流体流动阻力实验

实验一 流体流动阻力实验

一、实验目的

1、学习直管摩擦阻力f P ∆、直管摩擦系数λ的实验方法；

2、掌握不同流量下摩擦系数λ与雷诺数Re 之间的关系及其变化规律；

3、学习局部阻力的测定方法；

4、学习压强差的几种测量方法和技巧；

5、掌握坐标系的选用方法和对数坐标系的使用方法。

二、实验原理

1． 直管摩擦系数

与雷诺数Re 的测定

直管的摩擦阻力系数是雷诺数和相对粗糙度的函数，即)/(Re,d f ελ=，对一定的相对粗糙度而言，(Re)f =λ。

流体在一定长度等直径的水平圆管内流动时，其管路阻力引起的能量损失为：

ρ

ρf

f P P P h ∆=-=

2

1 （1）

又因为摩擦阻力系数与阻力损失之间有如下关系（范宁公式）

2

2

u d l P h f

f λρ=∆= （2）

整理（1）（2）两式得

2

2u P l d f

∆⋅⋅=ρλ （3） μ

ρ

⋅⋅=

u d Re （4）

式中：-d 管径，m ；

-∆f P 直管阻力引起的压强降，Pa ； -l 管长，m ； -u 流速，m / s ；

-ρ流体的密度，kg / m 3

； -μ流体的粘度，N ·s / m 2。

在实验装置中，直管段管长l 和管径d 都已固定。若水温一定，则水的密度ρ和粘度μ也是定值。所以本实验实质上是测定直管段流体阻力引起的压强降

f P ∆与流速u （流量V ）之间的关系。

测得一系列流量下的f P ∆后，根据实验数据和式（3）可计算出不同流速下的直管摩擦系数λ；用式（4）计算对应的Re ，从而整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系，绘出λ与Re 的关系曲线。

2. 局部阻力系数ζ的测定

2

2

'u P h f

f ζρ

=∆=

' （5） 2'2u P f

∆⋅⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=ρζ （6）

式中：-ζ局部阻力系数，无因次； -∆'f P 局部阻力引起的压强降，Pa ；

-'f h 局部阻力引起的能量损失，J ／kg 。

图3 局部阻力测量取压口布置图

局部阻力引起的压强降'f P ∆ 可用下面的方法测量：在一条各处直径相等的直管段上，安装待测局部阻力的阀门，在其上、下游开两对测压口a-a ’和b-b ＇，见图3，使

ab ＝bc ； a ＇b ＇＝b ＇c ＇ 则 △P f ，a b ＝△P f ，bc ； △P f ，a ＇b ＇= △P f ，b ＇c ＇

在a~a ＇之间列柏努利方程式：

P a －P a ＇ =2△P f ，a b +2△P f ，a ＇b ＇+△P ＇f （7）

在b~b ＇之间列柏努利方程式：

P b －P b ＇ = △P f ，bc +△P f ，b ＇c ＇+△P ＇f

= △P f ，a b +△P f ，a ＇b ＇+△P ＇f （8） 联立式（7）和（8），则：

'f P ＝2（P b －P b ＇）－（P a －P a ＇）

为了实验方便，称（P b －P b ＇）为近点压差，称（P a －P a ＇）为远点压差。用差压传感器来测量。

三、实验装置 1. 设备的主要技术数据:

(1) 被测光滑直管段： 管径d —； 管长L —； 材料—不锈钢管 被测粗糙直管段： 管径 d —0.010m ； 管长L —1.698m ； 材料—不锈钢管

(2) 被测局部阻力直管段: 管径 d —；管长 L —； 材料—不锈钢管 (3) 压力传感器:

型号:LXWY 测量范围: 200 KPa (4) 直流数字电压表:

型号: PZ139 测量范围: 0 ～ 200 KPa (5) 离心泵:

型号: WB70/055 流量: 8(m3／h) 扬程: 12(m) 电机功率: 550(W)

(6) 玻璃转子流量计:

型号 测量范围 精度 LZB —40 100～1000(L ／h) LZB —10 10～100(L ／h)

(7) 涡轮流量计：

型号：LWY-15 测量范围： 0 ～ 6 m3/h

2. 实验流程示意图

实验流程示意图见图1。

水泵2将储水槽1中的水抽出，送入实验系统，首先经玻璃转子流量计15、16测量流量，然后送入被测直管段测量流体在光滑管或粗糙管的流动阻力，或经10测量局部阻力后回到储水槽，水循环使用。被测直管段流体流动阻力△p 可根据其数值大小分别采用变送器12或空气-水倒置∪型管22来测量。

图1 流动阻力实验流程示意图

1-水箱；2-离心泵；3、4-放水阀；5、13-缓冲罐；6-局部阻力近端测压阀；7、15-局部阻力远端测压阀；8、20-粗糙管测压回水阀；9、19-光滑管测压阀；10-局部阻力管阀；11-U型管进水阀；12-压力传感器；14-流量调节阀； 15、16-水转子流量计；17-光滑管阀；18-粗糙管阀；21-倒置U型管放空阀；22-倒置U型管；23-水箱放水阀；24-放水阀；25-涡轮流量计；

四、实验方法与步骤

⒈向储水槽内注水，直到水满为止。(有条件最好用蒸馏水，以保持流体清

洁)

⒉直流数字表的使用方法请详细阅读使用说明书。

⒊大流量状态下的压差测量系统，应先接电预热10～15分钟，纪录数字表

的初始值，然后启动泵进行实验。

⒋光滑管阻力测定：