管道阻力

一、实验目的与要求

,管路摩擦系数λ及管件、阀门的局部阻力系数ζ

1. 学习管路阻力损失h

f

的测定方法，并通过实验了解它们的变化规律，巩固对流体阻力基本理论的认识；

2. 测定直管摩擦系数λ与雷诺数Re 的关系，验证在一般湍流区内λ与Re 的关系曲线。

3. 测定管件、阀门的局部阻力系数ζ。

4. 学会倒U形压差计和涡轮流量计的使用方法。

5. 识辨组成管路的各种管件、阀门，了解其作用。

二、仪器设备

实验装置LB201D如图1所示

1- 离心泵；2-进口压力变送器；3-铂热电阻（测量水温）；4-出口压力变送器；5-电器仪表控制箱；6-均压环；7-粗糙管；8-光滑管（离心泵实验中充当离心泵管路）；9-局部阻力管；10-管路选择球阀；11-涡轮流量计；12-局部阻力管上的闸阀；13-电动调节阀；14-差压变送器；15-水箱

图1 管路阻力实验装置流程示意图

三、实验原理

1.直管阻力摩擦系数λ与R e的测定

流体在水平等径直管中稳定流动时，阻力损失为：

2

12

2

f

f p p p l u h d λρ

ρ

?-=

=

= 即，2

222f f

dh d p lu lu λρ?=

=

湍流时，Re du ρ

μ=

其中测定流体温度可查表得到ρ、μ；ΔP 可从实验结果得出；l 、d 为装置

参数；u 可通过测定流体流量，结合2

900V

u d π=得到。

2. 局部阻力系数ξ的测定

阻力系数法：流体通过某一管件或阀门时的机械能损失表示为流体在小管径内流动时平均动能的某一倍数，局部阻力的这种计算方法，称为阻力系数法。即：

hf ’=ρ

'

f p ?=22

u ξ

故 ζ=

2

'

2u

P ρ? 其中ΔP ’f 由实验结果得出；ρ、μ与u 与计算直管时相同。

四、实验步骤

1泵启动：把光滑管的三个开关打开，打开总电源和仪表开关，启动水泵。 2 流量调节：调节左边装置到100%，调节右边装置的流量让流量从1到5m 3/H 范围内变化，每次实验变化0.5m 3/h 。每次改变流量，待流动到达稳定后，记下对应的数据。然后再换成粗糙管和局部阻力管，重复上述步骤。换管时，注意先把管开了再关掉原来的管。

3实验结束：关闭出口阀，关闭水泵和仪表电源，清理装置。

4计算：装置确定时，根据?p 和u 的实验测定值，可计算入和，在等温条件下，雷诺数Re=du ρ/μ=Au ，其中A 为常数，因此只要调节管路流量，即可得到一系列入~Re 曲线。同理，可画出~Re 曲线。

五、数据与处理

表1 管路阻力实验原始数据及其处理

直管基本参数：光滑管径20.0mm 光滑管长度 100cm 光滑管材质不锈钢管

粗糙管径 21.0mm 粗糙管长度100cm 粗糙管材质镀锌铁管

局部阻力(闸阀)管径20.0mm 开度全开

计算举例

取实验温度为35.7℃，近似与35℃

则在这个温度下，水的密度为（995.7+992.2）/2=994.0kg/m 3 水的粘度为（80.12+65.32）/2=72.72510-?Pa s ?

光滑管实验中 hf=

ρ

f

p ?=

kg/m 0.994100025.03

Pa

?=0.25J/kg 2900V u d π==2302.0900/00.1m h

m ?π=0.88m/s

2222f f dh d p lu lu λρ?===s

m m m kg Pa

m /88.01/0.994100025.002.022

3?????=0.01299 Re=μρ

du =s

Pa m kg s m m ????-5

3

1072.72/0.994/88.002.0=24057.21 粗糙管实验中

粗糙管、局部阻力管实验中水的温度与直管实验中相似，所以水的密度与粘度与直管时的一样。 hf=

ρ

f

p ?=

kg/m 0.994100061.03

Pa

?=0.61J/kg 2900V u d π==2

3021.0900/00.1m

h

m ?π=0.80 m/s 2

2

22f f

dh d p lu lu λρ?=

=

=

s

m m m kg Pa

m /80.01/0.994100061.0021.022

3?????=0.04027 Re=μρ

du =s

Pa m kg s m m ????-5

3

1072.72/0.994/80.0021.0=22963.70 局部阻力管中， 2900V u d π==2302.0900/00.1m h

m ?π=0.88m/s

hf ’=ρ'f p ?=ρP P ?-?'=

kg/m 0.9941000)25.043.0(3

Pa ?-=0.18 J/kg ζ=

2'2u P ρ?=2)'(2u P P ρ?-?=2

23/88.0/9941000)25.043.0(2s m m kg Pa ??-?=0.4677 Re=μρ

du =s

Pa m kg s m m ????-5

3

1072.72/0.994/88.002.0=24057.21

六、结果与讨论

1.粗糙管的λ~Re曲线如图2所示：

图2 粗糙管λ~Re曲线

对照食品工程原理有关曲线图，该管的相对粗糙度为0.008，则绝对粗糙度为0.008 20mm=0.16mm

根据图2可知，在一定范围内，随着Re的增大，λ也跟着增大。而实际的λ~Re应是呈下降趋势，且第一个数据偏离直线较远，因此本实验存在较大的误差，可能的原因有：（1）还没有等仪器稳定工作就读数，导致实验误差。（2）实验装置本身存在问题，在测定时，其仪器上读数呈现不稳定状态，会忽高忽低。左（3）仪器工作时温度不断变化，导致实验误差。(4)实验仪器出现故障。

2.对光滑管实验结果使用布拉修斯方程λ=计算结果如下表：

根据表2光滑管的布拉修斯方程结果可知，随着Re 的增大，λ的误差逐渐减小，幅度为19.39%—48.86%。λ的误差较大，说明实验数据可信度不高。造成误差的原因可能有：（1）前几个数据因为流体不稳定，而导致有较大的误差。（2）仪器工作时温度不断变化，导致实验误差。（3）实验仪器出现故障。

3局部阻力管的ξ~Re 曲线如图3所示：

图3 局部阻力管的ξ~Re 曲线

ξ平均值：（0.2275+0.1927+0.2019+0.2034+0.2149+0.2200+0.2388+0.2379）

8 =0.2171（去掉第一个数据，因为误差太大）

根据图3的ξ~Re 曲线可知，在一定范围内，随着Re 的增大，ξ有轻微上升的趋势。而实际的ξ~Re 曲线应是一条水平线，且前2个数据与直线偏离较远，说明本实验存在较大的误差。可能的原因有：（1）前2个数据因为仪器中流体太不稳定，导致实验误差。（2）实验装置本身存在问题，在测定时，其仪器上读数呈现不稳定状态，会忽高忽低。（3）仪器工作时温度不断变化，导致实验误差。

（4）实验仪器出现故障。

ξ的平均值为0.2171与实际闸阀全开的系数0.17相差较远，不能从ξ的平均值从而得出闸阀的开度，说明本次的实验数据并不可靠，可信度低。

七、思考题

1.在对装置做排气时，是否一定要关闭流程尾部的出口阀？为什么？

答：应该关闭。应为这样可以把管道中的气泡全部排出。

2.如何检测管路中的空气已经被排除干净？

答：在流动测定中气体在管路中，对流动的压力测量产生偏差，在实验中一定要排出气体，让流体在管路中流动，这样流体的流动测定才能准确。当流出的液体无气泡是就可以证明空气已经排干净了。

3.以水做介质所测得的λ～Re关系能否适用于其他流体？如何应用？

答：可以用于牛顿流体的类比，牛顿流体的本构关系一致。应该是类似平行的曲线，但雷诺数本身并不是十分准确，建议取中间段曲线，不要用两边端数据。雷诺数本身只与速度，粘度和管径一次相关，不同流体的粘度可以查表。

4.在不同设备上（包括不同管径），不同水温下测定的λ～Re数据能否关联在同一条曲线上？

答: 一次改变一个变量，是可以关联出曲线的，一次改变多个变量时不可以的。另外，不要奢望可以做出一个多项式之类的好的曲线，这是不可2.一次改变一个变量，是可以关联出曲线的，一次改变多个变量时不可以的。

5.如果测哑口、孔边缘有毛刺或安装不垂直，对静压的测量有何影响？

答：没有影响.静压是流体内部分子运动造成的.表现的形式是流体的位能.是上液面和下液面的垂直高度差.只要静压一定.高度差就一定.如果用弹簧压力表测量压力是一样的.所以没有影响.

6.将实验曲线与教材上相应曲线比较。分析其误差及误差产生的原因。

答：λ－Re曲线图可知,在一定的范围内，随着Re的增大, 摩擦系数λ随之减小，当Re在28000左右时，λ变成平缓下降；ζ-Re曲线图可知，随着Re的增大,阻力系数ζ先减少,后稍有上升,再平缓下降。两者可能是由于压力没有平衡好导致读数产生误差，从而引起实验误差。