流体阻力实验

1、流体阻力实验一、流体阻力实验（一）实验目的1、学习直管摩擦阻力pf，直管摩擦系数的测定方法。2、掌握直管摩擦系数与雷诺数Re和相对粗糙度之间的关系及其变化规律。3、掌握局部阻力的测量方法。4、学习压强差的几种测量方法和技巧。5、掌握坐标系的选用方法和对数坐标系的使用方法。（二）实验内容1、测定实验管路内流体流动的阻力和直管摩擦系数。2、测定实验管路内流体流动的直管摩擦系数与雷诺数Re和相对粗糙度之间的关系曲线。3、在本实验压差测量范围内，测量阀门的局部阻力系数。（三）实验原理1、直管摩擦系数与雷诺数Re的测定流体在管道内流动时，由于流体的粘性作用和涡流的影响会产生阻力，流体在直管内流动阻力的大

2、小与管长、管径、流体流速和管道摩擦系数有关，它们之间存在如下关系： （4-7） （4-8） （4-9）式中： d 管径，m；直管阻力引起的压强降，Pa；l 管长，m；u 流速，m/s； 流体的密度，kg/m3； 流体的粘度，Ns/m2。直管摩擦系数与雷诺数Re之间有一定的关系，这个关系一般用曲线来表示。在实验装置中，直管段管长l和管径d都已固定。若水温一定，则水的密度和粘度也是定值。所以本实验实质上是测定直管段流体阻力引起的压强降与流速u（流量V）之间的关系。根据实验数据和式（4-8）可计算出不同流速下的直管摩擦系数，用式（4-9）计算对应的Re，从而整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系，绘出与R

3、e的关系曲线。 （4-10） （4-11）式中： 局部阻力系数，无因次；局部阻力引起的压强降，Pa； 局部阻力引起的能量损失，J/kg。pfpf,bcpf,abccbaba图4-10局部阻力引起的压强降可用下面的方法测量：在一条各处直径相等的直管段上，安装待测局部阻力的阀门，在其上、下游开两对测压口a-a和b-b，见图4-10，使ab=bc； ab= bc则 ； 在a-a之间列柏努利方程式：pa-pa=2+2+ （4-12）在b-b之间列柏努利方程式：pb-pb=2+2+ （4-13） =+联立式（4-12）和（4-13），则： 为了实验方便，称(pb-pb)为近点压差，称(pa-pa)为远点

4、压差。（三）实验装置 本实验装置及流程如图4-11所示。测量直管阻力的管道16的镍黄铜管，水平位置。两侧压接头E、F之间的直管距离为m，为了避免管件处涡流引起测量误差。测压接头上游与管件隔开一定距离（通常为2040d），直管阻力用分装在E点和F点的两块压力表（单位为MPa）来测量。实验用水是由离心泵自水槽输给管道，经转子计流回水槽，循环使用。（四）实验方法 （1）熟悉实验装置及流程。关闭泵的出口阀，启动离心泵。 （2）打开管道上的出口阀门；再慢慢打开进口阀门，让水流经管道，以排出管道中的气体。 （3）在进口阀全开的条件下，调节出口阀，流量由小到大或反之，记录810组不同流量下的数据。先使用倒U

5、形压差计，超过量程时切换至U形压差计。注意流量的变更，应使实验点在Re图上分布比较均匀。 （4）数据取完后，关闭进、出口阀，停止实验。（五）数据处理 根据实验数据，计算Re及，在双对数座标纸上标绘二者的关系，并与教材上的图线比较之。（六）讨论如果给你水泵、水槽、U形压差计及转子流量计，试设计一个测量某段直管阻力的流程图。图 管道流体阻力实验装置1、水槽；2、离心泵；3、镍黄铜管；4、泵出口阀5、压力表；6、转子流量计；7、回水槽；8、排水阀数据记录及整理表管内径 mm； 管长EF= m水 温 水粘度 Pas序号转子流量计读数M3/hum/sR e压力表读数MPapN/m2备注左右差123二、流

6、体力学综合实验流体力学综合试验为多个实验组合，装置结构示意图如图5-2所示。可进行下列实验：(一)雷诺试验(二)能量方程实验(三)管路阻力实验1、沿程阻力实验2、阀门局部阻力实验(四)孔板流量计流量系数和文丘里流量计流量系数的测定方法(五)皮托管测流速和流量的方法（一）雷诺试验1、实验目的1）观察流体在管道中的流动状态；2）测定几种状态下的雷诺数；3）了解流态与雷诺数的关系；4）测定临界雷诺数2、实验装置在流体力学综合试验中，雷诺试验涉及的部分有高位水箱9，雷诺试管6，阀门14，柏努利方程实验管道3，孔板流量计实验管道4，阀门27和28，颜料水（兰墨水）瓶（及其开关）10，上水阀13，水泵17

7、，和计量水箱20等，并自备秒表及温度计。3、实验前准备1）将试验台的各个阀门置于关闭状态，开启水泵，全开上水阀门13，使水箱注满水，全开出水阀门14，27，28，再调节上水阀门13，使水箱的水位保持不变。（调节阀门13时，同时观察溢水管12下部的小窗口，直至溢水管能维持少量溢流，即表明水箱水位已基本保持不变）2）用温度计测量水温4、实验方法1）观察流态打开颜料水控制阀，使颜料水从注入针中流出，颜料水和雷诺实验管中的水将迅速混合成均匀的淡颜色水，此时，雷诺实验管中的水为湍流；随着出水阀门的不断关小，颜料水与雷诺实验管中水的混合程度逐渐减弱，直至颜料水在雷诺实验管中成一条清晰的线流，此时，雷诺试验

8、管中的水为层流流动，称为层流。2）测定几种状态下的雷诺数全开出水阀门，再逐渐关闭出水阀门，直至能开始保持雷诺实验管内颜料水处于层流状态。然后，按照从小流量到大流量的顺序进行试验，在每一状态下测量体积流量和水温，并求出相应的雷诺数。试验数据处理举例：某一工况下体积流量Vs为 3.46710-5m3/s，雷诺实验管内径d，试验时的水温为5，查出相应的运动粘度=1.51910-6m2/s，流速u=Vs/A=3.47610-5/(/4)2=0.225m/s，雷诺数Re=ud/=0.0140.225/1.51910-6=2075根据实验数据和计算结果，可绘制出雷诺数与流量的关系曲线（图5-3）。不同温度

9、，其曲线的斜率不同。3）测定下临界雷诺数调整出水阀门，使雷诺实验管的水流处于湍流状态，然后缓缓地逐渐关小出水阀门，观察管内颜色水流的变动情况，当关小到某一开度时，管内的颜料水流开始成为一条直的线流，此时，即为由湍流转变成层流的下临界状态。记下此时的相应数据，便可求出下临界雷诺数。图5-2 流体力学综合实验装置结构图图5-3 Re=Q关系曲线4）观察层流状态下的速度分布关闭出水阀门，用手挤压颜料水开关下的胶管二到三下，使颜色水在一小段管内扩散到整个断面，然后，再微微打开出水阀门，使管内呈层流状态流动，这时，就可以看到水在层流流动时呈抛物线状，演示出管内水流流速的分布。（二）能量方程实验1、实验目

10、的1）观察流体流经能量方程实验管时的能量转化情况，并对实验中出现的现象进行分析，从而加深对能量方程的理解。2）掌握测量流体流速的原理。2、实验装置流体力学综合实验中，能量方程实验部分涉及的有高位水箱9，能量方程实验管3，雷诺实验管6，孔板流量计实验管4，阀门14、27、28，上水阀门13，水泵17，测压板（图中未绘出）和计量水箱20等。3、实验前准备工作开启水泵，全开上水阀门13使水箱注满水，全开阀门14、27、28，再调节上水阀门13，使水箱水位保持不变，有少量水溢流。4、实验方法1）能量方程实验调节阀门28至一定开度，测定能量试验管3的四个断面四组测压管的液柱高度，并利用计量水箱和秒表测定

11、流量。改变阀门28的开度，重复上述方法进行测试。将这些数据记入表中。根据测试数据和计算结果，绘出某一流量下的各种压头线（如图5-4），并运用能量方程进行分析，解释各测点各种压头的变化规律。可以看出，能量损失沿着流体流动方向是增大的；与比较，两点管径相同，所以动压头基本相同，但点的静压头比I增大了，这是由于管径变粗，速度减慢，动压头转变为静压头；IV与III比较，位头相同，但静压头小了，可以明显看出，是静压头转化为动压头了。实验结果还清楚地说明了连续方程，对于不可压缩流体稳定流动，当流量一定时，管径粗的地方流速小，细的地方流速大。2）测速能量方程试验管上的四组测压管的任一组都相当于一个皮托管，可

12、测得管内的流体速度。由于本试验将总测压管置于能量方程实验管的轴线，所以测得的动压头代表了轴心处的最大流速。皮托管求点速度公式为：测点编号液柱高或差工况序号IIIIIIIV流量左右左右左右左右m3/s1总压头静压头动压头压头损失2总压头静压头动压头压头损失能量方程管断面的中心线距基准线高度(实测)(mm)能量方程管内径(mm)静压头(mm)Q 图5-4 的关系曲线而管内的平均流速可以通过流量来确定，平均流速公式为：在进行能量方程实验的同时，就可以测定出各点的轴心速度和平均速度。测试结果可记入表中测点号流速数项目I管径d1= mmII管径d2= mmIII管径d3= mmIV管径d4= mm轴心速

13、度ub（m/s）平均速度(m/s）如果用皮托管求出所在截面的理论平均流速，可根据该截面中心处的最大流速、雷诺数与平均流速的关系，参考有关流体力学资料求出。（三）管道阻力实验1、实验目的1）观察和测试流体在等径直管中作稳定流动及通过阀门时的能量损失情况。2）掌握管道沿程阻力系数和局部阻力系数的测定方法。3）了解阻力系数在不同流态、不同雷诺数下的变化情况。2、实验装置综合试验中涉及管道阻力实验的部件有泵17，水箱18，实验管道1、2、4、5，计量水箱20，泵上水管及阀门13，和测压板等。3、实验前准备工作将实验装置各阀门置于关闭状态，开启上水阀门及各实验管道阀门，将泵做瞬时启动，检验系统是否有泄漏

14、，排尽导压胶管中的空气。4、实验方法1）等直径管道沿程阻力实验开启上水阀13及管道1的各阀门及管道4的右侧阀门。开启水泵，待压差稳定后，读取有关数据，填入下表中。如此，调节不同的流量，进行不同流量下的测试。实验数据处理和分析根据沿程阻力损失hf计算沿程阻力系数：hf=式中：d实验管道内径，m L实验管道试验段长度，m Vs实验时的体积流量，m3/s hf实验段的阻力损失，m计算相应的雷诺数；式中：实验工况下水的运动粘度 m2/s实验工况下水流的平均流速 m/s将实验结果绘制在图5-5的座标系中，可以看出，在Re2000（1gRe=）时，所得实验数据均落在直线=64/Re附近，此时仅与Re有关，

15、而与管壁的粗糙度无关，这与理论的推导结果一致。图5-5 项目测试结果序号流量测压管指示(H2Omm)沿程阻力系数雷诺数Re水量(m3)时间(s)体积流量10-5(m3/s)平均流速(m/s)左侧右侧沿程阻力hf12345678910111213141516 在2000Re4000（3.31gRe）范围内，值很不稳定。因为在此区间，流态可能是层流，也可能是湍流，是个过渡区，从而出现这种现象。 当4000Re8000（3.61gRe）时，大部分实验数据落在直线=Re附近，这与柏拉修斯（HBla Sius）给出的计算公式相吻合，这是因为实验管段采用的是焊接钢管，当量粗糙度为。 由于水泵及试验台结构的

16、限制，不能作出高雷诺数Re与不同粗糙度管子阻力系数的关系。 2）阀门阻力实验 试验管5上的阀门为被测阀门，压力损失信号由导压管引入压差板。 进行此项实验时，水泵的出水经过试验管道2再进入试验管道5。被测阀门两侧的压力信号在测压板所指示的液柱差h，即表示出流体流经阀门时的能量损失，由此，即可确定该阀门的局部阻力系数：=2gh/u2调节不同流量，把测量不同流量下的能量损失及有关数据记入下表中。进行计算后，即可获得阀门的阻力系数及其与雷诺数的关系。 注意：1）用水柱压差计测量能量损失时，由于压差不稳定而容易产生误差，特别是在小流量、小压差下，误差会更大，因此要多做几个工况才能准确。2）实验时，开关阀

17、门要缓慢，否则会使湍流状态提前出现，从而影响实验效果。项目测试结果序号流量及流速压差指示mmH2O阻力系数雷诺数Re水量m3时间s体积流量Vsm3/s平均流速m/s左侧右侧阻力损失h12345678（四）流量计流量系数的测定方法 1、实验目的 测定文丘里及孔板流量计的流量系数 2、实验装置 在综合试验中，涉及的部分有泵16，上水管及阀门13，文丘里实验管道2，孔板实验管道4，和计量水箱20。 3、实验方法 文丘里和孔板流量计的流量系数测定可同时进行，水经上水管流进管道2，再流经管道4后，流回水箱。要关闭管道4的左端阀门23，其它无关的阀门都要关闭，以免分流。 检查各阀门的开闭状态无误后，即可启

18、动水泵，使水循环。同时，调节流量，把导压管中的气体排出，以保证测压准确。待液体流动平稳后，方能进行测压和流量计量。调节流量，进行不同流量工况下的测试，将测试的数据记入下表中。项目测试结果序号 液体总量V（m3）计时时间(s)单位时间流量qv1(m3/s)压差h(m)计算流量qv2(m3/s)流量系数Co备注123456VS2= m3/s=KK= m/s文丘里管： d2= m d1= m孔板流量计：d2= m d1= m流量系数 ：Co=Vs1/Vs2孔板流量计、文丘里流量计，流量测量采用电测数显法，计算机采集和处理数据。（五）皮托管测流速及流量的方法1、实验目的学习用皮托管测流速及流量的方法2、实验装置实验可以与流量计流量系数测定方法实验同时进行，所以，所用装置相同。3、实验方法在记下孔板流量计和文丘里管的流量和压差后，即可以读取皮托管的测试数据。 计算流速的公式：u=式中：C皮托管修正系数； g重力加速度； h压差板上显示的液柱高差； PA静压；PB总压；测压管中流体密度皮托管所测的是管道