实验一：流体流动阻力的测定

在化工生产中，需要将流体从一设备输送到另一设备，或从一个系统输送到另一个系统，这就牵涉到流体输送、流体计量和流体输送机械的选择等问题。因此，为了能更符合现代化工生产的实际情况，培养学生的工程观念，特开设“流体流动阻力测定”实验项目。学生可根据理论课程教学大纲的要求进行实验，也可以根据自己的兴趣进行其它的实验开发、设计和研究等。

一、实验目的

1、了解流体流动力阻力的测定方法；

2、掌握流体流动力阻力的测定原理。

二、实验任务

化工管路是由直管和各种管阀件组合构成，流体通过管内流动必定存在阻力。因此，在进行管路设计和输送机械的选型中，阻力的大小是一个十分重要的参数。如何测定这些阻力？阻力的变化有何规律？它与哪些因素有关？能否利用实验室设备进行孔板流量计的水力特性研究？能否用间接法确定管壁的粗糙度？这些都是值得研究与探讨的问题。可从以下实验项目中选择一项至两项进行实验或自拟项目实验。

1、不可压缩流体在圆形直管中作层流与湍流流动时，其沿程损失随Re变化规律的研究。

2、实测Re ~λ曲线与莫迪图比较，探讨其合理性。

3、局部阻力损失机理及减少局部阻力损失若干问题的探讨。

4、湍流流动的特征及其流动过程阻力的研究。

5、间接法确定管壁的粗糙度的研究。

6、利用最小二乘法确定突缩管在不同管径比时局部阻力系数经验公式的方法。

7、利用因次分析法进行孔板流量计水力特性的研究。

三、基本原理

1、直管阻力（沿程阻力）测定

不可压缩流体（如：水）在圆形直管中作稳定流动时，由于粘性和涡流的作用产生摩擦阻力；流体在流过突然扩大、突然缩小和弯头、阀门等管件时，由于流体运动的速度和方向突然发生变化产生局部阻力。

影响流体流动阻力的因素有：-

因而，在工程研究中，可利用因次分析法简化实验，引入无因次数群：

雷诺数 ；相对粗糙度 ；管路长径比：

可导出（范宁公式）： - （1）

实验管长l和管径d已给定，取不同流量Vs（或ms），测定- 值，即可计算得流体流过直管时的流动阻力。

根据伯努利方程可知，流体通过直管的沿程阻力损失，可直接由测得的液柱压差计读数R，算得压力降为：- 。

通过实验方法直接测定直管摩擦阻力系数与压头损失之间的关系：

[ J/kg ] （2）

因此，通过改变流体的流速可测定出不同Re数下的摩擦阻力系数，即可得出一定相对粗糙度的管子的 Re ~λ 的关系。

①在湍流区内，普通水煤气管：λ＝f（Re，ε／d）。

（完全湍流区内：λ＝f（ε／d） ）

②对于光滑管，大量实验证明，当Re在3×103至105的范围内，λ与Re的关系遵循Blasius关系式，即：

（3）

③对于层流时的摩擦阻力系数，当Re≤2000时，由哈根－泊谡叶公式和范宁公式，对比可得：

（4）

2、局部阻力

局部阻力通常有两种表示方法，即当量长度法和阻力系数法。

（1）当量长度法

流体流过某管伯或阀门时，因局部阻力阻力造成的损失，相当于流体通过与其具有相同管径的若干米长度的直管阻力损失，这个直管长度称为当量长度，用le表示。因此，当量长度表示的局部阻力损失为：

[ J/kg ] （5）

（2）阻力系数法

流体通过某管件或阀门的阻力损失，相当于流体在管路中的动能的倍数。以系数ζ表示，则以阻力系数表示的局部阻力损失为：

[ J/kg ] （6）

3、输送管路的总阻力

输送管路的总阻力为直管阻力与局部阻力之和：

（1）

（2）

四、实验装置与流程

1、实验装置

以实验室实际所用设备装置为准。根据实际实验所用设备装置，画出设备装置简图并说明实验流程。

2、流量测定

根据本实验装置的流量计测定范围，定出最小流量和最大流量，并确定实验点数量（一般为8～12点）。由液柱压差计读数，查Δp～Ｑs关系图示得流量Qs，或由转子流量计和液柱压差计直接得出Δp和Qs读数。

3、本装置中有关尺寸

本实验装置：直管管径d= mm；直管长度l=1m；管件规格：

五、实验步骤（操作要点）和操作注意事项

（根据实际实验装置拟定）

六、实验数据记录和数据整理

1、实验原始数据记录

实验日期： 环境温度t = ℃ ，湿度tw = ℃

水温t= ℃，水的密度：= kg/m3，水的粘度： Pa s

直管长度： m，管径 mm，粗糙度： mm。

管件名称： 规格：

（1）直管阻力（或局部阻力）

序号

流量计读数 [ ]

压差计读数 [ ]

备 注

1

2

3

4

。。。。

12

注： 液柱压差计指示液为： ，其密度为： kg/m3 。

2、实验数据整理及整理过程计算举例

（1）数据整理

a、直管阻力系数λ

序号

流速u [m/s]

Re

ΔP [pa]

λ实验

λ理论

备注

1

2

3

4

。。。

b、局部阻力系数ζ

序号

流速u [m/s]

Re

ΔP [pa]

ζ实验

备 注

1

2

3

4

。。。

（2）数据整理过程计算举例：

以第二（或三、四…）组数据整理为例：

① ②

③ [Pa] ④

⑤ （查莫迪图得）

⑥ （查相关资料得）

七、实验结果

（1）根据实验（数据整理）结果，在双对数坐标纸上描绘：λ=f（Re，ε/d）曲线，并与教材中的莫迪图中λ～Re曲线对照，求相对粗糙度ε/d。

（2）根据实验结果计算局部阻力ζ，并求其平均值。

（3）对实验结果进行分析讨论。

八、实验讨论与问题分析（可从思考题中拟定内容）

（1）为什么实验数据测定前首先要赶尽设备和测压管中的空气？怎样赶气？

（2）用什么方法检查系统中的空气是否排净？

（3）以水为工作流体所测得的λ～Re曲线能否应用于空气，如何应用？

（4）不同管径，不同水温下测定的λ～Re数据能否关联在同一条曲线上？

（5）如果测压口、孔边缘有毛剌或安装不正，对静压的测量有何影响？

（6）试解释突然扩大与突然缩小的压差计读数在实验过程中有什么不同现象？

九、参考资料

[1] 郭庆丰等，《化工基础实验》，北京：清华大学出版社，2006 05

[2] 柴诚敬等，《化工原理（上下）》，北京：高教出版社，2007 05

[3] 等，《化学工程手册（Ⅰ）》，北京：化学工业出版社，1998 08

[4] 张德拉等编，《化工原理实验指导书》（自编教材），2006 6

。。。。。。

张德拉 编

2007/ 05/ 20