实验四 流体管内流动阻力测定

实验四 流体管内流动阻力测定
一、实验目的
⒈学习直管摩擦阻力h f 、摩擦系数λ的测定方法；了解测定λ的工程意义。

⒈掌握摩擦系数λ与雷诺数Re 和相对粗糙度d
ε
之间的关系及其变化规律。

⒈掌握局部阻力系数ζ的测量方法。

⒈学习压强差的几种测量方法和技巧。

⒈掌握坐标系的选用方法和对数坐标系的使用方法。

二、实验内容
⒈ 测定直管内流体流动的阻力和摩擦系数。

⒈ 测定直管内流体流动的摩擦系数λ与雷诺数Re 和相对粗糙度d
ε
之间的关系曲线。

⒈ 在本实验压差测量范围内，测量阀门的局部阻力系数。

三、实验原理
⒈ 摩擦系数λ与雷诺数Re 关系的测定
流体在管道内流动时，由于流体的粘性剪应力作用和涡流的影响会产生流动阻力。

流体在水平等径直管内流动的阻力大小，与管长l 、管径d 、管壁粗糟度ε及流体流速u 、黏度μ和密度ρ有关，即：
h f = p
ρ∆ （4-1）
以及 (,,,,,)p f d l u ρμε∆= （4-2） 对于管内层流流动，理论上可导出
h f = 2
32p
lu
d
ρμρ∆=
（4-3） 它与
ε无关，且与实验数据吻合。

对于管内湍流流动，式（4-2）中几个参数与p ∆的关系
复杂，只能依赖实验测定和关联。

采用因次分析方法，整理式（4-2）的参数，可组成以下的无因次数群关系式：
2
(
,,)f h du l F u d d
ρε
μ= （4-4） 参照范宁（Fanning ）公式
2
2
f l u h d λ=⋅⋅ （4-5）
可将式（4-4）改写为
2
(Re,
)
2f l u h d d εϕ= （4-6）
比较式（4-5）和式（4-6）可得：
(Re,)d
ε
λϕ= （4-7）
由式（4-5）可知，只要知道λ值，就能计算任一（牛顿型）流体在任一直管中的阻力损失。

而式（4-7）的λ，是雷诺数Re 和管壁相对粗糙度
d
ε
的函数，要确定它们之间的关系，只要用水作物系，在实验规模的装置中，进行有限的实验即可得到。

对于光滑管，也就是管壁粗糙度ε﹤层流底层厚度b δ的管，由于管壁的粗糙峰埋在层流底层中，
d
ε
对流动阻力不产生影响，因此，对于光滑管： '(Re)λϕ= （4-8）
湍流时的粗糙管和光滑管的λ由理论导出的计算式与实际相差较大，实用中仍然采用实验测定并整理绘制的(Re,)d
ε
λϕ=关系图。

本实验分别测定光滑管，以及特定
d
ε
值的粗糙管，求其log log Re λ-的关系曲线。

方法是：（1）测定流量v q ——算出u 和Re ；（2）测定直管的p ∆——按式（4-5）和式（4-1）算出λ值。

（3）将Re 和λ绘于双对数坐标纸上。

⒈ 局部阻力系数ζ的测定
'2
2f
f p u h ζρ∆'=
= （4-9） '
22f
p u
ζρ∆⎛⎫=⋅ ⎪⎝⎭ （4-10）
式中：-ζ局部阻力系数，无因次； '
f p ∆-局部阻力引起的压强降，Pa ；
-'f h 局部阻力引起的能量损失，J ／kg 。

图4-1 局部阻力测量取压口布置图
局部阻力引起的压强降'
f p ∆ 可用下面的方法测量：在一根等直径的直管段上，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4-1，使 ab ＝bc ； a ＇b ＇＝b ＇c ＇ 则 ⒈P f ，a b ＝⒈P f ，bc ； ⒈P f ，a ＇b ＇= ⒈P f ，b ＇c ＇ 在a~a ＇之间列柏努利方程式： P a －P a ＇ =2⒈P f ，a b +2⒈P f ，a ＇b ＇+'f p ∆
（4-11）
在b~b ＇之间列柏努利方程式： P b －P b ＇ = ⒈P f ，bc +⒈P f ，b ＇c ＇+'f p ∆
= ⒈P f ，a b +⒈P f ，a ＇b ＇+'f p ∆ （4-12） 联立式(4-11)和(4-12)，则：
'f p ∆＝2(P b －P b ＇)－(P a －P a ＇)
为了实验方便，称(P b －P b ＇)为近点压差，称(P a －P a ＇)为远点压差。

用差压传感器来测量。

四、实验装置
⒈ 本实验共有三套装置，实验装置流程如图4-2所示。

在图4-2中， 测定光滑管摩擦系数选择流程：A→B （C→D ）→E→F→G→H→I→W→X ； 测定粗糙管摩擦系数选择流程：A→B （C→D ）→E→F→J→K→L→M→I→W→X ；（C→D ）为流量小于2 m 3/h 时的流程。

⒈ 流量测量：在图4-2中由转子流量计和涡轮流量计测量。

⒈ 直管段压强降的测量：差压变送器或倒置U 形管直接测取压差值。

（1）-离心泵 （2）-大流量调节阀 （3）-小流量调节阀 （4）、（5）、（15）、（22）-球阀 （6）、（11）-光滑管取压阀
（7）、（12）-粗糙管取压阀 （8）、（9）、（13）、（14）-局部阻力取压阀 （10）、（16）、（24）、（26）-排气罐（17）、（25）-压差传感器 （18）、（20）、（21）-倒置U形管压差计调节阀 （19）-倒置U形管压差计
（23）、（27）-大管径光滑管取压阀 （28）、（29）-排空阀 （30）-涡轮流量计 （31）、（32）、（33）、（34）-数显表（35）、（36）、（37）-按钮开关 （38）、（39）-转子流量计 （40）-水槽
图4-2 流动过程实验装置流程图
图4-2 流动过程实验装置流程图
（1）-离心泵 （2）-大流量调节阀 （3）-小流量调节阀 （4）、（5）、（15）、（22）-球阀 （6）、（11）-光滑管取压阀 （7）、（12）-粗糙管取压阀 （8）、（9）、（13）、（14）-局部阻力取压阀 （10）、（16）、（24）、（26）-排气罐（17）、（25）-压差传感器 （18）、（20）、（21）-倒置U形管压差计调节阀 （19）-倒置U形管压差计
（23）、（27）-大管径光滑管取压阀 （28）、（29）-排空阀 （30）-涡轮流量计 （31）、（32）、（33）、（34）-数显表（35）、（36）、（37）-按钮开关 （38）、（39）-转子流量计 （40）-水槽
五、操作方法
⒈ 按下电源的绿色按钮，通电预热数字显示仪表，记录差压数字表的初始值，关闭流量调节阀⒈⒈，启动离心泵。

⒈ 光滑管阻力测定：
(1)关闭阀（5）、（15）、（22），将阀（4）全开。

(2)在流量为零条件下，旋开取压阀（6）、（11）和倒置U形管左右旋钮（20）、（21），检查导压管内是否有气泡存在。

若倒置U形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。

操作方法如下：
开大流量调节阀（2），使倒置U形管内液体充分流动，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形管上部的放空阀（19），使液柱降至零点上下时马上关闭，管内形成气—水柱；此时管内液柱高度差应为零。

(3)通过阀（2）、（3）调节流量。

根据流量大小选择大、小量程的转子流量计测量。

(4)直管段的压差：小流量时用倒置⒈形管压差计测量，大流量时用差压数字表测量。

应在最大流量和最小流量之间进行实验，一般测取12～15组数据，建议流量读数在40L／h 之内，不少于4个点，以便得到层流状态下的λ—Re关系。

在能用倒置⒈形管测压差时，尽量不用差压数字表测压差。

(5)阀（15）局部阻力测量：在最大流量时，直管段压差测量完后，将阀（15）半开，再读取相应差压数字表的压差数据。

3．粗糙管阻力测定：
(1)关闭阀（4），全开阀（5），逐渐调大流量调节阀⑵，赶出导压管内气泡。

(2)通过阀⑵⑵调节流量。

根据流量大小选择大、小量程的转子流量计测量，从小流量到最大流量，一般测取10~15组数据。

4．在水箱中测取水温。

5．待数据测量完毕,关闭流量调节阀，核实差压数字表初始值，继续其它实验或切断电源。

六、注意事项
⒈ 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。

⒈ 测数据时则必须关闭所有的平衡阀，并且在用差压数字表测量时，必须关闭通倒置U 形管的阀门，防止形成并联管路。

七、实验数据表：（水温t= ℃）
八、数据整理表
ρ=kg/m3, μ=Pa.S 光滑管L= m, d= m
九、报告内容
⒈ 将实验数据和数据整理结果列在表格中，并以其中一组数据为例写出计算过程。

⒈ 在双对数坐标系上标绘光滑直管和粗糙直管λ—Re 关系曲线。

⒈ 根据所标绘的λ—Re曲线，求本实验条件下滞流区的λ—Re关系式，并与理论公式比较。

⒈思考题：
（1）试从本讲义式（4-3）导出层流时λ=64/Re。

（2）本实验用水为工作介质做出的λ一Re曲线，对其它流体能否使用？为什么？
（3）本实验是测定等直径水平直管的流动阻力，若将水平管改为流体自下而上流动的垂直管，从测量两取压点间压差的倒置U形管读数R到⒈P f的计算过程和公式是否与水平管完全相同?为什么?
（4）为什么采用差压变送器和倒置U形管并联起来测量直管段的压差？何时用变送器?何时用倒置U形管?操作时要注意什么？
十、设备主要参数
1. 被测光滑直管段：管径d—0.0080 (m) 管长L—
2.03(m) 材料: 不锈钢管
被测粗糙直管段：管径d—0.010 (m) 管长L—2.03(m) 材料: 不锈钢管
2. 被测局部阻力直管段：管径d—0.020(m) 管长L—1.2(m) 材料：不锈钢管
3. 压力传感器：
型号：LXWY 测量范围：200 KPa
4. 直流数字电压表：
型号：PZ139 测量范围：0～200 KPa
5. 离心泵：
型号：WB70/055 流量：8(m3／h) 扬程：12(m) 电机功率：550(W)
6.玻璃转子流量计：。