阻力系数的测定

阻力系数的测定

一、实验目的

1. 掌握管道摩擦阻力系数的测定方法，

2. 寻找阻力系数和雷诺准数之间的关系。 二、实验原理

1. 流体流动的阻力及阻力系数

由于流体粘性的存在，流体在流动的过程中会发生流体间的摩擦，从而导致阻力损失。层流时阻力损失的计算式是由理论推导得到的；湍流时由于情况复杂得多，未能得出理论式，但可以通过实验研究，获得经验的计算式。根据管路差异和实验研究犯法的不同，通常将阻力损失分为两类：流体通过直观的阻力称为直管阻力（或沿程阻力），流体流过管件（弯头、三通等）和阀门等的阻力称为局部阻力。通过因此分析，可将二者表示为：

g u d l H f 22

λ

= （直管）

2

'

2f u H g ζ

= （局部）

总阻力就是二者之和。

在上面的式子中，λ称作直管阻力系数，ζ称为局部阻力系数。在计算流体流动阻力时，必须先计算阻力系数。

通过大量的实验证明，阻力系数与利诺准数和管路的相对粗糙度（ε/d ）有关，即：

((

,)du f d ρε

λζμ=或）

对于特定的管道，阻力系数仅与流体的流动型态，即雷诺准数有关。测定不同流量下的阻力系数以及雷诺准数，通过做图或拟合，即可找到阻力系数和雷诺准数之间的关系。

2. 阻力系数的测定原理

对于不可压缩流体在两测压点间列柏努利方程：

f

e H g u g p z H g u g p z +++=+++222

2

222111ρρ

对于水平管道，当管径不变，且无外加能量，即：

0=e H , 21z z =, 21u u =

则有

R g p p H f ∆=-=

ρ2

1

又阻力损失可表示为：

g u d l H f 22

λ

= （直管）

g u H f 22

ζ

= （局部）

因此

22lu Rd g ∆=λ 22u R g ∆=

ζ

上述各式中：

λ—直管阻力系数 ζ—局部阻力系数

∆R —压力计内指示液高度差，m 液柱。若指示液与流体不同，须对∆R 进行换算。 d —管径 l —管长

u —流速，m/s, 其值为流量除以管道截面积, 即

2

4d V A V u s s ==

V s —流量，m 3/s 二、实验流程

水阀

三、实验方法

1. 准备工作

在实验开始前，先向水槽中注入三分之二容积的清洁水，然后关闭除Dg 25内螺纹截止阀以外的所有阀门。检查各个压差计的接头是否牢固、严密；小旋塞的转动是否灵活。

2. 操作步骤

（1）关闭控制阀，2个光滑管引压阀，关闭其余引压阀，启动泵。

（2）系统排气

总管排气：先将控制阀开足然后再关闭，重复三次，目的为了使总管中的大部分气体被排走，然后打开总管排气阀，开足后再关闭，重复三遍。

引压管排气：每次测直管阻力或测局部阻力时，打开相应的引压管放气阀，开、关重复三次。

压差计排气：依次分别打开放气阀，开、关重复三次。

（3）检验排气是否彻底是将控制阀开至最大，再关至为零，看压差变送器计读数，若前后读数相等，则判断系统排气彻底；若前后读数不等，则重复上述（2）步骤。由于系统的流量计量采用涡轮流量计，其小流量受到结构的限制，因此，从大流量做起，实验数据比较准确。

（4）实验布点

由于R e在充分湍流区时，λ～Re的关系是水平线，所以在大流量时少布点，而Re在比较小时，λ～Re的关系是曲线，所以小流量时多布点。先将控制阀开至最大，读取流量显示仪读

数F大，然后关至压差显示值约0.3Kpa时，再读取流量显示仪读数F小，在F小和F大二个读数之间布14～16个点。

（5）实验结束后，关闭泵，上及数据处理。

3. 注意事项

(1) 实验过程中，循环水始终保持清洁，注意不要将杂物掉入水槽中。

(2) 开泵前检查水泵能否转动，开泵后注意观察泵出口压力表指针是否升起? 泵的运转是否正常? 否则，应停泵检查。

(3) 开泵和停泵前均应先关闭泵出口调节阀，开启阀门时操作应缓慢，防止大起大落，以免影响测量结果和冲跑水银。

(4) 在该装置上进行的实验要在多人合作下才能完成，因此，人人必须认真负责，坚守岗位，以免个人失误影响全组实验的顺利进行。

四、思考题

1．为什么要测定阻力系数？

2．实验中应注意哪些事项？

流体流动阻力测定》实验数据计算机处理

表一实验原始数据记录

流量计示值直管阻力阀门阻力

Qv 左右R

1左右R

2

1 81

2 3.811 6.214 2.40

3 9.411 0.647 8.764

2 687 4.099 5.932 1.83

3 8.247 1.837 6.41

3 600 4.291 5.731 1.4

4 7.451 2.611 4.84

4 490 4.523 5.531 1.008 6.661 3.434 3.227

5 402 4.672 5.362 0.69 6.142 3.932 2.21

6 354 4.762 5.311 0.549 5.892 4.199 1.693

7 297 4.812 5.243 0.431 5.651 4.432 1.219

8 208 4.911 5.148 0.237 5.343 4.743 0.6 表二实验数据计算处理

R 1修正值/KPa u/m·s-1λRe R

2

修正值/KPa ξ

30.337 7.236 0.012 162072.4 4.309 0.889 23.141 6.122 0.013 137122.9 3.152 0.908 18.179 5.347 0.013 119758.0 2.380 0.899 12.726 4.367 0.014 97802.3 1.587 0.899 8.711 3.582 0.014 80237.8 1.087 0.915 6.931 3.155 0.015 70657.2 0.832 0.904 5.441 2.647 0.016 59280.2 0.599 0.924