实验一流体流动阻力

实验一流体流动阻力的测定

一、实验目的

1.了解流体流过直管或管件阻力的测定方法。

2.掌握直管摩擦系数人与雷诺数Re之间关系的变化规律。

3.熟悉液柱压差计和转子流量计的使用方法。

4.测定流体流过阀门、变径管件（突然扩大、突然缩小）的局部阻力系数

二、实验内容

1.测定流体流经直管（不锈钢管、镀锌管）时摩擦系数人与雷诺数Re之间关系。

2.测定全开截止阀、突然扩大及突然缩小的阻力系数

三、基本原理

流体在管路中流动时，由于粘性剪应力和涡流的存在,不可避免地引起流体压力的损失。流

体在流动时所产生的阻力有直管摩擦阻力（又称沿程阻力）和管件的局部阻力。这两种阻力,

一般都是用流体的压头损失hf或压强降（Pf表示。

L直管阻力

直管摩擦阻力hf与摩擦系数\之间关系（范宁公式）如下：

(1—D

-直管阻力损失,

直管长度，

直管内径，m；

流体平均速度,m/s；

摩擦系数，无因次。

其中摩擦系数人是雷诺数Re和管壁相对粗糙度£/d的函数，即入二f（Rc,£/d）。对一定相对粗

糙度而言，X=f（Re）；人随£/d和Re的变化规律与流体流动的类型有关。层流时，入仅随Re

变化,即人=f（Re）；湍流时，入既随Re变化又随相对粗糙度£/d改变,即人=f（Re,£/d）。

据柏努利方程式可知阻力损失hf的计算如下：

22

P1-P2产2

hf=(Zi-Z2)g+一“(1-2)

P2

当流体在等直径的水平管中流动时，产生的摩擦阻力可由式(1-2)化简而得:

ht=(1-3)

P

式中(——流体的平均密度，kg/m3；

pi——上游测压截面的压强，Pa；

P2——下游测压截面的压强，Pa；

(p——两测压点之间的压强差，Pa；

(pf单位体积的流体所损失的机械能，Pao

其中压强差(p的大小采用液柱压差计来测量，即在实验设备上于待测直管的两端或管件两

侧各安装一个测压孔，并使之与压差计相连，便可测出相应压差(p的大小。本实验的工作介

质为水，在一定的管路中流体流动阻力的大小与流体流速密切相关。流速大，产生的阻力

大，相应的压差大；流速小，阻力损失小，对应的压差也小。为扩大测量范围，提高测量的

准确度，小流量下用水一空气(型压差计；大流量下用水一水银U型压差计。据流体静力学

原理，对水一空气(型压差计，压差(p为

Ap=(p-p空气)gAR弋pgAR(1—4)

式中(R——压差计的读数，mH20；

g---重力加速度，m/s2；

(空气——空气在操作条件下的密度，Kg/m3o

对于水一水银U型压差计，有

△p=(pHg—p)gAR(1—5)

式中(Hg——水银的密度，kg/m3o

其余符号的意义同式(1-4)。

整理(1—1)和(1—3)两式得：

、2dNp

入=——7—(1—6)

P

而Re=(1—7)

式中——流体的平均粘度，Pa-So

在实验设备中，管长1与管内径d已固定，用水进行实验，若水温不变，则(与(也是定值。所

以该实验即为测定直管段的流动阻力引起压强降(P与流速的关系。流量Vh的测定用转子流

量计，据管内径的大小可算出流速u的值。调节一系列的流量就可测定和计算一系列的(与

Re值，在双对数坐标中绘出一Re关系曲线。

2.局部阻力

局部阻力是由于流体流经管件、阀门及流量计时，因流速的大小和方向都发生了变化，流

体受到干扰和冲击，涡流现象加剧而造成的。局部阻力通常有两种表示方法，即当量长度

法和阻力系数法。当量长度法是将流体流过管件或阀门而产生的局部阻力，用相当于流体

流过与其具有相同管径的若干米长的直管阻力损失来表示，这个直管长度称为当量长度,

用le表示。其特点是便于管路总阻力的计算。而局部阻力的测定通常采用阻力系数法。

据阻力计算通式

h尸(1—8)

式中一一局部阻力系数，无因次；

u——在小截面管中流体的平均流速，m/so

对于处在水平管路上的管件或阀门亦有式(1—3)这一关系，由此可知

Ap=\pf=phf(1—9)

即两测压点间的压强差△〃等于因流动阻力而引起的压强降△心

(1)全开的截止阀

式(1—9)中(pf为两测压点间的局部阻力与直管阻力之和。由于管件或阀门距测压孔的直管

长度很短，引起的摩擦阻力与局部阻力相比可以忽略,(pf可近似认为全部由局部阻力损失引

起。

△pf的大小通过测量Ap来获得。由于全开的截止阀的阻力系数较大??所以Ap采用水一水银U

型压差计来测量??原理同式△□—????»由式△□—????和式△□一可????导出：

(1—10)

的大小与管径、阀门的材料及加工精度有关。

⑵突然扩大与突然缩小

在水平管的两测压点间列柏努力方程式

=+hf(1一11)

局部阻力lif—十(1—12)

式中pl——上游测压截面的压强，Pa；

p2——下游测压截面的压强，Pa；

u1上游侧管内流体的流速，m；s；

□2——下游侧管内流体的流速，m；1so

由此可见,(pf的大小除了包括局部阻力损失和可忽略的摩擦阻力损失之外，还包括动能和静

压能之间能量转换值。由于突然犷大与突然缩小阻力系数W1,(p可由水一空气(型压差计

流体流动阻力实验装置流程图

1.离心泵2.泵开关3.泵出口调节阀4.球阀5.转子流量计6.光滑管7.粗糙管

&突然扩大9.突然缩小10.截止阀11.水槽12.压差计面板13.U型压差计14.（型压差计

6.数据测量

⑴测量阻力的顺序依次为光滑管、粗糙管、局部阻力（阀门、突然扩大、突然缩小同时测

量），实验数据记录在原始数据表中。

⑵直管阻力

⑶用离心泵的出口阀来调节流量作实验。调节一个阀门开度，须经一定时间稳定后，记录

一个流量，同时记录压差计的读数。实验从最小流量到最大流量依次测取12〜15组数据。

为尽可能使实验数据在对数坐标中分布均匀，用小流量计测取5〜6组数据，用大流量计测

取7〜9组数据。

（4）局部阻力

7.局部阻力的测定与直管阻力的测定步骤相同。在2.0m3/h〜6.0m3/h之间，按从小到大的

顺序依次测5组数据。

实验结束，关闭离心泵的出口阀，停泵。

测量实验前和实验后的水温、取其平均值作为测量水温。

六、实验报告

1.绘制原始数据表和数据整理表。

2.在双对数坐标中分别绘制不锈钢管、镀锌管的〜Re曲线。

3.计算局部阻力系数（，并取其平均值。

写出典型数据的计算过程，分析和讨论实验现象。

七、思考题

1.如何检验系统内的空气己经被排除干净？

2.U型压差计的零位应如何校正？

3.待测截止阀接近出水管口，即使在最大流量下，其引压管内的气体也不能完

仝排出“试分析原因，应该采取何种措施？

4.测压孔的大小和位置，测压导管的粗细和长短对实验有无影响？为什么？