管内流体流动阻力实验报告
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1 管内流体流动阻力实验
一、实验目的
1、测定光滑管、粗糙管的沿程阻力系数和闸阀的局部阻力系数，绘制出湍流区阻力系数与雷诺数关系曲线图；
2、识辨组成管路的各种管件、阀门，并了解其作用。
二、实验装置流程图
1-水箱；2-离心泵；3-泵进口真空表；4-泵出口压力表；5-灌泵口；6-转子流量计；
7-离心泵实验流量调节闸阀；8-管路选择球阀；9-倒U型差压计；10-均压环；11-测压球
阀；12-局部阻力管上的闸阀；13-流量调节闸阀；14-水箱放水阀
图1 流体力学综合实验装置示意图
装置参数：如表1所示
表1 实验管路尺寸
名称 材质 管内径(mm)
测量段长度(cm) 管路号 管内径
局部阻力 闸阀 1A 20.0 100
光滑管 不锈钢管 1B 20.0 100
粗糙管 镀锌铁管 1C 20.0 100
三、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
2 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：
2122ffpppluwd (1)
即， 22fdplu (2)
式中: λ —直管阻力摩擦系数，无因次；
d —直管内径，m；
∆𝑝𝑓—流体流经l米直管的压力降，Pa； 𝑤𝑓—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。
层流时，
64Re (3)
Redu (4)
式中： Re—雷诺准数，无因次；
μ —流体粘度，kg/(m·s)。
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。
由式(2)可知，欲测定λ，需确定l、d，测定pf 、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。当采用倒置U型管液柱压差计时，
fpgR (5)
式中： R-倒U型压差计两侧液柱的高度差高度，m。
根据实验装置结构参数l、d，指示液密度0，流体温度t0(查流体物性ρ、μ)，及实验时测定的流量V、液柱压差计的读数R，通过式(4)式(2)求取Re和 λ，再将Re和 λ标绘在双对数坐标图上。
2、局部阻力系数的测定
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。
(1) 当量长度法
流体流过某管件或阀门时造成的机械能损失看作与某一长度为le的同直径的管道所产生的机械能损失相当，此折合的管道长度称为当量长度，用符号le表示。
3 这样，就可以用直管阻力的公式来计算局部阻力损失，而且在管路计算时可将管路中的直管长度与管件、阀门的当量长度合并在一起计算，则流体在管路中流动时的总机械能损失wf为：
22eflluwd (6)
(2) 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。即：
2''2ffpuw (7)
故 22'fpu (8)
式中： —局部阻力系数，无因次；
'fp－局部阻力压强降，Pa；(本装置中，所测得的压降应扣除两测压口间直管段的压降，直管段的压降由直管阻力实验结果求取。)
ρ —流体密度，kg/m3；
g —重力加速度，9.81m/s2；
u —流体在小截面管中的平均流速，m/s。
待测的管件和阀门由现场指定。本实验采用阻力系数法表示管件或阀门的局部阻力损失。
根据连接管件或阀门两端管径中小管的直径d，指示液密度，流体温度t0(查流体物性ρ、μ)，及实验时测定的流量V、液柱压差计的读数R，通过式(16)求取管件或阀门的局部阻力系数。
四、实验步骤和注意事项
1、实验准备：
(1)清洗水箱，清除底部杂物，防止损坏泵的叶轮和转子流量计。关闭箱底侧排污阀，灌清水至离水箱上缘约15cm高度，既可提供足够的实验用水又可防止出口管处水花飞溅。
(2)接通控制柜电源，打开总开关电源及仪表电源，进行仪表自检。
2、实验管路选择：
选择实验管路，把对应的进口阀打开，并在出口阀最大开度下，保持全流量流动5-10min。
3、排气：
先进行管路的引压操作。需打开实验管路均压环上的引压阀，对倒U型管进行
4 操作如下(其结构如图2所示)：
1-低压侧阀门；2-高压侧阀门；3-进气阀门；4-平衡阀门；5-出水阀门
图2 倒U型管压差计
a)排出系统和导压管内的气泡。关闭管路总出口阀9，使系统处于零流量、高扬程状态。关闭进气阀门(3)和出水活栓(5)以及平衡阀门(4)。打开高压侧阀门(2)和低压侧阀门(1)使实验系统的水经过系统管路、导压管、高压侧阀门(1)、倒U形管、低压侧阀门(2)排出系统。
b)玻璃管吸入空气。排净气泡后，关闭(1)和(2)两个阀门，打开平衡阀(4)和出水活栓(5)进气阀(3)，使玻璃管内的水排净并吸入空气。
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(此时系统中的出水阀门始终是关闭的，管路中的水在零流量时，U形管内水位是平衡的，压差计即处于待用状态。
d)被测对象在不同流量下对应的差压，就反应为倒U型管压差计的左右水柱之差。
4、流量调节：
进行不同流量下的管路压差测定实验。让流量从1.0到3.2m3/h范围内变化，建议每次实验变化0.2m3/h左右。由小到大或由大到小调节管路总出口阀，每次改变流量，待流动达到稳定后，读取各项数据。主要获取实验参数为：流量Q、测量段压差ΔP，及流体温度t0。
5、实验结束：
实验完毕，关闭管路总出口阀，然后关闭泵开关和控制柜电源，将该管路的进口球阀和对应均压环上的引压阀关闭，清理装置(若长期不用，则管路残留水可从排空阀进行排空，水箱的水也通过排水阀排空)。
5 五、数据处理记录
根据上述实验测得的数据填写到下表：
表2 阻力实验数据
序号 流量
(l/h) 光滑管 粗糙管 局部阻力
左
(cmH2O) 右
(cmH2O)
水温
(℃) 左
(cmH2O)
右
(cmH2O) 水温
(℃) 左
(cmH2O) 右
(cmH2O) 水温
(℃)
1 600 75.48 77.55 23.8 74.95 78.12 23.0 / /
/
2 800 74.68 77.82 23.8 73.45 78.88 23.0 73.80 78.05
26.0
3 1000 73.58 78.10 23.8 71.61 79.98 23.0 / / /
4 1200 72.35 78.60 23.9 69.65 81.25 23.0 70.10 80.05 26.0
5 1400 70.95 79.20 24.0 67.40 82.56 23.0 / / /
6 1600 69.52 80.05 24.0 64.75 84.40 23.0 67.20 81.65 26.0
7 1800 67.95 80.95 24.2 61.88 86.59 23.0 / / /
8 2000 66.10 81.65 24.4 58.69 88.78 23.0 62.74 84.48 26.0
9 2200 64.40 82.60 24.6 55.10 91.30 23.0 / / /
10 2400 62.40 83.55 24.8 51.67 93.85 23.0 57.90 87.45 26.0
11 2600 60.10 84.60 25.0 / / / / / /
12 2800 57.95 85.50 25.4 / / / / / /
13 3000 55.25 86.75 25.6 / / / / / /
14 3200 53.10 87.65 25.8 / / / / / /
六、实验报告处理
根据表2中温度数据，在《化工原理（上）》附录5和附录10中查得相应的密度和粘度，结合流量、压差、管径、管长等数据，根据式（2）和式（4）计算出相关特定流量下实验管路中的λ和Re值。
以第5组数据为例，当Q=1400L/h时，T=24.0℃，查水的密度与温度关系对照表知，ρ=997.3kg/m3，根据LBZ玻璃转子流量计说明书对流量进行矫正：
337900997.3998.31400100.00039/36007900998.3997.3FSNSNfNSQQms
查附录表十知，T=24.0℃时，µ=0.0009142Pa·s。
22440.000391.242/3.140.02SQumsd
0.021.242997.3Re270980.0009142du
221()997.39.81)179..27070.9508014fpghhPa（
22220.02807.140.021997.311.242fdPlu
6 将数据全部整理后如表3所示。
表3 不同雷诺数时各管路的摩擦系数
序
号 Re
(光滑管) λ
(光滑管) λ
(光滑管计算值) Re
(粗糙管) λ
(粗糙管) λ
(粗糙管计算值)
1 11581 0.0288 0.0305 11314 0.0442 0.0340
2 15442 0.0246 0.0284 15085 0.0425 0.0318
3 19302 0.0227 0.0268 18856 0.0420
0.0302
4 23163 0.0218 0.0256 22628 0.0404 0.0290
5 27023 0.0211 0.0247 26399 0.0388 0.0280
6 30884 0.0206 0.0239 30170 0.0385 0.0272
7 34744 0.0201 0.0232 33942 0.0382 0.0266
8 38603 0.0195 0.0226 37713 0.0377 0.0260
9 43438 0.0189 0.0219 41484 0.0375 0.0255
10 47384 0.0184 0.0214 45256 0.0367 0.0251
11 51331 0.0182 0.0210 / / /
12 55277 0.0176 0.0206 / / /
13 59225 0.0175 0.0203 / / /
14 63171 0.0169 0.0200 / / /
15 11581 0.0288 0.0305 / / /
在一定流量和温度下，由于两条管道为同一类光滑管，故两者所产生的沿程阻力损失相等，即光滑管（无局部阻力）所产生的压强降。又因为光滑管（有局部阻力）产生的压强降为沿程阻力损失加局部阻力损失之和，故局部阻力损失在数值上就等于光滑管（有局部阻力）两端的压强差减去光滑管（无局部阻力）两端的压强差。
