流体流动阻力测定-白净VIP

直管阻力系数λ与

局部阻力系数ζ的测定实验

高健一、实验目的二、实验原理三、实验装置流程四、实验操作五、实验报告要求六、有关问题解释流体流动阻力测定-白净共29页，您现在浏览的是第1页!一、实验目的

1、了解实验设备、流程、仪器仪表；

2、掌握流体（水）流经直管、管件或阀门等引起压降（阻力损失）及阻力系数（直管摩擦系数λ与局部阻力系数ξ）的变化规律。并将λ(ξ)与Re的关系标绘在双对数坐标上。

3、结合本实验，初步掌握实验误差来源的分析方法，并估计实验误差大小。

4、了解U形压差计的使用及计算方法。流体流动阻力测定-白净共29页，您现在浏览的是第2页!二、实验原理1、直管阻力系数λ的测定

流体在管路中流动，由于粘性剪应力和涡流的存在，不可避免的会产生机械能损耗。流体在圆形直管内作定常稳定流动时的摩擦阻力损失为：可知，只要测得ΔPf和管内流速u即可求出直管摩擦系数λ。(1)压差损失Δpf的测定(2)平均流速u的测定(3)直管阻力系数测定的结果流体流动阻力测定-白净共29页，您现在浏览的是第3页!（1）压差损失ΔP0af

的确定

根据柏努里方程知，当两测压点处管径一样，且保证两测压点处速度分布正常时，从教材P37中式1-71可得：

根据U型管压差计测压特点，其实际值与指示值的关系为：

根据U型管特征，U型管中指示液所示压差ΔP0[Pa]即为流体流经两测压点处的阻力损失ΔP0af。流体流动阻力测定-白净共29页，您现在浏览的是第4页!

在某一流速下，根据以上测出的流速u和压差损失Δpf，可计算出对应流速下管内的直管阻力系数λ和雷诺数Re：（3）直管阻力系数的测定结果需测出水温求得水的ρ、μ。测出不同流速下，对应的Re—λ值，在双对数坐标中作关系图：Reλ对数坐标对数坐标流体流动阻力测定-白净共29页，您现在浏览的是第5页!（1）局部ΔP’f

的一般测定方法——双压差计法

以突缩为例：如图流体从右向左通过突缩。分布有4个测压点（保证各测压点处速度分布正常，且之间距离如图示），在B1B2和C1C2之间分别连接一个压差计。根据柏努里方程和压差计特征知：

根据管径分别可计算出u2、u1，由此测出两个U型管压差计读数ΔPB和ΔPC[Pa]，即可计算出流体流经突缩处的局部阻力损失ΔP0’。

可以说，所有的局部阻力损失，均可由此方法测出。ΔPCΔPB流体流动阻力测定-白净共29页，您现在浏览的是第6页!

在某一流速下，根据以上测出的流速u和压差损失ΔP’f，可计算出对应流速下管件的局部阻力系数ζ和雷诺数Re：（3）局部阻力系数ζ的测定结果需测出水温求得水的ρ、μ。测出不同流速下，对应的Re—ζ值，在半双对数坐标中作关系图：Reζ对数坐标直角坐标理论上：对闸阀：ζ=0.17(全开)对弯头：ζ=0.75(直角标准弯头)对突缩：A2/A100.60.70.62(本实验)

ζ0.50.20.15流体流动阻力测定-白净共29页，您现在浏览的是第7页!1、直管与阀门局部阻力测定流体流动阻力测定-白净共29页，您现在浏览的是第8页!3、直管与弯头局部阻力测定流体流动阻力测定-白净共29页，您现在浏览的是第9页!5、计量槽1、测量时计量槽应和秒表结合使用；2、计量（接水）前，计量槽中必须应有一液面读数，将水放净是错误的。3、液面计读数与水银压差计不同的是应读管内水的凹底切面。4、摆头与卡表必须同步。5、若计量槽内液体未满还可以继续下次接水，可将上次接水后的液面高度作为本次初始液面高度。注意水不能溢出。出口上弯摆头导流管液面计放水阀计量槽流体流动阻力测定-白净共29页，您现在浏览的是第10页!四、实验操作1、启动（开车）●—全关，○—全开⑴泵启动：出口阀●→平衡阀○→启动泵→出口阀○。

若有水流出，说明泵已经正常启动。然后进行压差计排气：⑵排气：平衡阀○[约2分钟]→平衡阀●→出口阀●。若U形管内水银面平齐，说明管路气已排净，可以进行以下数据测量：2、数据测量⑴数据测量点分布按直管压差计读数进行：[应成倍增加]

直管压差计：ΔP0[HgPa]=100,200,400,800,1600,3200,最大⑵所测量原始数据：实验装置套数：水温=水箱截面积=

直管数据：管长l=管径d=

局部数据：管长l1=管长l2=管径d1=管径d2=

具体表格见实验讲义。3、停车测量数据完毕后，关闭出口阀，开启压差计平衡阀，停泵。流体流动阻力测定-白净共29页，您现在浏览的是第11页!1、实验结果的表格表示⑴数据表格见讲义，为竖表；⑵因为是竖表，每一竖栏中的数据精度（小数点后位数）是一样的，为醒目规范，要求小数点位置应上下（相对）照齐；⑶注意表头单位，数量级的正确表达；表格中Re用科学记数法表示，在表头中的数量级要表达正确：如：Re=35823化为：Re=3.58×104

在表格中应表示为、二种，其它均错！种类一√二√三×四×五×表达形式Re×104

Re(×104)Re×10-4Re(×10-4)Re/104表格中数据3.583.583.583.58所表示的数据3.58×1043.58×1043.58×10-43.58×10-4不规范“/”表示表头中符号与单位之间的分隔符号。如：P/[Pa]流体流动阻力测定-白净共29页，您现在浏览的是第12页!3、实验结果的第3种表达形式——公式表达（不要求）

对实验结果往往需要回归出其函数具体关系，以便于进一步分析研究。目前我们实验所接触的大部分是一元线形回归，一般采用最小二乘法进行回归。

对回归结果（即实验结果）进行评价，一般采用统计分析中的复相关系数R（简称拟合精度）和F统计量（方差比，简称F检验）来评价。

拟合精度R

：0≤|R|≤1，|R|越接近1说明回归结果越好，实验精度越高。而|R|值低并不能说明该数据不存在函数关系，只是对这种函数不合适而已。究竟R值为多少时这种函数关系才有多大把握成立，可用R的显著性检验来衡量。

F检验值：F值越大越好，但究竟F值达到多少为合适，可用F的显著性检验来衡量。流体流动阻力测定-白净共29页，您现在浏览的是第13页!六、有关问题解释1、有关设备、操作方面2、有关双对数坐标3、有关直管λ—Re—ε/d关系图（摩迪图）4、有关一些基本概念流体流动阻力测定-白净共29页，您现在浏览的是第14页!有关双对数坐标图

1、横坐标为何用Re而不用流量q？

若直接用标λ—q关系，则当：对同一种流体，当测量条件发生变化（如P、T）流体物性（ρ、μ）发生变化，在同一流量q下，λ不同，导致用流量标定的工作曲线失效；对不同种类流体，很明显是不适用的。

而用λ—Re标定可广泛适用于不同种类的流体（但必须是牛顿型流体），具有广泛适用性。

2、为何用对数坐标？对数坐标的特点？

因为用Re作为横坐标，其变化范围很大，若用直角坐标则不适用，所以Re采用对数坐标。

另外，因为在层流情况下，λ=64/Re，在双对数坐标下为一直线，因此为了更直观，本实验结果采用双对数坐标。

3、对数坐标原理如何，如何使用？

其原理如下图所示；

注意使用时，轴上标的是真数，而具体位置却是对数；请大家认真领会。真数值A对数值LOG[A]流体流动阻力测定-白净共29页，您现在浏览的是第15页!有关一些基本概念

1、从摩迪图上可知：

只有在层流区，阻力系数λ（或阻力损失ΔPf）与ε/d无关；

只有在完全湍流区，λ与u无关，但ΔPf∝u2，因此称为阻力平方区；

在湍流区，λ=f（Re，ε/d）；

光滑管：绝对光滑的管子是不存在的，但目前认为在牛顿性流体所应用的范围内，在目前管道内能达到的足够大的流速下，其层流内层的厚度始终大于其绝对粗糙度，使其粗糙表面的凸出物未暴露于湍流核心中（淹没在层流底层中），这样对阻力损失没有明显的影响。在目前的研究范围内，这样的管子达不到阻力平方区。严格的讲，应该称其为水力学意义上的光滑管。

区域分界线：层流与湍流间的分界Re数值较为固定，而湍流与完全湍流分界的Re数值是根据不同ε/d而不同的。

2、U形压差计：

因为引压管的关系，U形压差计中所显示的压差与两个实际测量点位置无关。而U形管中每个液面的绝对高度是没有意义的。

3、数值读数误差：

所测量的每个原始数据，均应反映出测量仪表的精度，犹如25与25.0两个数据，其数值是一样的，但所代表的测量精度意义就大不一样了。

流体流动阻力测定-白净共29页，您现在浏览的是第16页!（2）平均流速u的测量

流量的测量有经典法（称重法、体积法）和直接流量计两种。本实验采用体积法测量：若要求εu≤2%由误差均分原则有：εt≤1%和εh≤1%测流速u时，误差分析的具体应用：流体流动阻力测定-白净共29页，您现在浏览的是第17页!2、局部阻力系数的测定

由于流道的急剧变化使流动边界层分离，所产生的大量旋涡消耗了机械能。和直管阻力的沿程均匀分布不同，这种阻力损失是由管件内流道多变所造成。该问题复杂，一般有两种处理办法：一是阻力系数法，二是当量长度法，本实验采用阻力系数法：可知，只要测得ΔP’f和管内流速u即可求出局部阻力系数ζ。而管内平均流速u在前述测量直管时已测出。(1)局部Δp’f的一般测定方法—双压差计法(2)局部Δp’f的特殊测定方法—单压差计法(3)局部阻力系数ζ测定的结果流体流动阻力测定-白净共29页，您现在浏览的是第18页!（2）局部ΔP’f

的特殊测定方法——单压差计法

当管径未发生变化，且已知该直管的阻力损失（如本实验测弯头和阀门的局部阻力系数）时，可采用此方法。分布有2个测压点（保证各测压点处速度分布正常），连接一个压差计。根据柏努里方程和压差计特征知：

这种方法是结合已知可测出直管的阻力损失情况下应用的，显然比双压差计法要简单些，但其测量结果的数据精度与双压差计是完全一样的，因为其结果还是由两个压差计来确定的。ΔPB流体流动阻力测定-白净共29页，您现在浏览的是第19页!三、实验装置流程1、直管与阀门局部阻力测定2、直管与突缩局部阻力测定3、直管与弯头局部阻力测定4、U型管压差计5、计量槽6、阀门与离心泵流体流动阻力测定-白净共29页，您现在浏览的是第20页!2、直管与突缩局部阻力测定流体流动阻力测定-白净共29页，您现在浏览的是第21页!4、U型管压差计1、平衡阀作用：排气、防水银冲出操作：排气时打开，让引压管内流体流动而带走气泡；测量时关闭；实验完毕后打开。2、液面读法水银液面是凸面，应从上切位置读数，且读数值应精确到最小刻度内，最后一位数是估读（如图）。当管内流速很大时，液面上下波动剧烈。读数时应以波动最高的上、下位置中间估读。水水银平衡阀液面差流体流动阻力测定-白净共29页，您现在浏览的是第22页!6、阀门与离心泵操作1、阀门操作铜闸阀；（如左图）逆时针为开，顺时针为关。在用常力将阀门开到最大（或关到最小后），不可再特别加力钮大（或钮紧）以求得流量再大（或关死），这样不但达不到效果反而会损坏阀门。2、离心泵操作不锈钢离心泵（其原理第2章讲解）启动时，应先关闭出口阀再启动。停泵时，也应先关闭出口阀再停泵。流体流动阻力测定-白净共29页，您现在浏览的是第23页!五、实验报告——要求1、一周后完成上交

学习委员收齐，并按组排，送到实验室；晚交者自己送到实验室。2、条理应清楚，报告应整洁；3、实验结果的表达方式

数据表格、图一组可以一样，可以打印。4、对分析讨论的要求表格坐标图公式回归分析讨论流体流动阻力测定-白净共29页，您现在浏览的是第24页!2、实验结果的坐标图示

⑴λ—Re曲线

在双对数坐标纸上标出直管阻力系数λ与Re的关系曲线；

⑵ζ—Re曲线

在半对数坐标纸上标出局部阻力系数ζ与Re的关系曲线；

⑶曲线画法

①标坐标轴刻度：直角坐标刻度不能太疏也不能太密，

应根据有效数字位（即仪表的精度）数确定。对于对数坐标，具体一个数量级内的刻度位置是已经定好了，只是标明数量级即可。

②标实验点：用“+”、“×”、“⊙”标点，而不用“·”标点，否则看不清。

③画线：根据标好的点，从中间画一条光滑曲线。不能画折线。Reλ流体流动阻力测定-白净共29页，您现在浏览的是第25页!实验结果的分析讨论

应对本实验结果进行如下分析讨论：

1、

直管阻力系数λ与流量Re关系：

⑴流量↑，直管阻力损失ΔPf如何？

⑵流量↑，λ如何？

⑶解释层流区、湍流区、阻力平方区，本实验处于什么区？

⑷有无绝对光滑管？解释“水力学光滑管”？

2、局部阻力系数ζ与流量Re关系：

⑴流量↑，ζ如何？

⑵讨论阀门关小（或开大）的ζ变化情况。

3、误差分析：

⑴本实验是如何用误差分析方法具体指导流量测定的；

⑵对实验结果λ进行误差分析：流体流动阻力测定-白净共29页，您现在浏览的是第26页!一些操作问题

1、为何启动、关停离心泵时，应先关闭出口阀？

须流量为0启动（不怕憋坏）[启动功率（电流）最小，避免烧坏电机]

；

须流量为0后再停泵[防止倒流形成水锤而损坏叶轮]。

2、为何要进行排气，如何排气？

U形压差计的连接引压管中存有许多气泡，若不排净，势必会影响U型压差计的读数。因此，在测量前须排气。

排气是靠两测压点的压差，必须打开平衡阀，使水从引压管中流过，以带走其内气体。所以，排气时，必须打开平衡阀，尽量使管内流量较大而开大泵出口阀。在排气时，U形管内仍有一定的压差读数，其乃平衡阀两端的压差。

是否排气完毕，需要检验。关闭平衡阀，关闭出口阀，此时两测压点的阻力损失应该为0，若U形管内液面平，说明气已排尽，否则需重新排气操作。

3、各上、下游测压点必须保证有一定稳定段距离：

因为BNL方程要求各点处速度分布必须达到正常，即在各测量点不能出现旋涡紊流等现象，本实验需BNL方程解决问题，因此必须