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1、实验二 管路流体阻力实验一、实验目的研究管路系统中的流体流动和输送，其中重要的问题之一，市确定流体在流动过程中的能量损耗。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的各种阻力。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 和局部阻力系数 。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个截面之间列出机械能衡算方程为 1-2-1f2211 kgJWuPgZuPg 柱或 柱柱mHg2g2Z2-1f11式中：Z ：流体的位压头，m 液柱；P ：流体的压强 ，Pa；u ：流体的平均流速，ms -1；Wf：单位 质
2、量流体因流体阻力所造成的能量损失，JKg -1；Hf ：单位重量流体因流体阻力所造成的能量损失，即所谓压头损失，m 液柱；符号下标 1 和 2 分别表示上游和下游的截面上的数值。假如：（1）水作为试验物系，则水可视为不可压缩流体；（2）试验导管是水平装置的，则 Z1=Z2；（3）试验导管上下游截面上的横截面积相同，则 u1=u2；因此（1）和（2）两式分别可简化为1-212-f kgJPW柱m 水柱gH212-f柱由此可见，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），有以下一般形式：
3、1-2212-f kgJdLPWu柱或m 水柱g2H212-f 柱式中：d 圆形直管的直径，m ；L 圆形台直管的长度，m；摩擦系数， （无单位）。大量实验研究表明：摩擦系数 与流体的密度 和粘度 ，管径 d，流速 u 和管壁粗糙度 有关。 应用因次分析的方法，可以得出摩擦系数与雷诺数和管壁相对粗糙度 /d 存在的函数关系，即=f（Re，/d）通过实验测得 和 Re 数据，可以在双对数坐标上标绘出实验曲线。当 Re2000 时，摩擦系数 与管壁相对粗糙度无关。当流体在直管中呈湍流时， 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
4、，所造成的能量损失（压头损失），有如下一般关系式：1-2f kgJWu或m 液柱g2Hf式中：u 连接管件等的直管中流体的平均流速，ms -1；局部阻力系数（无单位）。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，都需通过实验 直接测定。三、实验装置及流程本实验装置主要是由低位水槽、循环水泵、 试验管路系统和高位稳压水槽串联组合而成。每条测试管的测压口通过转换阀组与压差计连通。转换阀组由数 对旋塞组成， 压差计为 一倒置 U 形水柱压差计。孔板流量计直接与倒置 U 形水柱压差 计相连。该装置的流程图所示管路的流体阻力实验装置流程1、光滑 试验 管 2、粗糙试验管 3、渐扩渐
5、缩试验管4、孔板流量计 5、旋塞 6、倒置 U 形水柱压差计7、转换阀组 8、流量 调节阀 9、高位稳压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、渐扩渐缩 管、孔板流量计和旋塞。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，用循环水泵由低位水槽直接压送进入试验管路系统，由下而上依次流经 各种流体阻力试
6、验管，最后流入高位稳压水槽。由高位稳压水槽流出的水，返回低位水槽。整个系统构成闭路循环系统。水在试验管路中的流速，通 过出口阀加以调节，流量由试验管路中的孔板流量计测量，并由汞柱压差计显示读数。主要设备规格(1)低位水槽容积：0.02m 3尺寸：方形 400270250mm材质：硬聚氯已烯塑料(2)循环水泵型号：AB25 型流量：25L min-1，扬程：4m(3)试验导管每支管径：22 1mm每支管长：900mm测试段长度：600mm光滑玻璃管：221mm粗糙玻璃管：221mm，=0.03mm渐扩渐缩管：扩大管 40mm，缩小管 221mm孔板流量计：孔径 8mm玻璃旋塞：孔径 1820mm
7、(4)转换阀组规格：6mm 玻璃旋塞 10 个组合(5)倒置 U 形水柱 压差计刻度：300mm四、实验方法实验前准备工作须按如下步骤顺序进行操作：(1)先将水灌满 低位水槽，然后关闭泵出口阀，再启动循环水泵，待泵 运转正常后，先将试验导管中的旋塞全部打开，并关 闭转换阀组中的全部旋塞，然后 缓慢开启泵的出口阀 。当水流满整个试验导管，并在高位稳压水槽中有溢流水排出时，关闭泵出口阀，停泵。(2)检查低位水槽中的水位，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 试验导管和连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
8、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 可在流体流动状况下，按上述方法排尽空气泡检查气泡是否排净的方法：流量为零时，U 形管压差计两液面是否相平。(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，在实验前，可由压差计顶部的放空处，滴入几滴红墨水，将压差计水柱染红。(5) 在高位水槽中 悬挂一支温度计，用以测量水的温度。实验前需对孔板流量计进行标定，作出流量标定曲线。实验测定时，按如
9、下步骤进行操作：查试验导管中旋塞是否置于全开位置，其余测压 旋塞和泵出口阀是否全部关闭。检查后启动循环水泵。待泵运 转正常后，根据需要 缓慢开启泵的出口阀调节流量，流量大小由孔板流量计的压差计显示。 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 形水柱压差计连通，即可记录由压差计显示出压强降。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。此时， 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 为第二测试管的压强降。
10、以此类推。改 变流量，重复上述操作，测得各试验导管在不同流速下的压强降。 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)玻璃旋塞要经常维护，以防旋转不灵或漏水。操作过程中，要注意防止旋塞拔出跑水。(3)若实验装置 较长时间不用时，尤其是冬季， 应将管路系统水槽内水排放干净。五、实验数据记录及整理实验基本参数：试验导管的直径 d=20mm 试验导管的测试段长度 L=600mm粗糙管的粗糙度 =0.03孔板流量计的孔径 d0=8mm 旋塞的孔径 dv=1820mm1 实验数据记录编号 1 2 3 4水的温
11、度 T/0C水的粘度 /（Pas）水的密度 /（Kgm3）孔板流量计压差读数 R/（mmH2O）光滑管压头损失 Hf1/（mmH2O）粗糙管压头损失 Hf2/（mmH2O）渐扩渐缩管压头损失 Hf3/（mmH2O）孔板流时压头损失 Hf4/（mmH2O）旋塞压头损失（全开）H f5/（mmH2O）2 数据处理编号 1 2 3 4水的流量 u/(ms-1)雷诺准数 Re光滑管摩擦系数 1i粗糙管摩擦系数 2i渐扩渐缩管局部阻力系数 1i孔板流量计局部阻力系数 2i旋塞的局部阻力系数 3i表中各项计算分式(1)孔板流量计 C0=0.63(2)雷诺准数 duRe(3)摩擦系数计 算式 2gLHf(4)局部阻力计 算式 uf(5)要求标绘 Re 曲线，并将实验数据 与查图所得 进行比较，相差多少。实验讨论(1)产生流体阻力的主要原因是什么？(2)影响流体阻力因素有哪些？实验结果能否说明这些影响因素？管路流体阻力实验数据表编号 1 2 3 4流量G1-D1G2-D2G3-D3G4-D4G5-D5
