第4讲 流体阻力和流量测量
流体力学中的流体流量测量
流体力学中的流体流量测量流体力学是研究流体运动的科学，它在许多领域有广泛的应用，包括工程、物理、地球科学等。
在流体力学中，流体的流量测量是一个重要的研究方向。
本文将介绍流体流量测量的原理、方法和一些常见的流量测量仪器。
一、流量测量原理流体的流量是指流体在单位时间内通过给定截面的体积。
流体流量的测量原理基于质量守恒和动量守恒定律。
根据质量守恒定律，流体在径向截面上的入口流量等于出口流量。
而根据动量守恒定律，流体在截面上的流量可以通过测量速度和截面积得到。
二、流量测量方法1. 压力差法压力差法是一种常用的流量测量方法。
它通过在管道的不同截面处测量压力差，利用伯努利方程来计算流量。
常见的压力差测量方法包括孔板法、流量喇叭法和毛细管法等。
2. 流速法流速法是另一种常见的流量测量方法。
它通过测量流体在管道中的平均流速，结合管道的截面积来计算流量。
常用的流速测量方法包括绕流体测量仪、多孔介质法和超声波法等。
3. 涡街流量计涡街流量计是一种基于涡街效应原理的流量测量仪器。
当流体通过涡街流量计时，涡街产生的涡街频率与流体的流速成正比。
通过测量涡街频率，可以准确地计算出流体的流量。
4. 电磁流量计电磁流量计是一种常用的流量测量仪器，它利用流体导电性对磁场的影响来测量流速。
当流体通过电磁流量计时，会产生感应电动势，根据感应电动势的大小可以计算出流体的流量。
三、流量测量仪器1. 质量流量计质量流量计是一种直接测量流体质量流量的仪器。
它通过测量流体在单位时间内通过管道的质量来计算流量。
常见的质量流量计包括热式质量流量计和涡轮质量流量计等。
2. 体积流量计体积流量计是一种间接测量流体体积流量的仪器。
它通过测量流体在单位时间内通过管道的体积来计算流量。
常见的体积流量计包括涡轮流量计、液体燃气流量计和涡街流量计等。
3. 超声波流量计超声波流量计利用超声波在流体中传播的特性来测量流速。
它通过在管道中发射超声波并接收回波，根据回波时间和频率来计算流速和流量。
流体流动阻力的测定
流体流动阻力的测定一、引言流体力学是物理学的一个分支，主要研究流体的运动规律和性质。
在工程领域中，流体力学是非常重要的一门学科，涉及到许多领域，如航空、船舶、汽车、建筑等。
在这些领域中，流体的运动特性对于设备的设计和性能有着重要影响。
而测定流体流动阻力是了解这些运动特性的基础。
二、实验原理1. 流体阻力公式当一个物体在流体中运动时，会受到来自流体的阻力。
根据牛顿第二定律，物体所受合外力等于其质量乘以加速度。
因此，在水平方向上运动的物体所受合外力为：F = ma其中F为合外力，m为物体质量，a为加速度。
当物体在水平方向上运动时，在没有其他外力作用下，其所受合外力即为来自水对其作用的阻力Ff。
因此：Ff = ma将牛顿第二定律代入上式可得：Ff = 1/2 * ρ * v^2 * S * Cd其中ρ为流体密度，v为物体相对于流体的速度（即物体速度减去流体速度），S为物体所受阻力的面积，Cd为阻力系数。
2. 流体阻力的测定在实验中，我们可以通过测量物体在流体中运动时所受到的阻力来计算出阻力系数Cd。
一般来说，测量流体阻力有两种方法：直接法和间接法。
直接法是指将物体放置在流体中，然后通过测量所需施加的力来计算出流体阻力。
这种方法通常需要使用特殊设备，如浮子式流量计、翼型试验台等。
间接法是指通过测量物体在流体中运动时所需施加的外部力来计算出流体阻力。
这种方法通常需要使用天平或重量计等设备来测量物体的重量，并结合运动学公式来计算物体所受的加速度和速度等参数。
三、实验步骤1. 实验器材准备准备好天平或重量计、滑轮、绳子、小球等实验器材，并将它们固定在实验台上。
2. 实验样本制备制作一个小球样本，并将其质量称重记录下来。
3. 流动介质准备将水注入实验槽中，并将水温调节到室温。
4. 实验数据测量将小球样本用绳子系在滑轮上，并将滑轮固定在实验台上。
然后，拉动小球样本，使其开始运动，并记录下所需施加的力和小球样本的运动时间。
流体力学第四章：流体阻力及能量损失
优化物体表面粗糙度、使用润滑剂、改变流体的流速和方 向等。
形状阻力
形状阻力
由于物体形状的不同，流体在绕过物体时产生的阻力。
形状阻力公式
$F_s = frac{1}{2} rho u^2 A C_s$，其中$C_s$为形状阻力系数， 与物体形状、流体性质和流速有关。
减小形状阻力的方法
详细描述
汽车设计中的流体阻力优化主要包括车身形 状设计和空气动力学套件的应用。设计师会 采用流线型设计来减小空气阻力，同时也会 采用导流板、扰流板等空气动力学套件来调 整汽车周围的空气流动，以提高汽车的行驶
稳定性、减小风噪，并降低燃油消耗。
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船舶航行中的流体阻力主要来自船体与水之间的摩擦力以及水对船体的冲击力。为了减小流体阻力， 船舶设计师通常会采用流线型设计，优化船体表面的光滑度，以及减少不必要的突出物，从而提高航 行效率。
管道流动中的能量损失
总结词
管道中流体流动时，由于流体与管壁之 间的摩擦以及流体内部的湍流等效应， 会产生能量损失。
根据伯努利方程、欧拉方程等计算公式，结合物体的形状、速度和流体密度等 参数进行计算。
02 流体阻力现象
摩擦阻力
摩擦阻力
由于流体与物体表面的相对运动产生摩擦而形成的阻力。
摩擦阻力公式
$F_f = frac{1}{2} rho u^2 A C_f$，其中$rho$为流体密 度，$u$为流速，$A$为流体与物体接触的表面积，$C_f$ 为摩擦阻力系数。
流体力学第四章流体阻力及能量损 失
目录
• 流体阻力的概念 • 流体阻力现象 • 能量损失原理 • 流体阻力的减小方法 • 实际应用案例
流体流动阻力的测定实验报告
银纳米粒子制备及光谱和电化学性能表征- 1 -流体流动阻力的测定王晓鸽一、实验目的1. 掌握测定流体流经直管、管件和阀门时阻力损失的实验方法。
2. 测定直管摩擦系数λ与雷诺准数Re 的关系，验证在一般湍流区λ与Re 的关系曲线。
3. 测定流体流经管件、阀门时的局部阻力系数ξ。
4. 学会流量计和压差计的使用方法。
5. 识辨组成管路的各种管件、阀门，并了解其作用。
二、实验原理流体通过由直管、管件（如三通和弯头等）和阀门等组成的管路系统时，由于粘性剪应力和涡流应力的存在，要损失一定的机械能。
流体流经直管时所造成机械能损失称为直管阻力损失。
流体通过管件、阀门时因流体运动方向和速度大小改变所引起的机械能损失称为局部阻力损失。
1．直管阻力摩擦系数λ的测定流体在水平等径直管中稳定流动时，阻力损失为：h f =∆p f ρ=p 1−p 2ρ=λl d u 22即，λ=2d∆p fρlu 2式中：λ—直管阻力摩擦系数，无因次； d —直管内径，m ；∆p f —流体流经l 米直管的压力降，Pa ；h f —单位质量流体流经l 米直管的机械能损失，J/kg ；ρ—流体密度，kg/m3；l—直管长度，m；u—流体在管内流动的平均流速，m/s。
层流流时，λ=64 Re湍流时λ是雷诺准数Re和相对粗糙度(ε/d)的函数，须由实验确定。
欲测定λ，需确定l、d，测定∆p f、u、ρ、μ等参数。
l、d为装置参数（装置参数表格中给出），ρ、μ通过测定流体温度，再查有关手册而得，u通过测定流体流量，再由管径计算得到。
∆p f可用U型管、倒置U型管、测压直管等液柱压差计测定，或采用差压变送器和二次仪表显示。
求取Re和λ后，再将Re和λ标绘在双对数坐标图上。
2．局部阻力系数ξ的测定局部阻力损失通常有两种表示方法，即当量长度法和阻力系数法。
本实验采用阻力系数法。
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。
流体流动阻力的测定
实验名称：流体流动阻力的测定一、实验目的及任务：1.掌握测定流体流动阻力实验的一般方法.2.测定直管的摩擦阻力系数及突然扩大管的局部阻力系数.3.验证湍流区内摩擦阻力系数为雷诺数和相对粗糙度的函数.4.将所得光滑管的方程与Blasius方程相比较.二、实验原理：流体输送的管路由直管和阀门、弯头、流量计等部件组成.由于粘性和涡流作用,流体在输送过程中会有机械能损失.这些能量损失包括流体流经直管时的直管阻力和流经管道部件时的局部阻力,统称为流体流动阻力.1.根据机械能衡算方程,测量不可压缩流体直管或局部的阻力H f=(gz1+p1ρ+u122)−(gz2+p2ρ+u222)+H e如果管道无变径,没有外加能量,无论水平或倾斜放置,上式可简化为：H f=p1′−p2′ρ=pρΔp为截面1到2之间直管段的虚拟压强差,即单位体积流体的总势能差,通过压差传感器直接测量得到.2.流体流动阻力与流体性质、流道的几何尺寸以及流动状态有关,可表示为：p=fd,l,u,ρ,μ,ε由量纲分析可以得到四个无量纲数群：欧拉数Eu=p/ρu2,雷诺数Re=duρ/μ,相对粗糙度ε/d和长径比l/d从而有p ρu2=Ψduρμ,εd,ld取λ=ΦRe,ε/d,可得摩擦系数与阻力损失之间的关系：H f=pρ=λld×u22从而得到实验中摩擦系数的计算式λ=2pd ρu2l当流体在管径为d的圆形管中流动时,选取两个截面,用压差传感器测出两个截面的静压差,即可求出流体的流动阻力.根据伯努利方程摩擦系数与静压差的关系,可以求出摩擦系数.改变流速可测得不同Re下的λ,可以求出某一相对粗糙度下的λ-Re关系.在湍流区内摩擦系数λ=ΦRe,ε/d,对于光滑管水力学光滑,大量实验证明,Re在103~105氛围内,λ与Re的关系遵循Blasius关系式,即λ=0.3163/Re0.25对于粗糙管,λ与Re的关系以图来表示.3.对局部阻力,可用局部阻力系数法表示：4.H f= ζu22对于扩大和缩小的直管,式中的流速按照细管的流速来计算.对一段突然扩大的圆直管,局部阻力远大于其直管阻力.由忽略直管阻力时的伯努利方程H f= ζu122=(p1ρ+u122)−(p2ρ+u222)可以得到局部阻力系数的计算式：ζ=1−u22+2p/ρu12式中,u1、u2分别为细管和粗管中的平均流速,p为2,1截面的压差.突然扩大管的理论计算式为：ζ=1−A1/A22 ,A1、A2分别为细管和粗管的流通截面积.三、实验流程：本实验装置如图1所示,管道水平安装,水循环使用,其中管5为不锈钢管,测压点之间距,内径；管6为镀锌钢管,测压点间距离,内径22..5mm；管7为突然扩大管,由扩大至.各测量元件由测压口与压差传感器相连,通过管口的球阀切换被测管路,系统流量由涡轮流量计3调节,离心泵的功率由变频器通过改变输入频率控制转速来实现控制.四、实验操作要点：1.开泵：在关闭所有阀门的情况下,打开电源,启动变频器至50Hz,固定转速,观察泵出口压力稳定后,即可进行排气.2.排气：在对某一管路进行实验之前,排尽设备主管和该管路及对应测压管路内的空气,每切换管路都要排一次气.关闭其他控制阀,打开对应管路的控制阀、测压阀和排气阀,在50Hz下,调节流量至1-2m3/ℎ,待2min以上,压差传感器示数稳定后,关闭排气阀和流量调节阀,在流量为0下观察压差传感器示数是否为0,若有较大偏差则气未排尽,若偏差较小且稳定则记录初始偏差值.3.实验数据测取：确定排气完毕且其余管路切换阀和测压阀关闭后,调节变频器至25Hz左右.对于直管阻力,按照流量由大到小的顺序,测取10组数据,控制压差在~之间.对于突然扩大管的阻力,可测取3组数据.测取数据时,每个数据点取值应等待2min以上且压差和流量稳定为某值或在很小范围内波动.波动时可取其中点.五、原始数据及处理：1.原始数据记录水的物理性质：测定光滑管时,25℃下,ρ=m3,μ=s测定粗糙管及突然扩大管时,℃下,ρ=m3,μ=s1光滑管和粗糙管实验数据光滑管数据：不锈钢管,l=,d=,ε≈,零点误差p=.=.粗糙管数据：镀锌钢管,l=,d=,ε≈,零点误差p表1 光滑管和粗糙管原始数据记录表光滑管粗糙管序号流量/m3h-1压差/kPa流量/m3h-1压差/kPa 123456789102突然扩大局部阻力系数测定数据突扩管： d1=,d2=,初始误差p0=.表2 突然扩大局部阻力系数数据记录表序号流量/m3h-1压差/kPa1232.数据处理表3 光滑管数据处理表序号流量/m3h-1流速/ms-1实际压差/kPaReλλb169034 262486 357996 450513 545836 638913 731991 825443 919270 1012909 其中,λb项为根据Blasius公式计算的理论摩擦系数值.直管阻力系数的计算示例：由表3中第1组数据为例,u=q vA=4q vπd2=4×3.693.14×21.0×10−32×13600m/s=2.96m/s Re=duρμ=21.0×10−3×2.96×996.950.8973×10−3=69034λ=2pdρu2l=2×7.18×103×21.0×10−3996.95×2.962×1.5=0.02303λb=0.3163Re0.25=0.3163690340.25=0.01951表4 粗糙管数据处理表序号流量/m3h-1流速/ms-1实际压差/kPaReλ166896260913355474449854544234636620731363824837918310 1012509图2 光滑管和粗糙管的λ-Re关系曲线曲线分析：a光滑管和粗糙管的摩擦系数均随Re的增大而减小,且随着Re的增大,摩擦系数减小的趋势趋缓.b在同一Re下,相对粗糙度更高的粗糙管比光滑管的摩擦系数更大,说明ε/d 越大,摩擦系数越大.c在同一Re下,光滑管的摩擦系数大于水力学光滑摩擦系数的理论值,说明实验用的光滑管和理论光滑有一定差距.表5 突然扩大管数据处理表序号流量/m3h-1压差/kPa细管流速/ms-1粗管流速/ms-1ζ123局部阻力的计算示例：以表5中第1组数据为例,u1=qvA1=4qvπd12=4×3.573.14×16.0×10−32×13600m/s=4.93m/su2=qvA2=4qvπd22=4×3.573.14×42.0×10−32×13600m/s=0.72m/sζ=1−u22+2pρu12=1−0.722+2×3.20×103996.584.932=0.7149ζ̅=∑ζi3=0.7159理论值ζt=1−A1/A22=1−d12/d222=1−162/4222=0.7308相对偏差δ=|ζ−ζtζt|×100%=|0.7159−0.73080.7308|×100%=2.04%测量值与理论值基本符合,但存在一定误差.五、结果讨论分析1.本次曲线拟合的相对大小比较准确,但是其中表现的趋势不明显,并未得到随着雷诺数增大,摩擦系数趋近于某一值的结论.可能是测定的摩擦系数和雷诺数范围较小,如果增大测定的雷诺数上限,即在更高的流速下做实验,可以看到更好的趋势.2.测定的局部阻力系数和理论值接近,说明实验结果较好.实验值低于理论值,可能是实验设备本身存在损耗,细管在高流量下腐蚀变粗的结果.可以看到随着流量增大有上升趋势,而的三次结果的差值应该是被忽略的直管阻力的影响,因而随着流量增大,表观的局部阻力系数应该增大而不是减小,可能是实验记录和计算舍入的影响.六、思考题1.在不同设备包括相对粗糙度相同而管径不同、不同温度下测定的λ-Re数据能否关联在一条曲线上答：仅在相对粗糙度不同时可以.由λ=ΦRe,ε/d知,摩擦系数是雷诺数和相对粗糙度的函数,当相对粗糙度不变时,可以关联出一条摩擦系数和雷诺数的曲线,而相对粗糙度与温度无关.因此,当且仅当相对保持粗糙度不变时,不同设备,不同温度的λ-Re数据能关联在一条曲线上.2.以水为工作流体所测得的λ-Re关系能否适用于其他种类的牛顿性流体为什么答：可以.由λ=ΦRe,ε/d知,摩擦系数是雷诺数和相对粗糙度的函数,当保持相对粗糙度不变时,流体性质对λ-Re关系不产生影响,可以适用于所有流体.3.测出的直管摩擦阻力与设备的放置状态有关系吗为什么管径、管长一样,且R1=R2=R3,见图3答：没有关系.因为计算中的压差值实际上是总势能差,可以通过压差传感器直接测得.本实验中因为管道水平放置,所以总势能差等于静压能差.由U型压差计的伯努利方程：p=ρ1−ρgR又H f=p/ρ,得：H f=(ρ1−ρ)gR/ρ即H f与摆放方式无关.。
流体流速与流量的计算与测量
流体流速与流量的计算与测量流体流速与流量是涉及流体力学的重要概念，对于流体力学的研究和实际应用具有重要意义。
本文将介绍流体流速与流量的概念，以及计算和测量相应数值的方法。
一、流体流速的概念及计算方法流体流速是指流体在单位时间内通过管道或任何其他容器横截面的体积流量。
流体流速可以用公式v = Q/A来计算，其中v表示流速，Q表示流体通过横截面的体积流量，A表示横截面的面积。
根据流体的性质和实际应用的不同，我们需要采用不同的方法来计算流体流速。
以下是几种常见的计算方法：1. 流体通过管道的流速计算：当流体通过圆管时，我们可以使用公式v = 4Q/πD^2来计算流速，其中D表示管道的直径。
这个公式是基于流体连续性方程和泊松方程推导得出的。
2. 流体通过孔口的流速计算：当流体通过小孔或喷嘴时，我们可以使用公式v = √(2gh)来计算流速，其中g表示重力加速度，h表示从孔口到液面的高度差。
这个公式是基于能量守恒原理和伯努利定律推导得出的。
3. 流体通过泵的流速计算：当流体被泵送时，我们可以使用公式v = Q/A来计算流速，其中Q表示泵的流量，A表示泵出口的横截面积。
二、流体流量的概念及计算方法流体流量是指流体在单位时间内通过特定截面的质量或体积。
流体流量的计算方法根据不同的实际应用可以有所差异。
以下是几种常见的流体流量计算方法：1. 流体质量流量计算：流体质量流量可以使用公式m = ρQ来计算，其中m表示流体的质量流量，ρ表示流体的密度，Q表示流体通过截面的体积流量。
2. 流体体积流量计算：流体体积流量可以通过直接测量流体通过的容器的体积来计算。
具体的计算方法根据容器的形状和流体流动的特点可以有所不同。
三、流体流速和流量的测量方法为了准确地测量流体流速和流量，我们可以采用不同的设备和方法。
以下是几种常见的流体流速和流量的测量方法：1. 流速测量方法：- 流速测量仪：采用这种方法可以直接获得流体的流速数值，常见的流速测量仪有流量计和流速计。
第4节 流体在管内流动阻力
4l 将其代入，得： w f d
——圆形直管内能量损失与摩擦应力关系式
4l wf d
4 2 l u wf 2 u d 2
2
8 令 2 u
l u wf d 2
2
l u2 p f w f d 2
e/d
0.05 0.04 0.03 0.02 0.015 0.01 0.008 0.006 0.004 5 0.002 0.001 0.0008 0.0006 0.0004 0.0002 0.0001
λ
0.03
0.02
0.01 0.009 0.008
0.00005 0.00001 108
103
104
u Lt
L
3 e
ML t K L L Lt ML ML t
1 1
f
L
g
ML t
1 2
K M
e f
L
a bc 3e f g
t
c f
e f 1 a b c 3e f g 1
凡是根据基本的物理规律导出的物理方程中的 量纲一致原则 ： 各项量纲必然相同，方程式两边的量纲自然也
相同。
π定理：
i=n-r
i——独立的无因次准数的个数 n——方程中所涉及的物理量的个数 r——各物理量所包含的基本量纲的个数
量纲分析法的基本步骤： 1) 通过初步的实验结果和系统的分析，找出影响某物理过 程的主要因素，也就是找出影响该过程的各种变量。 2) 利用量纲分析，将过程的影响因素组合成几个无量纲数 群，以减少实验工作中需要改变的变量数目。 3) 建立过程的无量纲数群，一般常采用幂函数形式，通过 大量实验，回归求取关联式中的待定系数。
管道流体阻力的测定
管道流体阻力的测定一、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，是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λ和局部阻力系数ζ。
二、实验原理当不可压缩流体在圆形导管中流动时，在管路系统中任意两个界面之间列出机械能衡算方程为f 2222211122h u P gZ u P gZ +++=++ρρ J · kg –1 (1)或 f 2222211122H g u g P Z g u g P Z +++=++ρρ m 液柱 (2)式中： Z — 流体的位压头，m 液柱；P — 流体的压强，P a ；u — 流体的平均流速，m · s –1；ρ － 流体的密度，kg · m – 3；h f － 流动系统内因阻力造成的能量损失，J · kg –1；H f － 流动系统内因阻力造成的压头损失，m 液柱。
符号下标1和2分别表示上游和下游截面上的数值。
假若：(1)水作为实验物系，则水可视为不可压缩流体；(2)实验导管是按水平装置的，则Z 1 = Z 2；(3)实验导管的上下游截面上的横截面积相同，则u 1 = u 2。
因此(1)和(2)两式分别可简化为ρ21f p p h -= J · kg –1 (3)g p p H ρ21f -= m 水柱 (4) 由此可见，因阻力造成的能量损失（压头损失），可由管路系统的两界面之间的压力差（压头差）来测定。
流体在圆形直管内流动时，流体因磨擦阻力所造成的能量损失（压头损失），有如下一般关系式：2221f u d l p p h ⋅⋅=-=λρ J · kg –1 (5)或g u d lg p p H 2221f ⋅⋅=-=λρ m 液柱 (6)式中：d － 圆形直管的直径，m ；l － 圆形直管的长度，m ；λ － 摩擦系数，（无因次）。
流体流量的测量方法
• 特点： 1）无机械惯性，反应灵敏，可测瞬时脉动流量； 2）无可动部件，也无插入管道的阻力件，故压力损失小； 3）可测量具有一定电导率的酸、碱、盐溶液，脏污介质、
腐蚀性介质以及含有固体颗粒（泥浆、矿浆等）悬浊性液 固两相流的液体流量； 4）测量范围宽。 • 缺点： 1）被测流体必须是导电的，不能测量气体、蒸汽和石油制 品等含有大量气体和电导率很低的液体流量； 2）由于测量管内衬里材料和电气绝缘材料的限制，不能用 于测量高温介质的流量； 3）易受外界电磁干扰的影响。
二、标准节流装置
• 流体和管道条件:
只适用于测量圆形截面管道中的单相、 均质流体的流量，流体流经节流件前应 达到充分紊流，流速为亚音速。
二、标准节流装置
• 组 成：标准节流件＋取压装置＋直管段
1－上游侧第二个局部阻力件；2－上游侧第一个局部阻力件 3－节流件；4－下游侧第一个局部阻力件
二、标准节流装置
2）能用于任何液体，特别是具有高粘度、强腐蚀性、非 导电性、放射性流体的流量测量；
3）价格不会随管道口径变化，特别适合大口径管道的液 体流量测量。
• 缺点：
1）只能用于清洁液体和气体，不能测量悬浮颗粒和气泡 超过某一范围的液体，会影响声传播；
2）准确度不高，在2％左右；流体的声速是温度的函数， 流体的温度变化会引起测量误差；流速沿管道的分布情 况会影响测量结果，需要进行修正。
思考题：
5、涡轮流量计的组成部分？特点？ 使用注意事项？
6、涡街、电磁、超声波流量计的工 作原理和特点？
SUCCESS
THANK YOU
2019/10/7
第四章 流量测量
第一节 概述
一、基本概念 流量（瞬时流量）
质量流量 体积流量 累积流量
流体力学实验_第四章流速与流量测量 [兼容模式]
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管柄堵塞的影响：毕托管管柄堵塞使流体过流面积 减小，流速增加，静压减小，总压不变。毕托管管柄 直径≤1/50管道直径且插入深度≤管道半径时可忽略
横向流速梯度的影响：毕托管头部与流体之间的相 互作用引起邻近流线的微小位移，使较高流速区的流 线移至总压孔处，总压增大。通过测压位置修正。
考虑温度效应，可采用
E 2 (Tw Te )( A BU n )
n
分段拟合多项式，即 E 2 ( Ai BiU CiU 2 DiU 3 ) 1 40
将热线风速仪的输出电压E和已知流动速度U直接联系在 一起，对每一个流速U，对应一个电压E值做出E-U曲线，也
就是校准曲线。
(1) 校准的原因
热线热膜探针的性能是随制造工艺、探针尺寸和金属丝、 膜的材料而异的，即使是相同的材料、制造工艺、尺寸， 其性能也不可能完全一样；
探针的性能和流体的温度、密度以及测量时的气压有关； 探针的性能也和实验室环境条件、污染情况有关； 探针使用后会发生老化； 探针的性能和流速范围有关； 探针在测量中是和仪器结合在一起使用的，真正的相应
对于给定的热线，e , R0 , A, B都为常数，因此 Iw, Rw,U 之间
存在确定的函数关系。
恒流静态方程
当工作电流 Iw＝常数时，Rw和U之间具有如下关系：
Rw
R0 ( A B Iw2e R0 ( A
U B
) U
)
恒流式热线风速仪
27
恒温静态方程
当工作电阻 Rw ＝常数时，Iw 和U之间具有如下关系：
Rw
第四章 流量检测(容积式、速度式、质量式测量技术))
第二节 速度式流量测量方法
2 工作原理
2)工作原理： （1）在仪表中装一旋转叶轮，流体流过时，推动 涡轮旋转，涡轮的转速与流速成正比。 （2）涡轮转动时，涡轮上导磁的叶片顺次接近管 壁上的线圈，改变线圈磁回路的磁阻，使线圈 磁通量发生变化，产生与流量成正比的脉冲信 号。 （3）将此脉冲转换成电流信号给出瞬时流量信 号，累积得到累计流量，这种将转速转换成脉 冲信号的方法叫磁阻法。
b 实际上，涡轮流量计出厂时，ζ值由 厂家根据适用的流体标定给出。
第二节 速度式流量测量方法
4 涡流流量计使用的注意事项 注意：1）仪表允许的使用特性在曲线的平直部 分。 ζ的线性度±0.5% ，复现性±0.1% 。 2）仪表前后要有直管段。前15D，后5D。 防止 管内流速分布不均匀的影响。。 3）仪表前加滤网，防止杂质进入。使用时不超 过规定的最高工作温度，压力和转速。水平安 装，加逆止阀。
1 椭圆齿轮流量计：齿轮旋转，每转一周，排出 四份齿轮和仪表壳体之间形成的月牙空腔容积 的液体。因此只有测出齿轮的转速就能知道流 体的容积流量。 2 腰轮流量计：通过壳体外轴上的一对啮合齿轮 带动两腰轮，排出流量。可用来测液体，气体。 3 刮板式流量计：转子带动刮板在凸轮外缘滚动， 转子每转一周就有计量容积液体排出。 4 湿式流量计用于实验式气体容积流量测量。气 体从水面下中心位置气体入口进入，推动转翼 转动，从气体出口排出。
第一节 容积式流量测量方法 六、容积式流量计使用时注意
1）容积式流量计使用时要加滤网，仪表处加旁路， 便于清扫。 2）被测液体混有气体时，要加装气体分离装置。 3）注意被测流体的温度。
第二节 速度式流量测量方法
一 工作原理：直接测量管道内流体的速度测流量。 如测得是平均流速v ，则容积流量 qv v A ， 如测得是某点流速v，则体积流量 qv KvA ， K为平均流速与被测点流速的比值。 1）注意事项：因使用平均流速，故其测量结果 的准确度不仅与仪表本身有关，而且与截面上 的流速分布情况有关。因此在测量仪表前后有 足够长的直管段或加装整流器。 2）要充分了解被测流体的速度分布。
第四章 流量测量
腰轮流量计：
旋转活塞式流量计
1－液体入口； 2－隔板； 3－液体出口； 4－活塞轴； 5－计量室轴； 6－计量室； 7－旋转活塞 1 2 6 5 4
7 3
刮板式流量计
优点：测量精确，不需要直管段，流体黏 度影响小： 缺点：要求被测流体清洁，不含颗粒物， 结构中有活动部件。
速度流量计——叶轮式流量计
电磁流量计的结构
电磁流量计
优点： 不产生的压力损失 实际上不受流体密度、粘度、温度、 压力 变化 的影响 缺点：不能测量电导率很低的液体，如石油 制品和有机溶剂等。不能测量气体、 蒸汽 。不宜用于较高温度的液体 。 注：不要在上游接截止阀。
电磁流量计
【电磁流量计特点】 NV2118D智能电磁流量计 是我 公司采用国内外最先进技术研制 开发的全智能型电磁流量计，广 泛应用于化工化纤、食品、造纸、 制糖、矿冶、给排水、环保、水 利水工、钢铁等工业领域中，用 来测量各种酸碱、泥浆、纸浆等 导电液体介质的体积流量。其全 中文电磁内核转换器采用高速中 央处理器。计算速度非常快、精 度高，测量性能可靠。
安装要求
（1）.流量传感器可安装在室内或室外，避开高压线、旋 转机械设备、有毒有害环境、强烈机械振动等危及人身和 仪表安全的环境，及与流量传感器使用条件不相符的温度、 湿度环境。选择在安全，便于安装、调试和检修，环境比 较好的地方。 （2）.在设计流量传感器安装位置时，除了考虑直管段条 件外，还应给流量传感器的周围留有足够的操作空间，以 方便安装、调试和检修。特别是要给人留有安全、方便的 操作空间。仪表被安装在高空时，应制作操作平台，确保 人在高空操作的安全。 （3）.流量传感器可以安装在水平、垂直或倾斜的管道上。 但当测量液体时，安装在垂直或倾斜的管道上的流量传感 器，必须保证液体的流向自下而上，以保证管道内充满液 体，以及抵消附加重力的冲击.
流体力学第四章-黏性流体的运动和阻力计算
6、层流起始段长度——见课本74页
*4.4 圆管中的湍流流动
30
一、脉动现象与时均值
1、这种在定点上的瞬时运动参数随时间而发生波动的现象称为
脉动。
2、时均法分析湍流运动
u u u'
如取时间间隔T，瞬时速度在T时间内的平均值称为时间平均 速度，简称时均速度，即
二局部阻力某段管道上流体产生的总的能量损失应该是这段管路上各种能量损失的迭加即等于所有沿程能量损失与所有局部能量损失的和用公式表示为三总能量损失能量损失的量纲为长度工程中也称其为水头损失221圆管层流时的运动微分方程牛顿力学分析法可参考课本71页的ns方程分析法取长为dx半径为r的圆柱体不计质量力和惯性力仅考虑压力和剪应力则有pdpdxdprdxdpdrdudxdpdrdu根据牛顿粘性定律再考虑到则有dr图41圆管层流的速度和剪应力分布25在过流断面的任一半径r处取一宽度为dr的圆环如图42所示
u1
Tudt1
T(uu')dt1
Tudt1
T
u'dt
T0
T0
T0
T0
u1
T
u'dt
T0
时均压强
p
1
T
pdt
T0
.
二、湍流的速度结构、水力光滑管和水力粗糙管
31
1．湍流的速度结构 管中湍流的速度结构可以划分为以下三个区域：
（1）粘性底层区（层流底层）：在靠近管壁的薄层区域内，流 体的粘性力起主要作用，速度分布呈线性，速度梯度很大，这 一薄层叫粘性底层。如图所示。
湍流 层流的临界速度 ——下临界流速
v c ——上临界速度
v c ——下临界速度
流体力学综合实验流动阻力测定
• c)平衡水位。关闭阀(4)、(5)、(3)，然后打 开(1)和(2)两个阀门，让水进入玻璃管至平 衡水位(此时系统中旳出水阀门一直是关闭 旳，管路中旳水在零流量时，U形管内水位 是平衡旳。)压差计即处于待用状态
• d)调整管路总出口阀，则被测对象在不同流 量下相应旳差压，就反应为倒U型管压差计 旳左右水柱之差。
• 2．局部阻力系数 旳测定
• 局部阻力损失一般有两种表达措施，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造成旳机械能损
失看作与某一长度为le 旳同直径旳管道所产
生旳机械能损失相当，此折合旳管道长度
称为当量长度，用符号 le 表达。
• 这么，就能够用直管阻力旳公式来计算局 部阻力损失，而且在管路计算时可将管路 中旳直管长度与管件、阀门旳当量长度合 并在一起计算，则流体在管路中流动时旳 总机械能损失 为：
• 2．根据光滑管试验成果，对照柏拉修斯方程， 计算其误差。
• 3．根据局部阻力试验成果，求出闸阀全开时 旳平均ξ值。
• 4．对试验成果进行分析讨论。
• 七、思索题
1．在对装置做排气工作时，是否一定要关闭 流程尾部旳出口阀?为何?
2．怎样检测管路中旳空气已经被排除洁净? 3．以水做介质所测得旳λ～Re关系能否合用 于其他流体?怎样应用? 4．在不同设备上(涉及不同管径)，不同水温 下测定旳λ～Re数据能否关联在同一条曲线上? 5．假如测压口、孔边沿有毛刺或安装不垂直， 对静压旳测量有何影响?
u —流体在小截面管中旳平均 流速，m部阻力损失。
• 根据连接管件或阀门两端管径中小管旳直 径d，指示液密度 0 ，流体温度t0(查流体物
性ρ、μ)，及试验时测定旳流量V、液柱压
流体流动阻力的测定
流体流动阻力的测定引言流体流动阻力的测定是流体力学领域中的重要研究内容。
了解流体在流动过程中的阻碍情况对于各种应用和工程设计都具有重要意义。
本文将从流体流动阻力的原理、测定方法以及实验过程等多个方面进行探讨。
流体流动阻力的原理流体流动阻力是流体在流动过程中受到的阻碍力。
其大小取决于流体的性质、流动速度以及物体形状等因素。
根据伯努利定律，流体在流动过程中会产生压力变化。
而由牛顿第二定律可知，物体所受到的阻力与速度成正比。
因此，可以通过测量压力变化和流速来确定流动阻力的大小。
流体流动阻力的测定方法测定方法一：压力差法压力差法是一种常见的测定流体流动阻力的方法。
它通过测量流体流过物体前后的压力差来确定阻力的大小。
具体步骤如下： 1. 设置合适的试验装置，包括流体源、测压装置和物体样品。
2. 测量流体流过物体前后的压力差，可以使用压力传感器或者水银柱测压法。
3. 根据压力差和流体速度计算出流体流动阻力。
测定方法二：阻力系数法阻力系数法是另一种常用的测定流体流动阻力的方法。
它通过测量物体在流体中所受到的阻力，结合流体的性质和运动状态，计算出阻力系数。
具体步骤如下： 1. 设置合适的实验装置，包括流体源、测力装置和物体样品。
2. 测量物体在流体中所受到的阻力，可以使用力传感器或者天平等装置。
3. 根据阻力大小、流体密度、物体形状等参数计算出阻力系数。
流体流动阻力的实验过程实验准备1.准备好实验所需的仪器和设备，包括流体源、压力传感器、流速计、物体样品等。
2.根据实验需要调整流体源的流量和压力。
3.确保实验环境稳定，以减小外界因素对实验结果的影响。
实验步骤1.将流体导入实验装置，确保流体稳定流过物体样品。
2.实时监测流体的压力和流速，并记录相应数据。
3.若使用压力差法，需分别测量流体流过物体前后的压力值。
4.若使用阻力系数法，需测量物体在流体中所受到的阻力。
实验数据处理1.根据测得的数据计算流体流动阻力的大小。
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2 0 0 2 (1 . 2 ) 3 4 . 5 （水塔高为 34.5m ） m 0.076 2 9.81
从这个例题，我们学会了设计供水塔的高度。解决了第二讲 中的第一个问题，计算供水塔高度的问题。
并联管道，如图所示。其特点是：1．总管流量是支管流量之和，即：
qv 总 qv C qv D qv E
2 le1 u12 pA uA p1 u12 zA z1 g 2 g g 2 g d 2g 2 2 2 le 2 u 2 pA uA p2 u 2 zA z2 g 2 g g 2 g d 2g 2 2 2 p3 u3 le3 u3 pA u A zA z3 g 2 g g 2 g d 2g
uA 0.351(u1 u2 u3 ) …………… (4a)
将式 (1a)(2a)(3a) 代入式 (4a) 得：
uA 16.54 0.1378 A 8.432 0.1378 A 0.3243 0.1378 A u2 u2 u2 0.351
方程 (5) 用解析法解，比较难，可用图解法或列表试算法。 作曲线
l u2 则上式为： h f ( ) d 2g
…………… (VII )
下面的关键是如何求取摩擦阻力系数 ，化工界老前辈为我们做了大量工作。
层流的λ和柏拉修斯公式
∵ u
1 1 p p2 u max 1 R2 2 2 4 L
∴ p1 p 2
8 L u 8 L u 32 L u R2 d2 d2 4
…………… (1)
…………… ( 2)
…………… (3)
z A 1 m, z1 1 m, z 2 4 m, z3 7 m, p A 60000Pa, p1 p2 p3 0 （表压） le1 le2 le3 5 m, d 0.016 m,
0.02 ，所以：
h fC h fD h fE
…………… (a )
2．当两汇合点（ A 、 B ）在同一水平面时，各支管流体阻力均相等，即： …………… (b )
下面用柏努利方程证明式 (b ) 的结论。对图中的支管 ACB、ADB、AEB 分别列柏努利方程：
2 2 uA pA u B pB zA zB h fC 2 g g 2 g g
2
u2 管长 L 成正比。将 h f 表示为动压头（ ）的若干倍，主要是为了计算方便。 g
l u2 l u2 4 所以，改写式 (b ) 得 ， h f 2 8 2 u d 2 g d u g
N m 2 令 8 ( ，[—] ) ， 称为摩擦阻力系数。其单位是无因次的 3 2 2 u 2 kg m m s
…………… (b )
…… (a )
而由柏努利方程直管阻力为： h f
P P2 1 g
由直管阻力定义为：
l u2 hf d 2g
…………… (c )
l u 2 32 L u 联立式 (a ) (b ) (c ) 得： d 2g g d 2
式(A)层流时的 计算公式。 柏拉修斯(Blasius)式：
管径与流速的关系为 qv
4
ud2
d
4 qv u
某些流体在管中的常用流速范围如下： 自来水
1 - 1.5m s 1 ； 0.5 - 1.0m s 1 ；
低粘度液体
1.5 - 3m s 1 ；
1
高粘度液体
一般气体（常压） 10 - 20m s ； 低压空气（粘度大） 12 - 15m s ；
4
d 2 p2
4
d 2 d l 0' 4l d
…………… (b )
p1 p 2
联立式（a）（b）以及文字
联立式（a） （b）得式（c） ：
hf
4l dg
…………… (c )
由大量实验得知，流体只有在流动情况下才产生阻力，阻力与流速 u 有关。并且与 u 成正比，与
∴ u A 3.01 m s 1 时，方程 (5) 成立。将 u A 3.01 m s 1 分别代入式 (1a)(2a)(3a) 得：
3 1
？水的
密度取为 1000kg m 3 ,为简化计算，主管 ABC 的摩擦损失可以忽略。
通过小区供水这个例题，就解决了第二讲中的第三个问题。
【例 1-3】解：设一、二、三层水管出口截面分别为 1-1，2-2，3-3 截面。以地面为基准面。由于 主管 ABC 的摩擦损失可忽略，所以分流点 A、B 可以看作一个分流点 A。 分别在 A 和 1-1，A 和 2-2，A 和 3-3 截面列柏努利方程得：
∴ hf
p1 p2 g
…………… (a )
阻力公式推导图和文字
对流体柱作力的衡算：因为是等速运动，所以合力为零。
p1
'
2 d p2 d 2 F 0 ' 4 4
而 F 为流体与管壁的摩擦力，它等于 （单位面积上的摩擦力，即剪应力）乘以 d l (流体与管 壁的接触面积)。 ∴ p1 即
第四讲 流体阻力和流量测量
阻力公式推导图和文字
阻力公式导出图 如图所示，取一段水平导管直径为 d ，流体以流速 u 作等速运动，流体柱长为 l ，上、下侧压强为 p1 和 p2。在 1-1 和 2-2 截面列柏努利方程。
p1 p2 u2 u2 z1 z h g 2g 2 g 2g f
u A [m s 1 ]
0 1 2 3 3.01
u y A 0.351
0 2.849 5.698 8.547 8.575
y'
4.067+2.9038+0.5695=7.54 4.084+2.927+0.6797=7.6907 4.134+2.997+0.9357=8.0667 4.217+3.11+1.2507=8.577 4.217+3.111+1.254=8.582
【例 1-3】解：
2 60000 u A u12 5 u12 1 0.02 1 g 2g 2g 0.016 2 g 2 2 2 60000 u A u2 5 u2 4 0.02 1 g 2g 2g 0.016 2 g 2 2 60000 u 2 u3 5 u3 A 1 7 0.02 g 2g 2g 0.016 2 g
2 uA 2 1 ( 0 . 0 1 0 1. 3 1 9 ) 5 u2 7 . 1 2g 2 uA 2 7 . 1 2 4 ( 0 . 0 1 0 2 3 1 9 ) 5 u. 2g 2 uA 2 2 7 ( 0 . 0 1 0 3 3 1 9 ) 5 u. 7 . 1 2g
1
饱和蒸气（粘度小）
20 - 40m s 1 ；
一般来讲，粘度越大的流体，适宜流速越小，粘度越小，则适宜流速可以大些。
Hale Waihona Puke 流速越大，管径越小，阻力越大。有一个适宜的流 速范围，这里给出了适宜管径的数据范围。
【例 1-2】欲建某水塔为居民小区供水，供水流量为 20m3 h1 ，供水表压为 3.0 105 Pa ，试选合适 管径和估算塔高。假定全部管长和局部阻力当量长度为 200m ，摩擦阻力系数 0.02 。 解：管内水的流速选定为 1.2m s
既是说，可对分支点与支管出口分别作能量衡算。 第二个特点则是总管流量等于支管流量之和。
qv O qv A qv B qv C
分支管路的特点是，分支点O处的总压头，等于支管出口处的压 头加上支管的阻力损失。总管流量等于各支管流量之和。
【例 1-3】 某居民楼供水系统，如图所示，若在 A 分流处的水压为 60000Pa （表压） 。室内水管 规格均为 21.5mm 2.75 mm ，垂直主管（ABC）规格为 33.5 3.25 mm ，各楼层水管摩擦阻力的总 当量长度均为 5 m ，管内摩擦阻力系数均为 0.02 。求一、二、三层的水流量为多少 m h
分支管路——主管处有分支，但最终不再汇合的管路称为分支管路，如图所示。
分支管路示意图 分支管路的第一个特点是； 分支点 （O 点） 处的总压头等于支管出口处的压头加上支管的阻力损失。
2 2 2 2 po uo pC uC pA u A pB uB zA h z h z h 即： H o zo g 2g g 2 g fA B g 2 g fB C g 2 g fC
……… (5)
y
uA 0. 3 5 1
和曲线
2 y ' 16.54 0.1378 u A 8.432 0.1 3 7 u A 0.3 2 4 3 0.1 3 7 u A ，两曲线之交点 82 82
的横坐标 u A 值即为方程 (5) 之解。
【例 1-3】解：由于作图麻烦， u A 之值范围也不大，1 ~ 3 m s 1 ，可采用试算法。计算数据列在下表中
2 2 u A pA u B pB zA zB h fE 2g g 2g g 2 2 u A pA uB pB zA zB h fD 2g g 2g g
比较上列三式得： h fC h fD h fE
并联管路的特点是，当分支点A和汇合点B在同一平面时， 各支管的流体阻力相等。总管流量等于各支管流量之和。
u1
2 uA 6.12 2 16 .54 0.1378 u A 0.37 2 g 0.37 2 uA 3.12 8.4 3 2 0.1 3 7 u A 82 0.37 2 g 0.37