实验3---管路流体阻力的测定

实验三 管路流体阻力的测定

一、实验目的

流体流动时的能量损耗（压头损失），主要由于管路系统中存在着各种阻力。管路中的各种阻力可分为沿程阻力（直管阻力）和局部阻力两大类。

本实验的目的，是以实验方法直接测定摩擦系数λ和局部阻力系数ζ。 二、实验原理

当不可压缩流体在圆形导管中流动时，在管路系统内任意二截面之间，机械能衡算方程为：

2u12P2u2 gZ1??kg-1（1） ?gZ2????hf J·

?2?2P12Pu12P2u21或 Z1???Z2????Hf m液柱（2）

?g2g?g2g式中，hf ——单位质量流体因流体阻力所造成的能量损失，J·kg-1；

Hf ——单位重量流体因流体阻力所造成的能量损失，即压头损失，m 液柱。 若：（1）水作为试验物系，则水可视为不可压缩流体； （2）试验导管水平装置，则Z1=Z2；

（3）试验导管的上下游截面的横截面积相同，则u1=u2。 因此（1）和（2）两式分别可简化为：

?hf?P1?P2? J·kg-1（3）

?Hf?P1?P2 m水柱（4） ?g由此可见，因阻力造成的能量损失（压头损失），可由管路系统的两截面之间的压力差（压头差）来测定。 当流体在圆形直管内流动时，流体因摩擦阻力所造成的能量损失（压头损失），有如下一般关系式：

?hf?P1?P2?lu2kg-1（4） ???? J·

d2P?P2lu21或 ?Hf? m水柱（5） ?????gd2g式中；d —— 圆形直管的管径，m；l —— 圆形直管的长度，m； λ —— 摩擦系数，[无因次]。 大量实验研究表明，摩擦系数又与流体的密度ρ、粘度μ、管径d、流速u和管壁粗糙度ε有关。用因次分析的方法，可以得摩擦系数与雷诺数、管壁相对粗糙度ε/d存在函数关系，即

?????f?Re,? （7）

?d? 通过实验测得λ和Re数据，可以在双对数坐标上标绘出实验曲线。当Re＜2000时，摩擦系数λ与管壁粗糙度ε无关。当流体在直管中呈湍流时，λ不仅与雷诺数有关，而且与管壁相对粗糙度有关。

当流体流过管路系统时，因遇各种管件、阀门和测量仪表等而产生局部阻力，所造成的能量损失（压头损失），有如下一般关系式：

u2kg-1（8） ?h??2 J·

,f或

u2 m液柱（9）

?H??2g,f式中，u —— 连接管件直管中流体的平均流速，m· s-1；ζ —— 局部阻力系数[无因次]。 由于造成局部阻力的原因和条件极为复杂，各种局部阻力系数的具体数值，都需要通过实验直接测定。 三、实验装置

本实验装置如图1所示，主要是由循环水系统（或高位稳压水槽）、试验管路系统和高位排气水槽串联组合而成，每条测试管的测压口通过转换阀组与压差计连通。压差由一倒置U形水柱压差计显示。孔板流量计的读数由另一倒置U形水柱压差计显示。

图1 管路流体阻力实验装置流程

1、循环水泵；2、光滑试验管；3、粗糙试验管；4、扩大与缩小试验管；5、孔板流量计；6、阀门；7、转换阀

组；8、高位排气水槽。

试验管路系统是由五条玻璃直管平行排列，经U形弯管串联连接而成。每条直管上分别配置光滑管、粗糙管、骤然扩大与缩小管、阀门和孔板流量计。每根试验管测试段长度，即两测压口距离均为0.6m。流程图中标出符号 G和 D分别表示上游测压口（高压侧）和下游测压口 （低压侧）。测压口位置的配置，以保证上游测压口距U形弯管接口的距离，以及下游测压口距造成局部阻力处的距离，均大于50倍管径。

作为试验用水，用循环水泵或直接用自来水由循环水槽送入试验管路系统，由下而上依次流经各种流体阻力试验管，最后流入高位排气水槽。由高位排气水槽溢流出来的水，返回循环水槽。

水在试验管路中的流速，通过调节阀加以调节。流量由试验管路中的孔板流量计测量，并由压差计显示读数。 四、实验方法

实验前准备工作：

（1）先将水灌满循环水槽，然后关闭试验导管入口的调节阀，再启动循环水泵。待泵运转正常后，先将试验导管中的旋塞阀全部打开，并关闭转换阀组中的全部旋塞，然后缓慢开启试验导管的入口调节阀。当水流满整个试验导管，并在高位排气水槽中有溢流水排出时，关闭调节阀，停泵。

（2）检查循环水槽中的水位，一般需要再补充些水，防止水面低于泵吸入口。

（3）逐一检查并排除试验导管和联接管线中可能存在的空气泡。排除空气泡的方法是，先将转换阀组中被检一组测压口旋塞打开，然后打开倒置U形水柱压差计顶部的放空阀，直至排尽空气泡再关闭放空阀。必要时可在流体流动状态下，按上述方法排除空气泡。

（4）调节倒置U形压差计的水柱高度。先将转换阀组上的旋塞全部关闭，然后打开压差计顶部放空阀，再缓慢开启转换阀组中的放空阀，这时压差计中液面徐徐下降。当压差计中的水柱高度居于标尺中间部位时，关闭转换阀组中的放空阀。为了便于观察，在临实验前，可由压差计项部的放空处，滴入几滴红墨水，将压差计水柱染红。

（5）在高位排气水槽中悬挂一支温度计，用以测量水的温度。 （6）实验前需对孔板流量计进行标定，作出流量标定曲线。 实验操作步骤：

（1）先检查试验导管中旋塞是否置于全开位置，其余测压旋塞和试验系统入口调节阀是否全部关闭。检查完毕启动循环水泵。

（2）待泵运转正常后，根据需要缓慢开启调节阀调节流量，流量大小由孔板流量计的压差计显示。

（3）待流量稳定后，将转换阀组中，与需要测定管路相连的一组旋塞置于全开位置，这时测压口与倒置U形水柱压差计接通，即可记录由压差计显示出压强降。

（4）当需改换测试部位时，只需将转换阀组由一组旋塞切换为另一组旋塞。例如，将G1和D1一组旋塞关闭，打开另一组G2和D2 旋塞。这时，压差计与G1和D1测压口断开，而

与G2和D2测压口接通，压差计显示读数即为第二支测试管的压强降。以此类推。 （5）改变流量，重复上述操作，测得各试验导管中不同流速下的压强降。

（6）当测定旋塞在同一流量不同开度的流体阻力时，由于旋塞开度变小，流量必然会随之下降，为了保持流量不变，需将入口调节阀作相应调节。

（7）每测定一组流量与压强降数据，同时记录水的温度。 实验注意事项：

（1）实验前务必将系统内存留的气泡排除干净，否则实验不能达到预期效果。

（2）若实验装置放置不用时，尤其是冬季，应将管路系统和水槽内水排放干净。 五、实验数据记录及整理 1、实验基本参数

试验导管的内径 d＝17 mm 试验导管的测试段长度l＝600 mm 粗糙管的粗糙度ε=0.4 mm 粗糙管的相对粗糙度ε/d=0.0235 孔板流量计的孔径d0=11 mm 旋塞的孔径dv= mm 2、流量标定曲线 3、实验数据

表1 孔板流量计的压差计读书记录表

实验序号 孔板流量计的压差计读数，R/mmHg 水流量的计算

1

2

3

4

5

6

7

Vs?C0??4d022gR????????m3/s

式中，C0为孔板系数，一般控制C0值在0.6~0.7之间；d0为孔板流量计的孔径，mm。

u??Vsd2?????????m/s Re?表2 数据记录表

du??

4实验序号 孔板流量计的压差计读数，R/mmHg 水的流量，Vs/m3·s-1 水的流速，u/m·s-1 水的温度，T/℃

1

2

3

4

5

6

7

水的密度，ρ/kg·m-3 水的粘度，10-4μ/Pa·s 光滑管压头损失，Hf1/mmH2O 粗糙管压头损失，Hf2/mmH2O 旋塞压头损失（全开）

Hf1’/mmH2O 孔板流量计压头损失，

Hf2’/mmH2O 计算?和?

（1）光滑管：?p??pf??gh?????????Pa

?ghl?u2???pf?????A? ∴

Ad2（2）粗糙管：?p??pf??gh

?ghl?u2?pf?????A? ∴ ??

Ad2（3）孔板流量计：?p??pf??gh

?pf????u22?B? ∴ ???ghB

（4）旋塞：?p??pf??gh

?pf???（4）数据整理

?u22?C? ∴ ???ghC

表3 数据整理表

实验序号 水的流速，u/m·s-1 雷诺准数，Re/10 光滑管摩擦系数，λ1 粗糙管摩擦系数，λ2 孔板流量计局部阻力系

数，ζ1″ 旋塞的局部阻力系数

（全开），ζ1′

41

2

3

4

5

6

7

（5）标绘Re－λ实验曲线 六、思考题

1、请找出该系统中的局部阻力构件？

2、请说出如何测量孔板流量计、旋塞的局部阻力？ 3、从Re－λ实验曲线图中可以看出Re与λ的关系如何？

百度搜索“77cn”或“免费范文网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，免费范文网，提供经典小说综合文库实验3---管路流体阻力的测定在线全文阅读。