4.1 流体流动阻力测定实验
一、实验目的
⒈学习直管摩擦阻力△P f 、直管摩擦系数λ的测定方法。
⒉掌握直管摩擦系数λ与雷诺数Re 和相对粗糙度之间的关系及其变化规律。 ⒊掌握局部阻力的测量方法。
⒋学习压强差的几种测量方法和技巧。 ⒌掌握双对数坐标系的使用方法。 二、实验内容
⒈测定实验管路（光滑管和粗糙管）内流体流动的阻力和直管摩擦系数λ。
⒉测定实验管路内流体流动的直管摩擦系数λ与雷诺数Re 和相对粗糙度之间的关系曲线。
⒊在本实验压差测量范围内，测量阀门的局部阻力系数。 三、实验原理
⒈直管摩擦系数λ与雷诺数Re 的测定
流体在管道内流动时，由于流体的粘性作用和涡流的影响会产生阻力。流体在直管内流动阻力的大小与管长、管径、流体流速和管道摩擦系数有关，它们之间存在如下关系：
h f = ρf
P ∆=2
2
u d l λ （4-1）
λ=
22u
P l d f
∆⋅⋅ρ （4-2） Re =
μ
ρ
⋅⋅u d （4-3）
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。
直管摩擦系数λ与雷诺数Re 之间有一定的关系，这个关系一般用曲线来表示。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△P f 与流速u （流量V ）之间的关系。 根据实验数据和式（1-2）可计算出不同流速下的直管摩擦系数λ，用式（1-3）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。 ⒉局部阻力系数ζ的测定
2
2
'u P h f
f ζρ
=∆=
' （4-4）
2'2u P f
∆⋅⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=ρζ
（4-5）
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4-1 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4-1，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 ＇之间列方程式： P a －P a ＇
=2△P f ，a b +2△P f ，a ＇b ＇+△P ＇f （4-6）
在b~b ＇之间列方程式： P b －P b ＇ = △P f ，bc +△P f ，b ＇c ＇+△P ＇
f
= △P f ， a b +△P f ，a ＇b ＇+△P ＇
f （4-7）
联立式(1-6)和(1-7)，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。 四、实验装置
⒈本实验共有四套装置，实验装置用图4-2所示的实验装置流程图。每套装置中被测光滑直管段为管内径d=8mm ，管长L=1.6m 的不锈钢管；被测粗糙直管段为管内径d=10mm ，管长L=1.6m 的不锈钢管；被测局部阻力直管段为管内径d=12mm ，管长L=1.2m 的不锈钢管
⒉ 流量测量：在图1-2中由大小两个转子流量计测量。
⒊ 直管段压强降的测量：差压变送器或倒置U 形管直接测取压差值。
图4-2 流体流动阻力测定实验装置流程图
⑴—大流量调节阀；⑵—大流量转子流量计；⑶—光滑管调节阀；⑷—粗糙管调节阀；⑸—光滑管；⑹—粗糙管；⑺—局部阻力阀；⑻—离心泵；⑼—排水阀；⑽倒U管⑾⑾’—近端测压点；⑿⑿’—远端测压点；⒀⒀’—切断阀；⒁⒁’—放空阀；⒂⒂’—光滑管压差；⒃⒃’—粗糙管压差；⒄—数字电压表；⒅—压差变送器
五、实验方法
⒈按下电源通电预热数字显示仪表10~15分钟，记录各差压数字表的初始值，关闭流量调节阀，按一下离心泵的绿色按钮启动离心泵。
2．在进行光滑管阻力测定之前，应先检查导压系统内有无气泡存在。
当流量为0时，打开⒀⒀’两阀门，若空气—水倒置Ｕ型管内两液柱的高度差不为0，则说明系统内有气泡存在，需赶净气泡方可测取数据。
赶气泡的方法：将流量调至较大，排出导压管内的气泡，直至排净为止；关闭⒀⒀’两阀门，打开⒁⒁’两阀门，慢慢旋开倒置U形管上部的放空阀，使液柱降至零点上下时马上关闭，使管内形成气—水柱，此时管内液柱高度差应为零。
3．光滑管阻力测定：
小流量时用倒置∪形管压差计测量，大流量时用差压数字表测量。应在最大流量和最小流量之间进行实验，一般测取12～15组数据，建议流量读数在40L／h之内，不少于4个点，以便得到滞流状态下的λ—Re关系。在能用倒置∪形管测压差时，尽量不用差压数字表测压差。
4．粗糙管阻力测定：
关闭光滑管调节阀⑶，打开粗糙管调节阀⑷。流量大于180l/h时，选择用差压数字表测量压差；流量小于180l/h时，选择用倒置∪形管压差计测量压差。从小流量到最大流量，一般测取10~15组数据。
5．局部阻力测量：
