【知识精讲】23华工821化工原理考研知识——流体流动实验归纳（1）

华工考研 · 发表于 2022-3-15 09:41:32

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#1、流体流动实验归纳（1）：

一、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测量湍流直管的阻力，确定摩擦阻力系数。
②测量湍流局部管道的阻力，确定摩擦阻力系数。
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。

二、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雷诺数：

；②相对粗糙度：

；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（Re<2000）：λ=φ（Re）即λ=64/Re

2、湍流水力学光滑管（Re>4000）：λ=0.3163/Re0.25

3、湍流普通直管（4000<re<< font="">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

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。在管路计算时，可求出管路与阀门的当量长度之和。如所计算的管路长度为，则流体在管路中流动的总阻力损失为：

②局部阻力系数法：流体通过某一件阀门或管件的阻力损失用流体在管路中的动能系数来表示，这种计算局部阻力的方法，称为阻力系数法，即

对于不同的阀门和管径变化，有着不同的局部阻力系数。局部阻力系数的大小归结为一个表中。见表2 。

表2 局部阻力系数与局部结构关系（Re>4000）

在本实验中，由于管道是水平布置，则局部阻力系数计算式化简为：

（无变径）和

（有变径）（式中，p1 、p2分别为上下游截面压强差，u1 、u2为两个管径内的平均流速，ρ——流体密度）

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