单相流动阻力测定实验一、实验目的1. 了解流体流动阻力的测定原理及方法；2. 测定流体流过直管时的摩擦阻力,并确定摩擦系数与雷诺数的关系；3. 测定流体流过管件时的局部阻力,并求出阻力系数；4. 了解与本实验有关的各种流量测量仪表、压差测量仪表的结构特点和安装方式，掌握其测量原 理、学会正确使用二、实验原理 流体在管路中流动时，由于粘性剪应力和涡流的存在，不可避免地会引起压强损耗这种损耗 包括流体经过直管的沿程阻力以及因流体运动方向改变或因管子大小形状改变所引起的局部阻力1. 沿程阻力 流体在水平均匀管道中稳定流动时，由截面1到截面2，阻力损失表现在压强的降低 影响阻力损失的因素十分复杂，目前尚不能用理论方法求解，必须通过实验研究其规律为了 减少实验工作量，扩大实验结果的应用范围，可采用因次分析法将各变量综合成准数关系式影响阻力损失的诸因素由：（1）流体性质：密度，粘度；（2）管路的几何尺寸：管径，管长，管壁粗糙度；（3）流动条件：流速2. 局部阻力 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1）当量长度法 流体流过某管件或阀门时，因局部阻力造成的损失，相当于流体通过与其具有相同管径的若干 米长度的直管阻力损失，这个直管长度称为当量长度。
2）阻力系数法 流体通过某一管件或阀门的阻力损失用流体在管路中的动能系数来表示由于管件两侧距测压 孔间的直管长度很短，引起的摩擦阻力与局部阻力相比，可以忽略不计，因此动能系数之值可应用 伯努利方程由压差计读数求出三、实验设备的功能与特点 本实验装置可用于实验教学和科研利用该实验装置，可学习和掌握光滑直管、粗糙直管的阻 力系数与雷诺准数的测量方法；也可学习局部阻力的测量方法；学习几种压差测量方法；加深对流 体流动阻力概念的理解本实验装置的特点：⑴ 本实验装置数据稳定，重现性好，能给实验者明确的流体流动阻力概念⑵ 雷诺准数的数据范围宽，可作出102〜104三个数量级能够测量出光滑管、粗糙管的阻力系数与雷诺准数的关系，同时也可以测量阀门局部阻力⑶实验采用循环水系统，节约实验费用⑷测量系统采用量程不同的两种流量计和压差测量仪表，测量精度较高⑸采用压力传感器一数字表系统，测量大流量下的流体流动阻力，实验数据稳定可靠四、设备的主要技术数据1. 被测光滑直管段： 管径d—0.008m； 管长L—1.69m； 材料一不锈钢管被测粗糙直管段： 管径d—0.010m； 管长L—1.69m； 材料一不锈钢管被测局部阻力直管段：管径d—0.015m；管长L—1.2m； 材料一不锈钢管2. 压力传感器：测量范围：200 KPa测量范围：0〜200 KPa型号:LXWY3. 直流数字电压表：型号：PZ1394. 离心泵:型号：WB70/055流量：8(m3/h)扬程：12(m)电机功率：550(W)5•玻璃转子流量计:型号 测量范围 精度LZB—40 100〜1000(L /h) 1.5LZB—10 10〜100(L/h) 2.5图1流动阻力实验流程示意图1-水箱；2-离心泵；3、4-放水阀；5、13-缓冲罐；6-局部阻力近端测压阀；7、15-局部阻力远端测压 阀；8、20-粗糙管测压回水阀；9、19-光滑管测压阀；10-局部阻力管阀；11-U型管进水阀；12-压力传 感器；14-流量调节阀；15、16-水转子流量计；17-光滑管阀；18-粗糙管阀；21-倒置U型管放空阀；22-倒置U型管；23-水箱放水阀；24-放水阀;实验流程示意图见图1。
水泵2将储水槽1中的水抽出，送入实验系统，首先经玻璃转子流 量计15、16测量流量，然后送入被测直管段测量流体在光滑管或粗糙管的流动阻力，或经10测量 局部阻力后回到储水槽，水循环使用被测直管段流体流动阻力可根据其数值大小分别采用变 送器12或空气-水倒置U型管22来测量五、实验方法及步骤1・向储水槽内注水，直到水满为止有条件最好用蒸馏水，以保持流体清洁）2. 直流数字表的使用方法请详细阅读使用说明书3. 大流量状态下的压差测量系统，应先接电预热10〜15分钟，调好数字表的零点，然后启动泵进 行实验4. 光滑管阻力测定⑴ 关闭粗糙管阀18、粗糙管测压进水阀20、粗糙管测压回水阀8,将光滑管阀17全开⑵倒U管的调零，操作方法如下：在流量为零条件下，打开光滑管测压进水阀19和回水阀9,旋开倒置U型管进水阀11,检查玻 璃管内液柱高度差是否为零；若倒置U型管内液柱高度差不为零，则表明导压管内存在气泡，需要进行赶气泡操作，导压系 统如图2所示；开大流量，使倒置U型管内液体充分流动，以赶出管路内的气泡；若认为气泡已赶净，将流量阀关闭；慢慢旋开倒置U型管上部的放空阀21，打开排水阀4（或3），管内形成气-水柱，液柱降至管 中心位置附近时马上关闭；随后开启排水阀3 （或4）,以前面调节的咼度为基准，左右玻璃管的水柱咼度相等，此时管内 液柱高度差应为零；最后关闭放空阀21,倒U管的调零完成。
图2导压系统示意图3,4-排水阀;8-粗糙管测压回水阀;9-光滑管测压回水阀；11- U型管进水阀；12-直管压力传感器;20-粗糙管测压进水阀；21- U型管放空阀;22-U型管⑶ 该装置两个转子流量计并联连接，根据流量大小选择不同量程的流量计测量流量⑷差压变送器与倒置u型管也是并联连接，用于测量直管段的压差，小流量时用倒置U型管压 差计测量，大流量时用差压变送器测量应在最大流量和最小流量之间进行实验，一般测取15〜20 组数据建议当流量小于100L / h时，只用倒置U型管来测量压差5. 粗糙管阻力测定（1） 关闭阀 17、光滑管测压进水阀 19、光滑管测压回水阀 9，全开阀 18，旋开粗糙管测压进 水阀 20、粗糙管测压回水阀8，逐渐调大流量调节阀，赶出导压管内气泡2） 从小流量到最大流量，一般测取 15~20 组数据3） 直管段的压差用差压变送器测量 光滑管和粗糙管直管阻力的测定使用同一差压变送器，当测量光滑管直管阻力时，要把通向粗糙管直管阻力的阀门关闭；同样当测量粗糙管直管阻力时，要把通向光滑管直管阻力的阀门关闭 6．局部阻力测定关闭阀门 17 和 18，全开或半开阀门10，改变流量，用差压变送器测量远点、近点压差。
远点、近点压差的测量使用同一差压变送器当测量远点压差时，要把通向近点压差的阀门关 闭；同样当近点压差时，要把通向远点压差的阀门关闭7．测取水箱水温 8．待数据测量完毕，关闭流量调节阀，停泵六、数据记录与处理表、直管阻力实验数据表光滑直管内径8.0mm、管长1.69米t= 口= P =序号Q(L/h)压差表（KPa）U型管读数 左（cmH2O）右△ P(Pa)u(m/s)Re入1234567891011121314表一、直管阻力实验数据表粗糙直管内径10.0mm、管长1.69米t= 口= P =序号Q(L/h)压差表(KPa)U型管读数 左(cmH2O)右△ P(Pa)u(m/s)Re入1234567891011121314151617181920表三、局部阻力实验数据表序号Q(L/h)近端压差(KPa)远端压差(KPa)u(m/s)局部阻力压差(Pa)阻力系数z123456七、数据处理与分析八、使用实验设备应注意的事项1. 直流数字表操作方法请仔细阅读说明书后，方可使用2. 启动离心泵之前，以及从光滑管阻力测量过渡到其它测量之前，都必须检查所有流量调节阀 是否关闭3. 利用压力传感器测量大流量下AP时,应切断空气一水倒置U型玻璃管的阀门18、20否则影 响测量数值。
4. 在实验过程中每调节一个流量之后应待流量和直管压降的数据稳定以后方可记录数据5. 较长时间未做实验，启动离心泵之前应先盘轴转动，否则易烧坏电机九、思考题预习报告思考题：1.本次实验在安全方面需要注意哪些问题？2. 本实验涉及到哪些测量仪器？如何读数？3. 本实验的三个实验数据记录表有何区别？实验报告思考题：•本次实验中，使用的倒U型管和压力传感器有哪些相同点？又有何区别？2.本次实验中，管路阀门、转子流量计阀门及离心泵开关，在启动时三者 顺序如何？关闭时三者的顺序又如何？十、附录1 实验数据的计算及结果⑴直管摩擦系数九与雷诺数Re的测定直管的摩擦阻力系数是雷诺数和相对粗糙度的函数，即九=f (Re,S /d)，对一定的相对粗糙度 而言，九=f (Re)流体在一定长度等直径的水平圆管内流动时，其管路阻力引起的能量损失为：P — p APh = —i 2 =——f (1)f P P又因为摩擦阻力系数与阻力损失之间有如下关系(范宁公式)整理（1） （2）两式得(3)(4)2d AP-—f p -1 U 2d - u - pRe 二式中：d —管径，m ；APf —直管阻力引起的压强降，Pa；I -管长，m；u —流速，m / s；p—流体的密度，kg / m3；卩―流体的粘度，N・s / m2。
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P和粘度卩也是定 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APf与流速u （流量V）之间的关系根据实验数据和式（3）可计算出不同流速下的直管摩擦系数入，用式（4）计算对应的Re,从 而整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系，绘出入与Re的关系曲线⑵局部阻力系数:的测定(5)(6)式中：匚—局部阻力系数，无因次;APf —局部阻力引起的压强降，Pa； hf -局部阻力引起的能量损失，J/kg△瑤入比bJ J图3局部阻力测量取压口布置图局部阻力引起的压强降AP'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3,使ab=bc ；a' bz。