压差计来测量压差。对于任意一种流体,其直管摩擦系数λ仅与Re和有关。因此只要在实验室的小规模装置上利用水作实验物系,进行有限量的实验,就可以确定λ与Re和的关系,从而计算任意流体在管路中的流动阻力损失,这些结论就可以推广到工业生产实际中去。
2、局部阻力
流体的边界在局部地区发生急剧变化时,迫使主流脱离边壁而形成漩涡,流体质点间产生剧烈的碰撞,所形成的阻力称为局部阻力。局部阻力通常以当量长度法或局部阻力系数法表示。本实验中采用局部阻力系数法。
= 1 \* GB3 ①当量长度法:流体通过阀门或管件的局部阻力损失,若与流体流过一定长度的相同管径的直管阻力相当,则称这一直管长度为管件或阀门的当量长度,用符号表示。在管
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