实验三 流体流动阻力多功能实验

一、实验目的

1、掌握流体阻力及一定管径和管壁粗糙度下摩擦系数λ的测定方法

2、掌握测定局部阻力系数ζ的方法

3、掌握摩擦系数λ与雷诺数Re之间的关系及工程意义

二、实验原理

流体阻力产生的根源是流体具有粘性，流动时存在内摩擦。而壁面的形状则促使流动的流体内部发生相对运动，为流动阻力的产生提供了条件，流动阻力的大小与流体本身的物理性质、流动状况及壁面的形状等因素有关。流动阻力可分为直管阻力和局部阻力。

流体在流动过程中要消耗能量以克服流动阻力，因此，流动阻力的测定颇为重要。测定流体阻力的基本原理如图所示，水从贮槽由离心泵输入管道，经流量计计量后回到水槽，循环利用。改变流量并测定直管与管件的相应压差，即可测得流体流动阻力。

1.直管阻力摩擦系数λ的测定

直管阻力是流体流经直管时，由于流体的内摩擦而产生的阻力损失h_f 。对于等直径水平直管段，根据两测压点间的柏努利方程有：

（1）

式中：l ，直管长度，m

d ，管内径，m

（P₁ - P₂），流体流经直管的压强降，Pa

u ，流体截面平均流速，m/s

ρ，流体密度，kg/m³

μ，流体粘度，PaS

由式（1）可知，欲测定λ，需知道l、d、（P₁ - P₂）、u、ρ、μ等。

（1）若测得流体温度，则可查得流体的ρ、μ值。

（2）若测得流量，则由管径可计算流速u。

（3）两测压点间的压降（P₁ -P₂），可用U型压差计测定。此时：

（2）

式中：R，U型压差计中水银柱的高度差，m

则：

（3）

2.局部阻力系数ζ的测定

局部阻力主要是由于流体流经管路中管件、阀门及管截面的突然扩大或缩小等局部位置时所引起的阻力损失，在局部阻力件左右两侧的测压点间列柏努利方程有：

（4）

即

式中：ζ，局部阻力系数

   P₁′- P₂′，局部阻力压强降，Pa

式（4）中ρ、u、P₁′- P₂′等的测定同直管阻力测定方法。

三、实验操作步骤

1、了解实验装置，熟悉实验各装置的作用和原理。

2、进一步熟悉离心泵的操作。

3、检查水槽水量是否够用，必要时应为水槽加水；如实验时间稍长，水槽水量不够，可以向水槽加自来水，水位过高时即从溢流口流入地沟，便可保证水槽的水量。

4、开始实验前先灌泵，避免在空载状态下开车。打开电源开关，关闭泵出口阀，打开泵电源开关。打开连通阀，将泵出口阀打至最大，等待几分钟后关闭出口阀，反复开关管子上部的排气阀对管子进行排气。

5、在连通阀打开的情况下将排空阀开关几次对测压管进行排气。关闭连通阀再开排空阀几次对压差计调零。

6、将流量由小逐渐加大，流量每变一次需等待几分钟到压差计内读数稳定，记录下U型管的液柱高度差。

7、流量在增加过程中，其流速开始时增加的间隔较为缓慢，一般为10L/h。当流量增大到150L/h 后，便以50L/h 的流速来增加。

8、在实验过程中，U型管液柱高度差应当是逐步增加的，如果不符合这一规律，应当从流量为最大值时开始，逆向操作（即逐步减少流量），直至流量为零为止。此时，U型管液柱高度差应当是逐步减少的。

9、如果实验结果符合正常实验规律，即可终止实验。先关闭水的出口阀，再停泵，最后关闭电源开关；

10、局部阻力系数的测定与直管阻力的测定方法一样，只是通过转向阀使液体流入弯管。

11、打扫实验室卫生，整理好原始记录，交实验指导老师签字后再离开实验室。

四、实验注意事项与设备的维护保养

1、装置配备的U型管压差计内的指示液为水，20℃时密度为998.2kg/m³。

2、本装置的直管为垂直安装，与U型管压差计相连的两测压点垂直距离为1054mm,直管内径为15mm，绝对粗糙度ε＝0.2mm；

直管垂直安装，测压点测量的应为两截面间的势能差，包括了两者的代数和为ΣΔP＝（P₂－P₁）＋ρgΔZ。显然，ΔP_S＝ΣH_f＝λLρu²/(2d)，ρgΔZ则应为常数，且当u＝0时，ΔP_S＝ΣH_f＝0，ΣΔP取最大值,即ρgΔZ（此值可通过实验测定）。因此，实际的直管阻力ΣH_f＝ρgΔZ－ΣΔP。本实验装置的数据还可以用于验证层流条件下λ与Re数的关系。

3、设备的维修主要是料液泵，具体要求请参照泵的使用说明书和有关的电机手册；

4、设备使用一段时间后，如果管道连接件泄漏，可用维修的活动扳手禁锢连接螺母；

5、加密封生料带之后再紧锢，还不行，则必须更换管道接头或管道；

6、注意实验过程中切勿捕捉测量点，只能从大到小测，或从小到大有规律的测，若少测了数据则需重新开始实验。不能将流量打回所需测的数值另读一组数据。否则数据将有很大的偏离。

五、实验结果处理与要求

1、根据实验所测项目，设计原始数据记录表格。

2、验证层流时λ～Re的关系。

3、湍流时，流量由小（大）到大（小）测8～10组数据，计算λ、ζ、Re值。

4、在双对数坐标纸上绘出λ～Re曲线，并与书上λ～Re比较是否相符？

5、局部阻力原始记录表格与下表一致。

原始记录表格

温度：液体粘度：液体密度：管子内径：

思考题

1、管路要排气，若气未排尽，对实验结果有何影响？

2、本实验数据为什么要整理成λ～Re曲线，而不整理成λ～u线？

3、不同流体、不同管径及不同温度下的λ、Re数据能否关联到一条曲线上，为什么？

4、测压导管的粗细、长短对测量两点的压力差有无影响？

5、滞流、湍流、完全湍流（阻力平方区）时，摩擦系数λ与Re、ε/d各为何关系？

设备全图

水槽

管道

转子流量计

压差计