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1、实验三 管路流体阻力的测定、实验目的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着各种阻力。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 入和局部阻力系数Z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截面之间，机械能衡算方程为:g乙PU122gZ2P22U2乙hf或乙PU12Z2巳2U2Hfg 2gg2gJkg-1 (1)m液柱(2)式中，hf 单位质量流体因流体阻力所造成的能量损失，J kg-1 ；Hf 单位重量流体因流体阻力所造成的能量损失，即压头损失，m液柱。若：（1）水作为试验物系，则水可视为不
2、可压缩流体；（2）试验导管水平装置，则Zi=Z2；（3）试验导管的上下游截面的横截面积相同，则 U1=U2。因此（1）和（2）两式分别可简化为：hfP P2Jkg-1 (3)H f -m 水柱（4）g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）， 有如下一般关系式：h P hf丄Uld 2J kg-1 (4)或HfP巳l2Um水柱（5）gd2g式中；d -圆形直管的管径，m; l圆形直管的长度，m；入摩擦系数，无因次。大量实验研究表明，摩擦系数又与流体的密度P粘度e管径d、
3、流速u和管壁粗糙度有关。用因次分析的方法，可以得摩擦系数与雷诺数、管壁相对粗糙度如存在函数关系，即f Re, d通过实验测得入和Re数据，可以在双对数坐标上标绘出实验曲线。 当Rev 2000时，摩擦 系数入与管壁粗糙度&无关。当流体在直管中呈湍流时，入不仅与雷诺数有关，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，所造成的能 量损失（压头损失），有如下一般关系式：2hfUJ kg-1 （8）22或 Hf m液柱（9）2g式中，u 连接管件直管中流体的平均流速，m- s-1; Z局部阻力系数无因次。由于造成局部阻力的原因和条件极为复杂，各种局部
4、阻力系数的具体数值，都需要通过实 验直接测定。三、实验装置本实验装置如图1所示，主要是由循环水系统（或高位稳压水槽）、试验管路系统和高位排 气水槽串联组合而成，每条测试管的测压口通过转换阀组与压差计连通。 压差由一倒置U形水 柱压差计显示。孔板流量计的读数由另一倒置 U形水柱压差计显示。图1管路流体阻力实验装置流程1、循环水泵；2、光滑试验管；3、粗糙试验管；4、扩大与缩小试验管；5、孔板流量计；6、阀门；7、转换阀 组；8、高位排气水槽。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、骤然扩大与缩小管、阀门和孔板流量计。每根试验管测试段长度
5、，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，用循环水泵或直接用自来水由循环水槽送入试验管路系统，由下而上依次 流经各种流体阻力试验管，最后流入高位排气水槽。由高位排气水槽溢流出来的水，返回循环 水槽。水在试验管路中的流速，通过调节阀加以调节。流量由试验管路中的孔板流量计测量，并 由压差计显示读数。四、实验方法实验前准备工作：（1）先将水灌满循环水槽，然后关闭试验导管入口的调节阀，再启动循环水泵。待泵
6、运转 正常后，先将试验导管中的旋塞阀全部打开，并关闭转换阀组中的全部旋塞，然后缓慢开启试 验导管的入口调节阀。当水流满整个试验导管，并在高位排气水槽中有溢流水排出时，关闭调 节阀，停泵。（2）检查循环水槽中的水位，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联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态下，按上述方法排除空气泡。（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
7、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，在临实验前，可由 压差计项部的放空处，滴入几滴红墨水，将压差计水柱染红。（5）在高位排气水槽中悬挂一支温度计，用以测量水的温度。（6）实验前需对孔板流量计进行标定，作出流量标定曲线。实验操作步骤：（1）先检查试验导管中旋塞是否置于全开位置， 其余测压旋塞和试验系统入口调节阀是否 全部关闭。检查完毕启动循环水泵。（2）待泵运转正常后，根据需要缓慢开启调节阀调节流量，流量大小由孔板流量计的压差 计显示。（3）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
8、置， 这时 测压口与倒置U形水柱压差计接通，即可记录由压差计显示出压强降。（4） 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。这时，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支测试管的压强降。以此类推。（5）改变流量，重复上述操作，测得各试验导管中不同流速下的压强降。（6）当测定旋塞在同一流量不同开度的流体阻力时，由于旋塞开度变小，流量必然会随 之下降，为了保持流量不变，需将入口调节阀作相应调节。（7）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
9、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）若实验装置放置不用时，尤其是冬季，应将管路系统和水槽内水排放干净。五、实验数据记录及整理1、实验基本参数试验导管的内径d= 17 mm 试验导管的测试段长度1= 600 mm粗糙管的粗糙度=.4 mm 粗糙管的相对粗糙度& /d=0235 孔板流量计的孔径do=11 mm旋塞的孔径dv= mm2、流量标定曲线3、实验数据表1孔板流量计的压差计读书记录表实验序号1234567孔板流量计的压差计读数，R/mmHg水流量的计算式中，Co为孔板系数，u2厂VsCodo . 2gR4m3 /sd0为孔板流量计的孔径，mm。一般控制乂-d24C
10、0值在0.60.7之间；m/s表2数据记录表Redu实验序号1234567孔板流量计的压差计读数，R/mmHg水的流量，Vjm3s-1水的流速，u/m s-1水的温度，T/C水的密度，p /kgm-3 水的粘度，10-4卩/Ph光滑管压头损失，Hfi /mmH 2O粗糙管压头损失,Hf2/mmH 2O旋塞压头损失（全开）Hfi /mmH 2O孔板流量计压头损失,Hf2/mmH 2O2计算和（1）光滑管：pPf（2）粗糙管：pPf（3）孔板流量计：Pfghl2 u一Ad2Pfghlu2 AAd2p Pf ghPaghAghAPfu2ghB(4)旋塞：ppfghPfgh（4）数据整理表3数据整理表实验序号1234水的流速，u/m -s-1雷诺准数，Re/104光滑管摩擦系数，入粗糙管摩擦系数，?2孔板流量计局部阻力系 数，Z旋塞的局部阻力系数(全开)，Z(5)标绘Re入实验曲线六、思考题1、请找出该系统中的局部阻力构件？2、请说出如何测量孔板流量计、旋塞的局部阻力？3、从Re入实验曲线图中可以看出Re与入的关系如何?
