流体流动阻力的测定 (一)

试验名称：流体流淌阻力的测定

一、试验目的及任务：

L把握测定流体流淌阻力注验的一般方法。

2.测定直管的摩擦阻力系数及突然扩大管的局部阻力系数。

3.验证湍流区内摩擦阻力系数为雷诺数和相对粗糙度的函数。

4.将所得光滑管的方程与印asius方程相比较。

二、试险原理：

流体输送的管路由直管和阀门、弯头、流量计等部件组成。由于粘性和涡流作用，流体在输送

过程中会有机械能损失。这些能量损失包括流体流经直管时的直管阻力和流经管道部件时的局部阻

力，统称为流体流淌阻力。

1.依据机械能衡算方程，测量不行压缩流体直管或局部的阻力

(Plu'i\(p2U2\

=卜”1+1+引一眄+万+引+%

假如管道无变径，没有外加能量，无论水平或倾斜放置，上式可简化为：

Pl-P2?P

H=---------=—

1fPP

△p为截面1到2之间直管段的虚拟压强差，即单位体积流体的总势能差，通过压差传感器直

接测量得到。

2.流体流淌阻力与流体性质、流道的几何尺寸以及流淌状态有关，可表示为：

?p=f(d]up,〃为)

由量纲分析可以得到四个无量纲数群：

欧拉数Eu=?p/p〃2,雷诺数Re=d〃p",相对粗糙度£/d和长径比“d

从而有

?pdupEI

取义=e（Re,"d）,可得摩擦系数与阻力损失之间的关系：

?pIu2

立=6=匕义工

从而得到试验中摩擦系数的计算式

T

pu2l

当流体在管径为d的圆形管中流淌时，选取两个截面，用压差传感器测出两个截面的静压差，

即可求出流体的流淌阻力。依据伯努利方程摩擦系数与静压差的关系，可以求出摩擦系数。转变流

速可测得不同Re下的入，可以求出某一相对粗糙度下的入-Re关系。

在湍流区内摩擦系数2=e（Re，£/d）,对于光滑管（水力学光滑），大量试验证明，Re在1。3~1（）5

氛围内，入与Re的关系遵循Blasius关系式，即

A=O.3163//?e025

对于粗糙管，入与Re的关系以图来表示。

3.对局部阻力，可用局部阻力系数法表示：

“2

Hf=（T

对于扩大和缩小的直管，式中的流速依据细管的流速来计算°

对一段突然扩大的圆直管，局部阻力远大于其直管阻力。由忽视直管阻力时的伯努利方程

4=4=/+务管+2

可以得到局部阻力系数的计算式：

U2+2?p/p

<=1-——2—

式中，小、圾分别为细管和粗管中的平均流速，？口为2,1截面的压差。

突然扩大管的理论计算式为：（=（1一%/42）2,4、%分别为细管和粗管的流通截面积。

三、试验流程：

本试验装置如图1所示，管道水平安装，水循环使用.其中管5为不锈钢管，测压点之间距

1.50m,内径21.0mm；管6为镀锌钢管，测压点间距离1.50m,内径22..5mm；管7为突然扩大

管，由16.0mm扩大至42.0mm。各测量元件由测压口与压差传感器相连，通过管口的球阀切换被

测管路，系统流量由涡轮番量计3调整，离心泵的功率由变频器通过转变输入频率掌握转速来实

现掌握。

四、试验操作要点：

1.开泵：在关闭全部阀门的状况下，打开电源，启动变频器至50Hz,固定转速，观看泵出口

压力稳定后，即可进行排气。

2.排气：在对某一管路进行试验之前，排尽设施主管和该管路及对应测压管路内的空气，每切

换管路都要排一次气。关闭其他掌握阀，打开对应管路的掌握阀、测压阀和排气阀，在50Hz下，

调整流量至1-2机3/儿待2min以上，压差传感器示数稳定后，关闭排气阀和流量调整阀，在流量

为0下观看压差传感器示数是否为0,若有较大偏差则气未排尽，若偏差较小且稳定则纪录初始偏

差值。

3.试验数据测取：确定排气完毕且其余管路切换阀和测压阀关闭后，调整变频器至25Hz左右。

对于直管阻力，依据流量由大到小的挨次，测取10组数据，掌握压差在3.7〜0.7kpa之间。对于突

然扩大管的阻力，可测取3组数据。测取数据时，每个数据点取值应等待2min以上且压差和流量

稳定为某值或在很小范围内波动。波动时可取其中点。

五、原始数据及处理：

1.原始数据纪录

水的物理性质：

3

测定光滑管时，25co下，p=996.95kg/m,u=0.8973mPa/s

测定粗糙管及突然扩大管时，26.5C。下，p=996.58g/m3,尸0.8641mPa/s

⑴光滑管和粗糙管试验数据

光滑管数据：不锈钢管，I二1.500m,d=21.0mm,E«0.02mm,零点误差po二-不04kPa。

粗糙管数据：镀锌钢管，I=1.500m,d=22.5mm,8-0.2mm,零点误差p0二-0.06kPa。

表1光滑管和粗糙管原始数据纪录表

光滑管粗糙管

序号

流量/(rr?小)压差/(kPa)流量/(rrAh】)I玉差/(kPa)

13.697.143.696.61

23.345.993.365.56

33.15.23.064.65

42.74.022.753.75

52.453.392.443.02

62.082.52.022.13

71.711.751.731.6

81.361.141.371.05

91.030.71.010.59

100.690.320.690.3

⑵突然扩大局部阻力系数测定数据

突扩管：dl=16.0mm,d2=42.0mm,初始误差pO=-0.04k.Pa。

表2突然扩大局部阻力系数数据纪录表

序号流量/(m'h")压差/(kPa)

13.573.16

22.511.54

31.460.49

2.数据处理

表3光滑管数据处理表

序号流量/(mMi)流速/(m*s“)实际压差/(kPa)Re入Ab

13.692.967.18690340.023030.01951

23.342.686.03624860.023600.02001

33.12.495.24579960.023810.02038

42.72.174.06505130.024320.02110

52.451.963.43458360.024950.02162

62.081.672.54389130.025640.02252

71.711.371.79319910.026730.02365

81.361.091.18254430.027860.02504

91.030.830.74192700.030460.02685

100.690.550.36129090.033020.02967

其中，入b项为依据Blasius公式计算的理论摩擦系数值。

直管阻力系数的计算示例:

5，4qi，4X3.69

mS

田表3甲第1组致据为例，u一4一汗解一3.14x(21.0X10-3)2C3600/一296m/s

duo(21.0xIO”)x2.96x996.95

一=

Re=0.8973X10—=69034

2?pd2x(7.18x103)x(21.0xIO-3)

A~pu2l~996.95x2.962x1.5-0.02303

10.31630.3163

—nmnr-1

Re025—690340.25-

表4粗糙管数据处理表

序号流量/(m限h)流速/(m*s')实际压差/(kPa)Re入

13.692.586.67668960.03021

23.3G2.355.G2G09130.03070

33.062.144.71554740.03102

42.751.923.81498540.03107

52.441.703.08442340.03191

62.021.412.19366200.03310

71.731.211.66313630.03421

81.370.961.11248370.03648

91.010.710.65183100.03930

100.690.480.36125090.04664

图2光滑管和粗糙管的人・Re关系曲线

曲线分析：

⑻光滑管和粗糙管的摩擦系数均随Re的增大而减小，且随着Re的增大，摩擦系数减小的趋

势趋缓。

(b)在同一Rc下，相对粗糙度更高的粗糙管比光滑管的摩擦系数更大，说明c/d越大，摩擦系

数越大。

⑹在同一Re下，光滑管的摩擦系数大于水力学光滑摩擦系数的理论值，说明试脸用的光滑管

和理论光滑有肯定差距。

表5突然扩大管数据处理表

序号流量/(m3*h」)压差/(kPa)细管流速/(m*s)粗管流速/(m*s-)

13.573.204.930.720.7149

22.511.583.470.500.7152

31.460.532.020.290.7175

局部阻力的计算示例：

以表5中第1组数据为例，

qv4%4X3.571

“]=~r~=2=xs=4.93ni/s

"i7rdi3.14x(16,0x10-3)3600

Qv4qu4X3.571

U2———---=-----------------------x/5

A2n-dl3.14x(42.0xIO-3)23600m=。72帖

22?p3.20x103

u?+---0.722+2x

P996.58

<=1-——=1-3---------=--0-.7149

W14.93

<-=^—1=0.7159

理论值(二(l-Ai/Az)2=(1-d\/dl)2=(1-162/422)2=0.7308

相对偏差

6=1^X100%=0.71590.7308

0.7308X100%=2.04%

测量,直与理论值基本符合，但存在肯定误差。

五、结果争论分析

L本次曲线拟合的相对大小比较精确，但是其中表现的趋势不明显，并未得到随着雷诺

数增大，摩擦系数趋近于某一值的结论。可能是测定的摩擦系数和雷诺数范围较小，假如增大测定

的雷诺数上限，即在更高的流速下做试验，可以看到更好的趋势。

2.测定的局部阻力系数和理论值接近，说明试验结果较好。试验值低于理论值