管路流体阻力

实验二 管路流体阻力实验

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，市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的各种阻力。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，在管路系统内任意二个截面之间列出机械能衡算方程为

1

-2

-1f 2

2222

11

1kg J W 2

u P gZ 2u P gZ ⨯+++=++∑，ρρ

或

液柱，m H g

2u g P Z g 2u g P Z 2

-1f 2

2222111∑+++=++ρρ

式中：

Z ：流体的位压头，m 液柱；

P ：流体的压强，Pa ； u ：流体的平均流速，m ×s -1；

W f ：单位质量流体因流体阻力所造成的能量损失，J ×Kg -1； H f ：单位重量流体因流体阻力所造成的能量损失，即所谓压头损

失，m 液柱；

符号下标1和2分别表示上游和下游的截面上的数值。 假如：

（1）水作为试验物系，则水可视为不可压缩流体； （2）试验导管是水平装置的，则Z 1=Z 2；

（3）试验导管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

1

-2

12-1f kg J P P W ⨯-=∑ρ

，

g

P P H

2

12

-1f ρ-=

∑， m 水柱 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），有以下一般形式：

1

-2

2

12

-1f kg J 2

d L P P W

⨯⨯

=-=

∑u λρ

，

或

g

2d L g P P H

2

212

-1f u ⨯=-=∑λρ， m 水柱

式中：

d ——圆形直管的直径，m ； L ——圆形台直管的长度，m ； λ——摩擦系数，

（无单位）。 大量实验研究表明：摩擦系数λ与流体的密度ρ和粘度μ，管径d ，流速u 和管壁粗糙度ε有关。应用因次分析的方法，可以得出摩擦系数与雷诺数和管壁相对粗糙度ε/d 存在的函数关系，即

λ=f （Re ，ε/d ）

通过实验测得λ和Re 数据，可以在双对数坐标上标绘出实验曲线。当Re ＜2000时，摩擦系数λ与管壁相对粗糙度无关。当流体在直管中呈湍流时，λ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：

1-2

f k

g J 2

W ⨯=∑u ζ

或

g

2H 2

f u ζ=∑ m 液柱

式中：

u ——连接管件等的直管中流体的平均流速，m ×s -1； ζ——局部阻力系数（无单位）

。 由于造成局部阻力的原因和条件极为复杂，各种局部阻力系数的具体数值，都需通过实验直接测定。 三、实验装置及流程

本实验装置主要是由低位水槽、循环水泵、试验管路系统和高位稳压水槽串联组合而成。每条测试管的测压口通过转换阀组与压差计连通。转换阀组由数对旋塞组成，压差计为一倒置U 形水柱压差计。孔板流量计直接与倒置U 形水柱压差计相连。该装置的流程图所示

管路的流体阻力实验装置流程

1、光滑试验管

2、粗糙试验管

3、渐扩渐缩试验管

4、孔板流量计

5、旋塞

6、倒置U 形水柱压差计

7、转换阀组

8、流量调节阀

9、高位稳压水槽

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、渐扩渐缩管、

孔板流量计和旋塞。每根试验管测试段长度，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，用循环水泵由低位水槽直接压送进入试验管路系统，由下而上依次流经各种流体阻力试验管，最后流入高位稳压水槽。由高位稳压水槽流出的水，返回低位水槽。整个系统构成闭路循环系统。水在试验管路中的流速，通过出口阀加以调节，流量由试验管路中的孔板流量计测量，并由汞柱压差计显示读数。

主要设备规格

(1)低位水槽

容积：0.02m3

尺寸：方形400×270×250mm

材质：硬聚氯已烯塑料

(2)循环水泵

型号：AB—25型

流量：25L×min-1，扬程：4m

(3)试验导管

每支管径：φ22×1mm

每支管长：900mm

测试段长度：600mm

光滑玻璃管：φ22×1mm

粗糙玻璃管：φ22×1mm，ε=0.03mm

渐扩渐缩管：扩大管φ40mm，缩小管φ22×1mm

孔板流量计：孔径8mm

玻璃旋塞：孔径18~20mm

(4)转换阀组

规格：φ6mm玻璃旋塞10个组合

(5)倒置U形水柱压差计

刻度：300mm

四、实验方法

实验前准备工作须按如下步骤顺序进行操作：

(1)先将水灌满低位水槽，然后关闭泵出口阀，再启动循环水泵，待泵运转正常后，先将试验导管中的旋塞全部打开，并关闭