阻力试验

实验三 阻力实验
一．实验目的：
1、测定流体在直管内流动时摩擦阻力，计算摩擦系数，并在双对数坐标纸上绘出二者之间的关系曲线。

2、测定突扩管、弯头及阀门的局部阻力系数。

3、学习液位计的使用方法。

4*、测定孔板流量计的孔流系数与雷诺数Re 的关系。

带*项为教学大纲要求之外项目。

二． 基本原理：
流体在管内流动时，由于流体粘性作用和涡流的影响，会产生阻力损失，其
大小与管长、管径、流体流速和管道摩擦系数等有关。

记为：
（2－3－1）
式中：
—压头损失，m
—管长，m —管径，m
—流体在管内的流速，
—摩擦系数，无因次。

由柏努力方程得知：流体在水平直管段做稳定流动时，阻力损失直接表现为流体的压强降，流体由截面1流到截面2所产生的阻力损失可由两端分别与这二截面相接的液位计示值测出。

即： （2－3－2）
式中：
—1截面的静压强，N/㎡
—2截面的压强，N/㎡
—两测压截面上液位计读数之差，m 。

摩擦因数受到很多因素的影响，主要与流体的流动型态密切相关，当流体在管内作滞流流动时，可以从理论上推得的计算式为：
（2－3－3）
当流体在管内作湍流流动时，由于流动情况复杂，不能完全用理论分析建立摩擦因素关系式，只能借助因次分析，将诸因素归并整理为准数关联式，得出如下结论：
（2－3－4）
e R 和雷诺准数λ0
90l d u λg u d l H f 22
⋅
=λf
H l d u s m
λR
g p P H f ∆=-=ρ2
11p 2p R ∆λλe R 64
=
λ⎪
⎭⎫ ⎝
⎛
=d R e εφλ,
即为和管壁相对粗糙度的函数，其函数的具体关系只能通过实验方
法加以确定。

对照（2－3－1），（2－3－2）式有：
＝ （2－3－5）
又因 （2－3－6）
将（2－3－5）代入（2－3－6）得：
（2－3－7）
式中：Vs —水的流量，㎡/s
又： （2－3－8） 实验过程中，水温变化不大，、
可视为常数。

改变水的流量、测定流
量和压强降，计算出和的数值，在双对数坐标纸上绘出～关系曲线。

⒉当流体流经管路局部位置（如进口、出口、弯头、阀门、三通、突然扩大等管件）时，因流道发生变化而使流体运动的速度和方向突然发生变化，流体流动受到阻碍和干扰产生涡流，使内摩擦增加，形成局部阻力。

流体通过某一管件的压头损失可用流体在管路中的速度头倍数来表示。

即：
（2－3－9） 式中：—因局部阻力而损失的压头，m ；
—管路中流体速度，m/s ； —局部阻力系数，由实验测定。

由柏努力方程得知，当流体流过弯头时有：
由于管件的上、下游管径相同，有＝；
在管件的上、下游接上Π压差计，则压差计的读数与压头损失相等，即。

则式（2－3－9）变为
（2－3－10）
—管件上、下游两测压截面上液压计读数之差，m 。

λe R d
ε
g u d l 22
⋅
λR ∆2
4d V u s
π
=
l V R d g s 2
52162∆=πλs
e V d d du R μπρμρ2
4==ρμλe R λe R g u H f 22⋅
='
ξ'f
H u ξ()g p p g u u Z Z H f ρ1
22
122122-+
-+-='
1u 2u R H f '
∆='
g u R 22
⋅
='∆ξR '∆
由上式可知，如果测得流量和管件的压头损失，即可求得局部阻力系数。

在一定的范围内改变流量，分别测出ξ1，ξ2，ξ3，…,ξn 。

则该管件的局部阻力系
数为：
三． 实验装置 试验装置一：
如图1所示，在设备中有8条横向排布的管线，自上而下分别为：
No1 层流管，为φ6×1.5mm 的不锈钢管；
No2 球阀与截止阀连接管，为φ27×3mm 的不锈钢管；
No3 光滑管，为φ27×3mm 的不锈钢管；
No4 粗糙管，为φ27×2.5mm 的镀锌
管；
No5 突然扩大管，为φ22×3mm →φ48×3.5mm 不锈钢管； No6 小孔板流量计管线，为φ32×3mm 的不锈钢管，孔板孔径d 0=18.2 mm ； No7 涡轮流量计管线，用于流体阻力实验； No8 大孔板流量计管线，用于离心泵实验。

流程说明：离心泵将水箱内的清水打入系统中，经涡轮流量计计量后，通过管路切换阀门（9、10、11、12、13）进入相应的测量管线，在管内的流动压头损失，可由压差传感器（或倒U 型压差计）测量。

实验中，可以通过调节流量调节阀测定不同流量下的压头损失。

操作说明：
⑴ 先熟悉流程中的仪器设备及与其配套的电器开关，并检查水箱内的水位，
然后开启离心泵，关闭图1中的切换阀4，打开切换阀5。

在实验开始前，系统要先排净气体，使液体连续流动； ⑵ 使用倒U 型压差计测量数据时的系统排气。

首先，打开被测的管路开关阀(图
ξ
n n
i i
∑==
1
ξ
ξ图1 流体阻力与离心泵联合实验流程图
1 离心泵 2水箱放净阀 3 水箱 4、5切换阀 6大孔板流量计 7涡轮流量计 8、9、10、11、12、13管路开关阀 14高位槽上水阀 15高位槽 16球阀 17截止阀 18流量调节阀 19小孔板流量计 20层流管流量调节阀 21真空表 22压力表 23两台泵连通阀
1中的9、10、11、12、13阀门中的一个)，关闭其它管路开关阀，并将流量调节阀18打开，但流量不要开太大，将管路内的气体排净；同时，测压管线排气（排气方法见附1–⑴），排气之后，关闭流量调节阀，检查倒U 型压差计两端的液面。

若相平，则可以开始实验，若不平，则需要重新排气；
⑶ 使用压力传感器测量数据时的系统排气。

首先，打开被测的管路开关阀(图1中的9、10、11、12、13阀门中的一个)，关闭其它管路开关阀（排气方法见附1–⑵），排气之后，关闭管路开关阀，此时“压降”仪表显示为0，则可以开始实验，否则重新排气。

若重复多次，仪表显示均不为0，则需要检测压力传感器的0点是否准确。

具体方法为，将图2中压力传感器两端连接测压管的螺母松开，使压力传感器两端连接大气，此时“压降”仪表显示仍不为0，则说明压力传感器0点漂移，需要调节0点。

具体调节方法见附录4；
⑷ 实验中，若用倒U 型压差计测量数据时，则将管路开关阀打开，用阀18调节水流量。

若用压力传感器测量数据时，则将阀18全开，用管路开关阀调节流量。

读取数据时，应注意稳定后再读数。

测量局部阻力系数时，各测取3组数据，对于直管，测取10组以上数据，层流管的流量用阀门20调节，用量筒及秒表测取；
⑸ 测完一套管路的数据后，关闭流量调节阀，再次检查倒U 型压差计的液面是否相平。

然后重复以上步骤，测取其他管路的数据。

实验装置二：
流程说明：本实验装置如图所示。

测量管道有金属管和聚丙烯塑料管两种。

金属
管内径为36mm ，塑料管内径为36.205mm 。

测量直管阻力的管道水平放置，长度自测。

操作说明： 1、了解设备，熟悉流程及所用仪表。

2、计量槽的标尺参数为： 标尺参数＝，
即水槽液位每升高1mm ，槽内液体的体积增加0.303升。

3、检查泵的轴承润滑情况，用手转动联轴节，视泵是否转动灵活，发现问题要与指导老师联系解决。

4、关闭出口阀3，启动电机，使泵运转，在运转中要注意安全，防止触电和绞
()
mm l
303.060
22550
=-
图2吸力实验装置流程图
1—水槽；2—离心泵；3—出口阀；4—闸阀；5—孔板流量计；6—Π型压差计；7—
直管；8—流动摆头；9—计量槽；10—计量槽标尺；11—90º弯头
伤。

注意电机是否过热，机器声响是否正常。

如有不正常现象，应立即停车，与指导老师研究其原因和处理办法。

5、慢慢开启出口阀，将流量调至最大（此时一定要注意观察П型压差计的指示值）。

6、通过泵出口阀由大到小调节流量，记录10组不同数据。

7、取完数据后，检查数据是否符合要求，停止实验，将装置恢复到实验前状态。

三、数据处理：
⒈ 根据测得的数据，计算和，在双对数坐标纸上作图，并与教科书的图线进行比较。

⒉ 根据测得的数据可用式（2－3－10）计算阻力系数。

实验记录表
实验日期：__________;管子内径：______㎜； 压差计接头间距：______m ；水温_________℃
四． 思考题
1、本实验需要测量哪些参数，各使用什么仪表？
2、本实验为何使用Π型压差计，说明其应用场合。

3、为何本实验数据在双对数坐标纸上进行标绘？
4、测局部阻力时，。

5、能否在垂直管段上完成～关系的测量？写出推导过程。

λe R ξR H f '
∆='
推导λe R 有何关系？
与R H f ∆
6、本实验测量结果对其它流体是否适用？
附1：管线排气说明：
图3为
管路测压连
通器与倒U
型压差计的
示意图，其
中a1，
a2，……，
f1，f2，分别
与图1中的
a1，a2，……，
f1，f2相连
接，与它们
相连接的阀
门，为设备图3 管路测压连通器与倒U型压差计示意图
操作面板上
的测压切换阀，若要测某管路的压降，即打开与其相连的测压管线上的测压切换阀，关闭其他管线上的阀门，则压力传感器与倒U型压差计上测量的压降即为该管路上的压降。

测压管线的排气方法为：
⑴用倒U型压差计测量数据时
①打开v3，v4，v5，v6，10―30秒（层流实验时30―60秒）；
②关闭v3，v4；
③打开v7，将倒U型压差计中的水排净；
④关闭v5，v6，v7；
⑤打开v3，v4，使水进入倒U型压差计；
⑥关闭流量调节阀18，此时若倒U型压差计中的差值为0，则说明管线中
的气已排净。

⑵用压力传感器测量数据时
①关闭流量调节阀18，打开v3，v4，v5，v6（30−60秒）；
②将流量调节阀门开到最大；
③关闭v3，v4，v5，v6。

④关闭管路开关阀，此时若“压降”仪表显示为0，则说明管线中的气已
排净，否则，按上述步骤，重新排气。

附2：实验数据采集系统的运行与使用
图4 当系统安装完毕后，启动程序，此时屏幕上会出现图4:
若用户第一次使用此软件，会出现一窗口，要求用户输入：
不锈钢管的管长，管径；
镀锌钢管的管长，管径；
层流管的确管长，管径；
突然扩大管的小管径，大管径；
小孔板的孔径，连接管径。

这些参数只需要输入一次，将来运行软件时，若这些参数不需要修改，则不用再输入这些数据了。

1、数据采集
当选择数据采集项后，程序会要用户输入要保存数据的文件名，当用户输入文件名后，程序进入主画面，即流体阻力实验的流程图（见图5），在图中有9个数字显示框，分别为: 1-水温，2-层流管压降，3-球阀压降，4-截止阀压降，5-不锈钢管压降，6-镀锌管压降，7-突然扩大压降，8-孔板压降，9涡轮流量计读数。

由于在此实验中，水泵开关由变频仪控制，而变频仪既可以手动开关，也可以由计算机控制开关，图中一红一绿两个开
图5
关为变频仪开关，当变频仪选择由计算机控制时，用鼠标点击绿色按钮开水泵，点击红色按钮关水泵。

在画面上方有一排菜单栏，分别为: "记录数据"，“改变频率”，"查看数据"，"退出"。

其中，初始时，“记录数据”与“查看数据”两项不可操作，当选择了要测量的管子或阀门后，此两项才能使用。

当要测量某管时，用鼠标点击此管前的阀门，使其由红变绿，此时，该管相应的压降数据框中显出数据。

如：要测量不锈钢管的数据，则点击阀门V3，数据框5中显示出此时不锈钢管的压降数据。

若要测量镀锌管的数据，则点击阀门V2，数据框6中显示出镀锌管的压降数据，而其他管的数据框中则显示空。

当点击阀门V4时，球阀的压降数据框中显示数据，说明此时测量的是球阀的数据，若要测量截止阀的数据，则需要在阀门V4被选中的情况下，点击截止阀的数据框4，则测量的数据由球阀改变到截止阀。

同样，此时点击球阀的数据框3，则测量的数据由截止阀改变到球阀。

若要测量层流管的数据，点击阀门V5，由于层流管的流量很小，不能用孔板流量计计量，需要用量桶与秒表计量流量，此时屏幕的最右侧出现一“开始计时”的按钮，点击此按钮，其下方出现一计时器，开始计时，同时，按钮改为“停止计时”，当按此按钮时，屏幕中出现一询问框，要求用户输入在计时期间计量的水量，单位为ml。

①记录数据
当数据稳定后，点击“记录数据”按钮，将当前最新的数据存入前面选定的数据文件中。

②改变频率（当有变频器时，才能使用此功能）
当用户选则此功能后，屏幕中会出现图6
图6
此时用户选择所需的电机频率并点“确定”，当变频器处于“远程控制模式”
时，即可通过计算机改变离心泵的电机频率，从而达到改变离心泵转速的目的。

③查看数据
选此功能时，出现一下拉菜单（见图7），分别为“实验数
图7
据”及“实验结果”。

当选择“实验数据”时，画面中出现一列表框，将前面所有记录的数据全部列出来，供用户查看，若用户对某一组数据不满意，可以删除。

当选择“实验结果”时，若做管路阻力实验，则屏幕中出现一Re-λ双对数坐标系，将用户的实验结果绘出。

若做局部阻力实验，则计算出局部阻力系数。

④退出
选此按钮时，程序退出采集回到主菜单。

2、实验结果
当用户在图4画面中选择"实验结果"，程序会要求用户输入数据文件名，之后屏幕中出现图7：
图8选择“打开文件”，屏幕中出现一询问框，要求用户输入要打开的数据文件名。

点击“查看数据”，出现一下拉菜单（见图9），分别为“不锈钢管数据”，“镀锌管数据”，“突然扩大管数据”，“层流管数据”，“球阀数据”，“截止阀数据”。

选择任意一项，屏幕中出现一个列表，将用户要查看的数据文件中的数据列于表内（见图10）。

此时，若发现某组数据不好，点击此数据行，然后选择“删除”，可删除此组数据。

若要打印数据，点击“打印数据”，则可在打印机中打出此表中的全部数据。

点击“实验结果”，出现一下拉菜单，分别为“管路阻力”，“突然扩大局部阻力”，“球阀局部阻力”，“截止阀局部阻力”。

若选择“管路阻力”，则在双对数坐标系中绘出不锈钢管，
镀锌管及层流管的Re-λ关系。

若选择其它几项，则列出所选项的局部阻力系数。

图9
点击“实验结果”，出现一下拉菜单（见图11），分别为“管路阻力”，“突然扩大局部阻力”，“球阀局部阻力”，“截止阀局部阻力”。

若选择“管路阻力”，则在双对数坐标系中绘出不锈钢管，镀锌管及层流管的Re-λ关系（见图12）。

若选择其它几项，则列出所选项的局部阻力系数（见图13）。

图10
图11
图12
图13
图14
在图12中，有一菜单栏，分别为“打印”，“结果”，“退出”。

当选择“打印”功能时，则从打印机中打印当前屏幕中的图形，此时，打印机必须接在计算机上，并处于开启状态，否则可能会出现程序不正常退出的错误。

当选择“结果”时，出现一列表框，将计算结果列于表中（见图14）。

若选择“退出”，则退回到图8状态。

3、修改参数
第一次运行此软件时，既已经将参数输入了，一般情况下，不用选择此项，只有在参数丢失或参数改变时，需要重新输入参数时，才使用此功能。

4、退出
用户在图4画面中选"退出"时，即结束程序的运行。

附录3 孔板流量计的计算公式与参数，测压口间距
1．孔板流量计计算公式
V=C1 R C2
V：流量，单位m3/h
R：孔板压差，单位kPa
2．孔板流量计参数
C1=1.4
C2=0.5
3．测压口间距
0.3 米
附录四：ADS808A型压力传感器的调节
打开压力传感器的后盖可以看到两个小调节钮，分别为“零点”，“满度”。

若发现传感器零点漂移，则可对照仪表，调节“零点”钮，将仪表显示值调节到0。

若满度漂移，则需要提供一稳定压力，如10kPa的压力，然后调节“满度”钮，将仪表显示值调节到10kPa即可。