單相流動(dòng)阻力測(cè)定實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.了解流體流動(dòng)阻力的測(cè)定原理及方法：

2.測(cè)定流體流過直管時(shí)的摩擦阻力，并確定摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系；

3.測(cè)定流體流過管件時(shí)的局部阻力，并求出阻力系數(shù)；

4.了解與本實(shí)驗(yàn)有關(guān)的各種流量測(cè)量?jī)x表、壓差測(cè)量?jī)x表的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和安裝方式，掌握其測(cè)量原

理、學(xué)會(huì)正確使用。

二、實(shí)驗(yàn)原理

流體在管路中流動(dòng)時(shí)，由于粘性剪應(yīng)力和渦流的存在，不可避免地會(huì)引起壓強(qiáng)損耗。這種損耗

包括流體經(jīng)過直管的沿程阻力以及因流體運(yùn)動(dòng)方向改變或因管子大小形狀改變所引起的局部阻力。

1.沿程阻力

流體在水平均勻管道中穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，由截面1到截面2,阻力損失表現(xiàn)在壓強(qiáng)的降低。

影響阻力損失的因素十分復(fù)雜，目前尚不能用理論方法求解，必須通過實(shí)驗(yàn)研究其規(guī)律。為了

減少實(shí)驗(yàn)工作量，擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)用范圍，可采用因次分析法將各變量綜合成準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式。

影響阻力損失的諸因素由：

（1）流體性質(zhì)：密度，粘度；

（2）管路的幾何尺寸：管徑，管長(zhǎng)，管壁粗糙度；

（3）流動(dòng)條件：流速。

2.局部阻力

局部阻力通常有兩種表示方法，即當(dāng)量長(zhǎng)度法和阻力系數(shù)法。

（1）當(dāng)量長(zhǎng)度法

流體流過某管件或閥門時(shí)，因局部阻力造成的損失，相當(dāng)于流體通過與其具有相同管徑的若干

米長(zhǎng)度的直管阻力損失，這個(gè)直管長(zhǎng)度稱為當(dāng)量長(zhǎng)度。

（2）阻力系數(shù)法

流體通過某一管件或閥門的阻力損失用流體在管路中的動(dòng)能系數(shù)來表示。由于管件兩側(cè)距測(cè)壓

孔間的直管長(zhǎng)度很短，引起的摩擦阻力與局部阻力相比，可以忽略不計(jì)，因此動(dòng)能系數(shù)之值可應(yīng)用

伯努利方程由壓差計(jì)讀數(shù)求出。

三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的功能與特點(diǎn)

本實(shí)驗(yàn)裝置可用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研。利用該實(shí)驗(yàn)裝置，可學(xué)習(xí)和掌握光滑直管、粗糙直管的阻

力系數(shù)與雷諾準(zhǔn)數(shù)的測(cè)量方法；也可學(xué)習(xí)局部阻力的測(cè)量方法；學(xué)習(xí)幾種壓差測(cè)量方法；加深對(duì)流

體流動(dòng)阻力概念的理解。

本實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)：

⑴本實(shí)驗(yàn)裝置數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重現(xiàn)性好，能給實(shí)驗(yàn)卷明確的流體流動(dòng)阻力概念。

(2)雷諾準(zhǔn)數(shù)的數(shù)據(jù)范圍寬，可作出10°?10：三個(gè)數(shù)量級(jí)。能夠測(cè)量出光滑管、粗糙管的阻力系

數(shù)與雷諾準(zhǔn)數(shù)的關(guān)系，同時(shí)也可以測(cè)量閥門局部阻力。

⑶實(shí)驗(yàn)采用循環(huán)水系統(tǒng)，節(jié)約實(shí)驗(yàn)費(fèi)用。

⑷測(cè)量系統(tǒng)采用量程不同的兩種流量計(jì)和壓差測(cè)量?jī)x表，測(cè)量精度較高。

⑸采用壓力傳感器一數(shù)字表系統(tǒng)，測(cè)量大流量下的流體流動(dòng)阻力，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠.

四、設(shè)備的主要技術(shù)數(shù)據(jù)

1.被測(cè)光滑直管段：管徑d—0.008m：管長(zhǎng)L—1.69m：材料一不銹鋼管

被測(cè)粗糙直管段：管徑d—0.010m；管長(zhǎng)L—1.69m；材料一不銹鋼管

被測(cè)局部阻力直管段：管徑d-0.015m;管長(zhǎng)L-1.2m；材料一不銹鋼管

2.壓力傳感器：

型號(hào):LXWY測(cè)量范圍：200KPa

3.直流數(shù)字電壓表:

型號(hào)：PZ139測(cè)量范圍：0?200KPa

4.離心泵：

型號(hào)：WB70/055流量:8(m3/h)揚(yáng)程：12(m)電機(jī)功率：550(W)

5.玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)：

型號(hào)測(cè)量范圍精度

LZB—40100?1000(L/h)1.5

LZB—1010?100(L/h)2.5

*Z-

￥

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-X■

>

?

.?

■+

圖1流動(dòng)阻力實(shí)驗(yàn)流程示意圖

1-水箱：2-離心泵：3、4-放水閥；5、13-緩沖罐；6-局部阻力近端測(cè)壓閥：7、15-局部阻力遠(yuǎn)端測(cè)壓

閥；8、20-粗糙管測(cè)壓回水閥；9、19-光滑管測(cè)壓閥；10-局部阻力管閥；11-U型管進(jìn)水閥：12-壓力傳

感器：14-流量調(diào)節(jié)閥；15、16-水轉(zhuǎn)子流量計(jì)；17-光滑管閥；18-粗糙管閥；21-倒置U型管放空閥；

22-倒置U型管：23-水箱放水閥：24-放水閥：

實(shí)驗(yàn)流程示意圖見圖U水泵2將儲(chǔ)水槽1中的水抽出，送入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，首先經(jīng)玻璃轉(zhuǎn)子流

量計(jì)15、16測(cè)量流量，然后送入被測(cè)直管段測(cè)量流體在光滑管或粗糙管的流動(dòng)阻力，或經(jīng)10測(cè)量

局部阻力后回到儲(chǔ)水槽，水循環(huán)使用。被測(cè)直管段流體流動(dòng)阻力Ap可根據(jù)其數(shù)值大小分別采用變

送器12或空氣-水倒置U型管22來測(cè)量。

五、實(shí)驗(yàn)方法及步驟

1.向儲(chǔ)水槽內(nèi)注水，直到水滿為止。（有條件最好用蒸儲(chǔ)水，以保持流體清潔）

2.直流數(shù)字表的使用方法請(qǐng)?jiān)敿?xì)閱讀使用說明書。

3.大流量狀態(tài)下的壓差測(cè)量系統(tǒng)，應(yīng)先接甩預(yù)熱10?15分鐘，調(diào)好數(shù)字表的零點(diǎn)，然后啟動(dòng)泵進(jìn)

行實(shí)驗(yàn)。

4.光滑管阻力測(cè)定

⑴關(guān)閉粗糙管閥18、粗糙管測(cè)壓進(jìn)水閥20、粗糙管測(cè)壓回水閥8,將光滑管閥17全開。

⑵倒U管的調(diào)零，操作方法如下：

在流量為零條件下，打開光滑管測(cè)壓進(jìn)水閥19和回水閥9,旋開倒置U型管進(jìn)水閥11,檢查玻

璃管內(nèi)液柱高度差是否為零；

若倒置U型管內(nèi)液柱高度差不為零，則表明導(dǎo)壓管內(nèi)存在氣泡，需要進(jìn)行趕氣泡操作，導(dǎo)壓系

統(tǒng)如圖2所示；

開大流量，使倒置U型管內(nèi)液體充分流動(dòng)，以趕出管路內(nèi)的氣泡；

若認(rèn)為氣泡已趕凈，將流量閥關(guān)閉；

慢慢旋開倒置U型管上部的放空閥21,打開排水閥4（或3）,管內(nèi)形成氣-水柱，液柱降至管

中心位置附近時(shí)馬上關(guān)閉；

隨后開啟排水閥3（或4）,以前面調(diào)節(jié)的高度為基準(zhǔn)，左右玻璃管的水柱高度相等，此時(shí)管內(nèi)

液柱高度差應(yīng)為零；

最后關(guān)閉放空閥21,倒U管的調(diào)零完成。

得

22

又『■一色中

圖2導(dǎo)壓系統(tǒng)示意圖

3,4-排水閥;8-粗糙管測(cè)壓回水閥;9-光滑管測(cè)壓回水閥；11-U型管進(jìn)水閥；12-直管壓力傳感器；

20-粗糙管測(cè)壓進(jìn)水閥；21-U型管放空閥；22-U型管

⑶該裝置兩個(gè)轉(zhuǎn)子流量計(jì)并聯(lián)連接，根據(jù)流量大小選擇不同量程的流量計(jì)測(cè)量流量。

⑷差壓變送器與倒置u型管也是并聯(lián)連接，用于測(cè)量直管段的壓差，小流量時(shí)用倒置U型管壓

差計(jì)測(cè)量，大流量時(shí)用差壓變送器測(cè)量。應(yīng)在最大流量和最小流量之間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，一般測(cè)取15?20

組數(shù)據(jù)。建議當(dāng)流量小于100L/h時(shí)，只用倒置U型管來測(cè)量壓差。

5.粗糙管阻力測(cè)定

（1）關(guān)閉閥17、光滑管則壓進(jìn)水閥19、光滑管測(cè)壓回水閥9,全開閥18,旋開粗糙管測(cè)壓進(jìn)

水閥20、粗糙管測(cè)壓回水閥&逐漸調(diào)大流量調(diào)節(jié)閥，抖出導(dǎo)壓管內(nèi)氣泡。

（2）從小流量到最大流量，一般測(cè)取15~20組數(shù)據(jù)。

（3）直管段的壓差用差壓變送器測(cè)量。

光滑管和粗糙管直管阻力的測(cè)定使用同一差壓變送器，當(dāng)測(cè)量光滑管直管阻力時(shí)，要把通向粗

糙管直管阻力的閥門關(guān)閉；同樣當(dāng)測(cè)量粗糙管直管阻力時(shí)，要把通向光滑管直管阻力的閥門關(guān)閉。

6.局部阻力測(cè)定

關(guān)閉閥門17和18,全開或半開閥門10,改變流量，用差壓變送器測(cè)量遠(yuǎn)點(diǎn)、近點(diǎn)壓差。

遠(yuǎn)點(diǎn)、近點(diǎn)壓差的測(cè)量使用同一差壓變送器。當(dāng)測(cè)量遠(yuǎn)點(diǎn)壓差時(shí)，要把通向近點(diǎn)壓差的閥門關(guān)

閉；同樣當(dāng)近點(diǎn)壓差時(shí)，要把通向遠(yuǎn)點(diǎn)壓差的閥門關(guān)閉。

7.測(cè)取水箱水溫。

8.待數(shù)據(jù)測(cè)量完畢，關(guān)閉流量調(diào)節(jié)閥，停泵。

六、數(shù)據(jù)記錄與處理

表一、直管阻力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

光滑直管內(nèi)徑8.0mm、管長(zhǎng)1.69米

t=U=P=

序壓差表U型管讀數(shù)△PU

QReA

號(hào)(L/h)（KPa）左（cmH2O）右(Pa)(m/s)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

表二、直管阻力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

粗糙直管內(nèi)徑10.0mm、管長(zhǎng)1.69米

t=u=P=

序

Q壓差表U型管讀數(shù)△PU

號(hào)ReX

(L/h)(KPa)左(cmHzO)右(Pa)(m/s)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

表三、局部阻力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

序Q近端壓差遠(yuǎn)端壓差U局部阻力壓差

阻力系數(shù)C

號(hào)(L/h)(KPa)(KPa)(m/s)(Pa)

1

2

3

4

5

6

七、數(shù)據(jù)處理與分析

八、使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備應(yīng)注意的事項(xiàng)

1.直流數(shù)字表操作方法請(qǐng)仔細(xì)閱讀說明書后,方可使用。

2.啟動(dòng)離心泵之前，以及從光滑管阻力測(cè)量過渡到其它測(cè)量之前，都必須檢查所有流量調(diào)節(jié)閥

是否關(guān)閉。

3.利用壓力傳感器測(cè)量大流量下4P時(shí),應(yīng)切斷空氣一水倒置U型玻璃管的閥門18、20否則影

響測(cè)量數(shù)值。

4.在實(shí)驗(yàn)過程中每調(diào)節(jié)一個(gè)流量之后應(yīng)待流量和直管壓降的數(shù)據(jù)穩(wěn)定以后方可記錄數(shù)據(jù)。

5.較長(zhǎng)時(shí)間未做實(shí)驗(yàn)，啟動(dòng)離心泵之前應(yīng)先盤軸轉(zhuǎn)動(dòng)，否則易燒壞電機(jī)。

九、思考題

預(yù)習(xí)報(bào)告思考題：1.本次實(shí)驗(yàn)在安全方面需要注意哪些問題？

2.本實(shí)驗(yàn)涉及到哪啤測(cè)量?jī)x器？如何讀數(shù)？

3.本實(shí)驗(yàn)的三個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表有何區(qū)別？

實(shí)驗(yàn)報(bào)告思考題：1.本次實(shí)驗(yàn)中，使用的倒U型管和壓力傳感器有哪些相同點(diǎn)？又有何區(qū)別？

2.本次實(shí)驗(yàn)中，管路閥門、轉(zhuǎn)子流量計(jì)閥門及離心泵開關(guān)，在啟動(dòng)時(shí)三者

順序如何？關(guān)閉時(shí)三者的順序又如何？

十、附錄

1.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算及結(jié)果

⑴直管摩擦系數(shù)2與雷諾數(shù)Re的測(cè)定

直管的摩擦阻力系數(shù)是雷諾數(shù)和相對(duì)粗糙度的函數(shù)，即；l=/(Re,￡/d),對(duì)一定的相對(duì)粗糙度

而言，2=/(Re)<,

流體在一定長(zhǎng)度等直徑的水平圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，其管路阻力引起的能量損失為：

hf=」——-=-L(1)

PP

又因?yàn)槟Σ磷枇ο禂?shù)與阻力損失之間有如下關(guān)系(范寧公式)

整理（1）（2）兩式得

2d蜴

式中：c/一管徑，m；

△Pf-直管阻力引起的壓強(qiáng)降，Pa；

/一管長(zhǎng)，m：

〃一流速，1TI/S；

--流體的密度,kg/n?；

2

〃—流體的粘度，N,s/mo

在實(shí)驗(yàn)裝置中，直管段管長(zhǎng)/和管徑d都已固定。若水溫一定，則水的密度P和粘度口也是定

值。所以本實(shí)驗(yàn)實(shí)質(zhì)上是測(cè)定直管段流體阻力引起的壓強(qiáng)降A(chǔ)Pf與流速u（流量V）之間的關(guān)系。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和式（3）可計(jì)算出不同流速下的直管摩擦系數(shù)入，用式（4）計(jì)算對(duì)應(yīng)的Re,從

而整理出直管摩擦系數(shù)和雷諾數(shù)的關(guān)系，繪出X與Re的關(guān)系曲線。

⑵局部阻力系數(shù)，的測(cè)定

2)\Pf

式中：，一局部阻力系數(shù)，無因次:

局部阻力引起的壓強(qiáng)降，Pa：

后一局部阻力引起的能量損失,J/kg。

△耳,ab△Pf,be

圖3局部阻力測(cè)量取壓口布置圖

局部阻力引起的壓強(qiáng)降可用下面的力法測(cè)量：在?條各處直徑相等的直管段上，安裝待測(cè)

局部阻力的閥門，在其上、下游開兩對(duì)測(cè)壓口a-a，和b-b，，見圖3,使

ab=bc；a‘b'=b'c'

則△Pf.ab=APf.be；△Pf.a,b=APf.b'c'

在@~@'之間列柏努利方程式：Pa—Pa，=2APf.ab+2APf.a.b'+△?'f(7)

在卜了之間列柏努利方程式：Ph-Pb'=APf.bc+APf.bzcz+APf

=APf.ab+APf.a'b'+APf(8)

聯(lián)立式(7)和(8),則：

AP/、=2(Pb—Pb，)-(Pa-Pa)

為了實(shí)驗(yàn)方便，稱(Pb—P")為近點(diǎn)壓差，稱(Pa—PQ為遠(yuǎn)點(diǎn)壓差。用差壓傳感器來測(cè)量。

2.計(jì)算舉例(以第1套設(shè)備為例)

實(shí)驗(yàn)水溫水17.4C,粘度〃=1.10X10”(Pa.s),密度夕=水8.20(kg//)

(1)光滑管、小流量數(shù)據(jù)：Q=50(L/h)AP=28(mm%0)

管內(nèi)流速“請(qǐng)?jiān)珞缙鱋'(m/s)

阻力降=pgh=1000x9.81x28/1000=274.6(Pa)

雷諾數(shù)Re二4±20.008x0.28x998.20

=2032

1.10x10-3

4

2dAP-2x0.008274.6