流体流动阻力

一．实验目的

1．学会流体阻力的测定方法；

2．测定流体在直管内流动时的摩擦摩擦阻力系数及阀门的局部阻力系数，找出摩擦系数λ与雷诺数Re之间的关系；

3．学习合理选用坐标系的方法。 二．实验原理

流体在管路中流动时，由于粘性剪应力和涡流的存在，不可避免地会引起流体压力损失。流体在流动时所产生的阻力有直管摩擦阻力和局部阻力。

1．直管阻力

流体流过直管时的摩擦系数与阻力损失之间的关系可用下式表示

lu2hf（J/kg） （1）

d2Pf式中：hf——直管阻力损失，J/kg；

l——直管长度，m；

d——直管内径，m；

u——流体的速度，m/s；

λ——摩擦系数。

在一定的流速和雷诺数下，测出阻力损失，按下式即可求出摩擦系数λ。

hfd2 （2） lu2阻力损失hf可通过对两截面间作机械能衡算求出

2p1p2u12u2hf(z1z2)g

ρ2对于水平等径直管z1z2，u1u2, 上式可简化为

hfp1p2 （3） ρ式中：p1p2——两截面的压强差，N/m2；

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ρ——流体的密度，kg/m3。

只要测出两截面上静压强的差即可算出hf。两截面上静压强的差可用U形管或倒U形管压差计测出。流速由流量计测得，在已知d、u的情况下只需测出流体的温度t，查出该温度下流体的密度ρ和粘度μ，则可求出雷诺数Re，从而得出流体流过直管的摩擦系数λ与雷诺数Re的关系。

2．局部阻力

流体流过阀门、扩大、缩小等管件时，所引起的阻力损失可用下式计算

u2hf（J/kg） （4）

2式中为局部阻力系数, 的值一般都由实验测定，它与流体流过的管件的几何形状以及流体的Re有关，当Re大到一定程度以后，ξ与Re数无关，成为定值。计算局部阻力系数时应注意扩大、缩小管件的阻力损失hf的计算。

对装置的测点5、6两断面列能量方程式，可求得阀门的局部水头损失及（L2+L3=120cm）长度上的沿程水头损失，以hw1表之，则:

hw1p5p6gh1 ρ对装置的测点7、8两断面列能量方程式，可求得阀门局部水头损失及（L1+L2=60cm）长度上的沿程水头损失，以hw2表之。则：

hw2 由此可得阀门的局部水头损失：

p7p8gh2 ρhw2hw2hw1g(2h2h1) （5）

u2 而 hw

2∴ 阻力系数：g(2(h7h8)(h5h6)) （6） 2u/23．倒U形压差计测压原理

该压差计两端分别与管道中的测压点相连接，当水流经管路时，由于左右测压点处的压力不同，引起倒U形管内的指示液（水）液面产生高度差，其值为R，可推导出：

P1P2R(气)g N/m2 （7）

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式中：P1P2为两测压点处的压强差 N/m；R为倒U形管内被测液体（水）的液面高度差m；为管路中液体（水）的密度Kg/m；气为管内空气的密度Kg/m；g为9.81m/s重力

3

3

2

2

加速度。

因>>气,故气，上式可简化为：P1P2Rg N/m （8）

2

为减少测量误差，在使用前应排除连接倒U形压差计的导管（测压导管）中的气泡。 三．实验装置

如图所示，本实验台采用架式排列，两组一套，分别由两台水泵自成循环系统。其管内径和管长（两测压接口之间长）均相同，测压口之间的压差由倒U形压差计测量，流量由两只电子流量计测量。由单相离心水泵进行循环输水，管路中设有入口阀（即泵的出口阀）等阀门。

图3-4 流体流动阻力测定实验装置

四．实验步骤

1．实验前的准备工作

（1）熟习实验装置，观察了解各部位及测量仪表状况，记录仪器常数d、L。

（2）记录沿程阻力设备常数管内径d、直管测压点距离L，以及球阀阻力设备常数管内径d、L1、L2。

（3）检查测压计液面是否水平（此时流量Q=O）,如果不在同一水平面上，必须将橡皮管内空气排尽，使两侧压管的液面处于水平状态，方能进行实验。

（4）阀门2为流量调节阀,可先调至较小开度。 2．沿程阻力的测定

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（1）关闭测点1、2、5、6、7、8、9、10、11、12的小阀。 （2）打开阀门2、4、5、9、10。 （3）关闭阀门3、6、7、8。

（4）通电开泵，调节泵出口流量调节阀2开度，使测压管5、6中出现高差。此时管中液位较高，可用压气球从13号测压管中打压，使液位降至中部。以增大测量范围。

（5）缓慢开启流量调节阀2使流量及压差都达到最大（如测压管中液位降得太低，可关小出水阀门，使液位抬高。如测压计中液位太高，可用压气球加压，压低液位)。

（6）待流量稳定后用电子流量计测流量，记录倒U形压差计h3、h4液位高度（其显示单位为cm）。

（7）调节阀门2，从大到小改变流量，流量的改变要均匀合理，以h3液位高度每次降低10cm为宜。待流量稳定后重复测量流量及倒U形压差计液位高，测取6~8组实验数据，用温度计测量水温。

3．阀门不同开启度阻力系数的测定

（1）关闭测点1、2、3、4、9、10、11、12的小阀。 （2）调节球阀至某一开启度（先做全开）。 （3）打开阀门2、3、6、9、10。 （4）关闭阀门4、5、7、8。

（5）通电开泵，调节泵出口流量调节阀2开度，使测压管5、6、7、8中出现压差，如管中液位太高，可从13号测压管打压，使液位降低，以增加测量范围。

（6）缓慢开启流量调节阀2，使流量及压差都达到最大（如测压管中液位降得太低，可关小出水阀门，使液位抬高。如测压计中液位太高，可用压气球加压，压低液位)。

（7）待流量稳定后用电子流量计测流量，记录倒U形压差计h5、h6、h7、h8液位高度（其显示单位为cm）。

（8）调节流量调节阀2，从大到小改变流量，待流量稳定后重复测量数据。共测量3组不同流量对应的倒U形压差计液位高度。

（9）调节球阀开度到30°，调节流量调节阀2从大到小改变流量，重复测量3组实验数据。

注意事项：如出现测压管冒水现象，不必惊慌，可把出水阀门全开，或停泵重做。 4．所有管路测量完毕后，关闭泵出口流量调节阀2，断电停泵。 五．实验报告要求与数据处理

1. 根据实验结果在双对数坐标纸上绘制直管的λ—Re关系曲线图。

2. 将实验所得到的关系曲线与标准的曲线进行比较，并对出现的误差进行分析。

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沿程阻力系数测定实验记录表

实验日期：20 年 月 日

管内径d = __14__ mm 直管测压点距离L = __2.0 _ m 序号 h3 (cm) h4 (cm) △h (cm) Q (cm/s) t（℃） 1 2 3 4 5 6 7 8 3u(m/s) Re λ 数据整理汇总： lg lgRe 如无双对数坐标纸，可依据上述数据在普通坐标纸上画出直管的λ—Re关系曲线。

阀门不同开启度阻力系数测定实验记录表

实验日期：20 年 月 日

管内径d = _19_ mm L1 = _20 cm L2 = _40_ cm L3 = _80 cm 开启度 序h5 h6 号 (cm) (cm) 1 全开 2 3 1 30° 2 3 △h1 h7 h8 △h2 2△h2-△h1 (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) Q u 3(cm/s) (m/s) ξ 阀门全开时平均=________ 阀门30°时平均=________ 六．思考题

1. 压差计的测压导管的粗细、长短对测量两点的压差有无影响？为什么？ 2. 为何本实验数据在双对数坐标纸上进行标绘？

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