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λ090l d u λg u d l H f 22⋅=λfH l d u s mλRg p P H f ∆=-=ρ211p 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 dεg u d l 22⋅λR ∆24d V u sπ=l V R d g s 252162∆=πλse V d d du R μπρμρ24==ρμλe R λe R g u H f 22⋅='ξ'fH u ξ()g p p g u u Z Z H f ρ122122122-+-+-='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ξn ni i∑==1ξξ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 l303.06022550=-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。