流体流动阻力测定.doc

一、实验目的
1、 掌握流体经直管和管阀件时阻力损失的测定方法。通过实验了解流体流动中能量损失的变化规律。
2、 测定直管摩擦系数λ于雷诺准数Re的关系。
3、 测定流体流经闸阀等管件时的局部阻力系数ξ。
4、 学会压差计和流量计的适用方法。
5、 观察组成管路的各种管件、阀件，并了解其作用。
二、基本原理
流体在管内流动时，由于粘性剪应力和涡流的存在，不可避免得要消耗一定的机械能，这种机械能的消耗包括流体流经直管的沿程阻力和因流体运动方向改变所引起的局部阻力。
1、 沿程阻力
流体在水平均匀管道中稳定流动时，阻力损失表现为压力降低。即

影响阻力损失的因素很多，尤其对湍流流体，目前尚不能完全用理论方法求解，必须通过实验研究其规律。为了减少实验工作量，使实验结果具有普遍意义，必须采用因次分析方法将各变量组合成准数关联式。根据因次分析，影响阻力损失的因素有，
(a)流体性质：密度ρ、粘度μ；
(b)管路的几何尺寸：管径d、管长l、管壁粗糙度ε；
(c)流动条件：流速μ。
可表示为：

则
式中，
管径，m；
直管阻力引起的压强降，Pa；
管长，m；
流速，m/s；
流体的密度，kg/m3；
流体的粘度，N·s/m2。
λ—称为摩擦系数。层流时，λ＝64／Re；湍流时λ是雷诺准数Re和相对粗糙度的函数，须由实验确定
2、局部阻力
局部阻力通常有两种表示方法，即当量长度法和阻力系数法。
(a)当量长度法
流体流过某管件或阀门时，因局部阻力造成的损失，相当于流体流过与其具有相当管径长度的直管阻力损失，这个直管长度称为当量长度，用符号Σ le表示。
则流体在管路中流动时的总阻力损失 为

(b)阻力系数法
流体通过某一管件或阀门时的阻力损失用流体在管路中的动能系数来表示，这种计算局部阻力的方法，称为阻力系数法。
即

式中，ξ——局部阻力系数，无因次；
u ——在小截面管中流体的平均流速，m／s
由于管件两侧距测压孔间的直管长度很短，引起的摩擦阻力与局部阻力相比，可以忽略不计。因此hf之值可应用伯努利方程由压差计读数求取。
三、 实验装置与流程
1、实验装置：主要部分由离心泵，不同管径、材质的管子，各种阀门和管件、转子流量计等组成。从上向下第一根为不锈钢光滑管，第二根为镀锌铁管，分别用于光滑管和粗糙管湍流流体流动阻力的测定。第三根为不锈钢管，其上装有待测管件（闸阀），用于局部阻力的测定。 第四根，为内径为10mm的细铜管，用于层流流动阻力的测定。

图1 流体流动阻力测定实验装置流程图
(1)—大流量调节阀；(2)—大流量转子流量计；(3)—光滑管调节阀；(4)—粗糙管调节阀；(5)—光滑管；(6)—粗糙管；(7)—局部阻力阀；(8)—离心泵；(9)—排水阀；(10)倒U管(11) (11')—近端测压点；(12)(12')—远端测压点；(13)(13')—切断阀；(14)(14')—放空阀；(15)(15')—光滑管压差；(16)(16')—粗糙管压差；(17)—数字电压表；(18)—压差变送器
2、装置结构尺寸
表1 装置参数
名称
材质
管内径/mm
测试长度/m
装置1
装置2
光滑管
不锈钢食品管
28.974
28.4755
1.2
粗糙管
镀锌铁管
27.7406
27.7406
1.2
局部阻力
闸阀
27.8878
27.8878
1.2
层流管
钢管
8
8
2.5
3、倒U型压差计的使用：
（1）排出系统和导压管内的气泡。（调节前要保证系统有比较高的水压）
关闭进气阀门3、出水活塞5和平衡阀门4。打开高压侧阀门1、低压侧阀门2。（注：水经过系统管路、高压侧阀门、倒U型管、低压侧阀门1排出系统。）
（2）吸入空气、平衡水位。
关闭1和2两个出入水阀门，打开进气阀3、平衡阀4。缓慢开启出水活塞5，使玻璃管内的水管吸入空气到水柱高度为30cm，关闭阀4、5、3。
（3）待用与使用。
然后打开1和2两个阀门。液位压差计即处于可使用状态。

四、实验步骤
整个管道可以分为光滑管、粗糙管、闸阀、层流管四路，每次只开启其中的一路，其它旁路一般要关闭。
1、光滑管、粗糙管、闸阀实验
（1）开启离心泵，调节阀门，使水通过其中一路，其他三路关闭。
（2）压差计排气调零。
（3）调流量，测流速。
流量从1 m3 /h开始，每次改变0.4m3 /h，测量压差。若实验结果不理想，需重做。
2、层流实验
（1）开另外一路，以降低该管路的水压。
（2）开启这一路。
（3）压差计排气调零。
（4）调不同流量（流量由流量计控制，测定6组以上流量数据，数据点一般均匀分布），记录流速和压差。
五、数据记录与处理
实验温度 t=18.9℃
查数据可知 黏度：1.0299 mPa·s 密度：998.3 kg/m3
表一 原始实验数据

流量
L／h
光滑管
粗糙管
闸阀
H1
cm
H2
cm
△H
cm
H1
cm
H2
cm
△H
cm
H1
cm
H2
cm
△H
cm
5800
27.5
54.3
26.8
3.6
78.2
74.6
19.8
43.2
23.4
5200
28.4
50.6
22.2
9.4
58.7
49.3
20.6
39.4
18.8
4600
29.1
47.2
18.1
13.5
61.4
47.9
21.0
35.5
14.5
4000
29.8
43.8
14
17.6
53.9
36.3
21.5
32.7
11.2
3400
30.3
41.0
10.7
21.3
47.2
25.9
21.8
29.9
8.1
2800
30.6
38.5
7.9
23.3
42.6
19.3
21.9
27.3
5.4
2200
31.1
36.2
5.1
26.3
37.2
10.9
21.7
25.2
3.5
1600
31.5
34.3
2.8
27.6
34.4
6.8
21.9
23.5
1.6
∵1000L=1m3，∴以V=5.8m3/h为例，hf=△p /ρ=g△H=9.81×0.268=2.629 J/kg
，
， L=1.2m，d=28.974mm， ∴λ=0.02124，Re=3012.98
表二 实验处理结果
序号
光滑管阻力
粗糙管阻力
局部阻力
直管摩擦系数λ×103
雷诺数
Re
直管摩擦系数
λ×103
雷诺数
Re
局部阻力系数
ξ
1
21.24
3012.98
47.57
1345.41
0.6593
2
21.89
2923.68
39.11
1636.43
0.6589
3
22.81
2806.17
48.56
1318.01
0.6495
4
23.33
2743.27
48.67
1315.08
0.6634
5
24.68
2593.28
48.06
1331.67
0.6641
6
26.87
2382.13
52.81
1211.98
0.6528
7
28.09
2277.99
48.31
1324.82
0.6854
8
29.16
2194.61
56.98
1123.23
0.5923

（1）粗糙管
由数据作图得：

（2）柏拉修斯公式: λ=(0.3164)/Re^(0.25)，上式适用范围为Re=3*103~1*105
项目
1
2
3
4
5
6
7
8
实验λ×103
21.24
21.98
22.81
23.33
24.68
26.87
28.09
29.16
计算λ×103
42.71
43.03
43.47
43.72
44.34
45.29
45.80
46.23
相对误差/％
50.27
48.92
47.53
46.64
44.34
40.67
38.67
36.92

（3）根据局部阻力实验结果，闸阀全开时的平均ξ为：
ξ=(0.6593+0.6589+0.6495+0.6634+0.6641+0.6528+0.6854+0.5923)/8=0.6532
六、实验结果分析与讨论
从实验数据看我们实验的误差相对还是蛮大的，说明我们在实验操作与实验数据记录与处理过程中存在误差。造成实验误差的主要原因有：
（1） 在转子流量计的调节过程中，凹液面并没有完全与5800、1600等的刻度线数值完全对齐，造成实验误差；
（2） 在读取液柱高度数据时，在判断液面是否稳定时存在视觉误差；
（3） 流量未控制得当，未在平衡时读数；
(4) 实验所用的装置本身存在误差，实验所用的各种显示数据的仪表也存在一定误差。
七、思考题
1、流体流动时为什么会产生摩擦阻力？摩擦阻力以哪几中形式反映出来？
答：流体的黏性是产生阻力的主要原因，由于管壁间的摩擦易产生摩擦阻力形式有沿程阻力和局部阻力。
2、如何检验测试系统内的空气已经被排除干净？若测压管道中存有气体将对测量带来什么影响？
答：实验开始前和结束后，都应关闭泵的出口阀，检查倒U型压差计各臂读数是否相同，如不相等，则测压系统中有气泡，需重新排气。
3、以水做介质所测得的？关系能否适用于其他流体？
答：可以用于牛顿流体的类比，牛顿流体的本构关系一致，应该类似平行的曲线，但 雷诺数本身并不十分准确，建议取中间段曲线，不要用两边端数据。
4、若要减少流动时的阻力，你认为从哪些方面着手去解决?
答：在管道壁上施加电场来减小流动阻力，让流体以喷淋的方式流动。