實驗一流體流動阻力的測定

一、實驗目的

1.了解流體流過直管或管件阻力的測定方法。

2.掌握直管摩擦系數人與雷諾數Re之間關系的變化規律。

3.熟悉液柱壓差計和轉子流量計的使用方法。

4.測定流體流過閥門、變徑管件（突然擴大、突然縮小）的局部阻力系數

二、實驗內容

1.測定流體流經直管（不銹鋼管、鍍鋅管）時摩擦系數人與雷諾數Re之間關系。

2.測定全開截止閥、突然擴大及突然縮小的阻力系數

三、基本原理

流體在管路中流動時，由于粘性剪應力和渦流的存在,不可避免地引起流體壓力的損失。流

體在流動時所產生的阻力有直管摩擦阻力（又稱沿程阻力）和管件的局部阻力。這兩種阻力,

一般都是用流體的壓頭損失hf或壓強降（Pf表示。

L直管阻力

直管摩擦阻力hf與摩擦系數\之間關系（范寧公式）如下：

(1—D

-直管阻力損失,

直管長度，

直管內徑，m；

流體平均速度,m/s；

摩擦系數，無因次。

其中摩擦系數人是雷諾數Re和管壁相對粗糙度￡/d的函數，即入二f（Rc,￡/d）。對一定相對粗

糙度而言，X=f（Re）；人隨￡/d和Re的變化規律與流體流動的類型有關。層流時，入僅隨Re

變化,即人=f（Re）；湍流時，入既隨Re變化又隨相對粗糙度￡/d改變,即人=f（Re,￡/d）。

據柏努利方程式可知阻力損失hf的計算如下：

22

P1-P2產2

hf=(Zi-Z2)g+一“(1-2)

P2

當流體在等直徑的水平管中流動時，產生的摩擦阻力可由式(1-2)化簡而得:

ht=(1-3)

P

式中(——流體的平均密度，kg/m3；

pi——上游測壓截面的壓強，Pa；

P2——下游測壓截面的壓強，Pa；

(p——兩測壓點之間的壓強差，Pa；

(pf單位體積的流體所損失的機械能，Pao

其中壓強差(p的大小采用液柱壓差計來測量，即在實驗設備上于待測直管的兩端或管件兩

側各安裝一個測壓孔，并使之與壓差計相連，便可測出相應壓差(p的大小。本實驗的工作介

質為水，在一定的管路中流體流動阻力的大小與流體流速密切相關。流速大，產生的阻力

大，相應的壓差大；流速小，阻力損失小，對應的壓差也小。為擴大測量范圍，提高測量的

準確度，小流量下用水一空氣(型壓差計；大流量下用水一水銀U型壓差計。據流體靜力學

原理，對水一空氣(型壓差計，壓差(p為

Ap=(p-p空氣)gAR弋pgAR(1—4)

式中(R——壓差計的讀數，mH20；

g---重力加速度，m/s2；

(空氣——空氣在操作條件下的密度，Kg/m3o

對于水一水銀U型壓差計，有

△p=(pHg—p)gAR(1—5)

式中(Hg——水銀的密度，kg/m3o

其余符號的意義同式(1-4)。

整理(1—1)和(1—3)兩式得：

、2dNp

入=——7—(1—6)

P

而Re=(1—7)

式中——流體的平均粘度，Pa-So

在實驗設備中，管長1與管內徑d已固定，用水進行實驗，若水溫不變，則(與(也是定值。所

以該實驗即為測定直管段的流動阻力引起壓強降(P與流速的關系。流量Vh的測定用轉子流

量計，據管內徑的大小可算出流速u的值。調節一系列的流量就可測定和計算一系列的(與

Re值，在雙對數坐標中繪出一Re關系曲線。

2.局部阻力

局部阻力是由于流體流經管件、閥門及流量計時，因流速的大小和方向都發生了變化，流

體受到干擾和沖擊，渦流現象加劇而造成的。局部阻力通常有兩種表示方法，即當量長度

法和阻力系數法。當量長度法是將流體流過管件或閥門而產生的局部阻力，用相當于流體

流過與其具有相同管徑的若干米長的直管阻力損失來表示，這個直管長度稱為當量長度,

用le表示。其特點是便于管路總阻力的計算。而局部阻力的測定通常采用阻力系數法。

據阻力計算通式

h尸(1—8)

式中一一局部阻力系數，無因次；

u——在小截面管中流體的平均流速，m/so

對于處在水平管路上的管件或閥門亦有式(1—3)這一關系，由此可知

Ap=\pf=phf(1—9)

即兩測壓點間的壓強差△〃等于因流動阻力而引起的壓強降△心

(1)全開的截止閥

式(1—9)中(pf為兩測壓點間的局部阻力與直管阻力之和。由于管件或閥門距測壓孔的直管

長度很短，引起的摩擦阻力與局部阻力相比可以忽略,(pf可近似認為全部由局部阻力損失引

起。

△pf的大小通過測量Ap來獲得。由于全開的截止閥的阻力系數較大??所以Ap采用水一水銀U

型壓差計來測量??原理同式△□—?????由式△□—????和式△□一可????導出：

(1—10)

的大小與管徑、閥門的材料及加工精度有關。

⑵突然擴大與突然縮小

在水平管的兩測壓點間列柏努力方程式

=+hf(1一11)

局部阻力lif—十(1—12)

式中pl——上游測壓截面的壓強，Pa；

p2——下游測壓截面的壓強，Pa；

u1上游側管內流體的流速，m；s；

□2——下游側管內流體的流速，m；1so

由此可見,(pf的大小除了包括局部阻力損失和可忽略的摩擦阻力損失之外，還包括動能和靜

壓能之間能量轉換值。由于突然獷大與突然縮小阻力系數W1,(p可由水一空氣(型壓差計

來測量，而阻力系數(可由式(1—4)、式(1—8)、式(1—12)聯立求得。特別注意(p與動能變化

的正負值。同樣調節一系列的流量，可獲取相應的阻力系數(值。

四、實驗裝置與流程

1.實驗流程

實驗裝置流程如圖所示。水由離心泵從循環水槽中抽出，經兩個并聯的轉子流量計計量后

通過閥門控制流體流經不同的管路系統，最后流回水槽循環使用。管路系統中兩根不同材

料的直管用于測定直管阻力、第三根用于測定截止閥、突然擴大與突然縮小的局部阻力。

2.測壓系統

測壓系統采用U型、(型兩類壓差計。本裝置有三套水一水銀U型壓差計，四套水一空氣(型

壓差計，根據流量大小選用不同的壓差計來測量管件的壓力降。所有壓差計在使用前都需

進行排氣操作。

3.流量測量

大流量，用大轉子流量計(LZB-80)測量；小流量，用小轉子流量計(LZB-40)測量。

4.主要設備尺寸

(1)DN25鍍鋅管:d內=27.5mm,l=3.5m；

(2)DN25不銹鋼管：d內=27.5mm,l=3.5m；

(3)DN25不銹鋼截止閥；

(4)d1=27.5mm,d2=52.5mm的突然擴大；dl=52.5mm,d2=27.5mm的突然縮小，材質均為不銹

鋼。

⑸1ST托架式單極單吸離心泵，規格：IST65-50-125；

(6)不銹鋼水槽：長1200mm(寬600mm(高800mm。

五、實驗步驟

1.熟悉實驗裝置，了解各閥門、旋塞的作用。

2.檢查水槽是否充滿水，給水槽注水。

3.關閉離心泵的出口閥，防止因啟動電流太大而損壞電動機。同時關閉應該關閉的閥門,

以防液體滲漏，影響流量和壓強的測量。

4.檢查泵軸、葉輪是否轉動。若轉動靈活，接通電源，打開開關，啟動離心泵。

5.排氣

(1)管路排氣。在大流量下，使管內呈單相穩定流動，

測壓導管排氣。對待測管路上的壓差計的引壓管依次排氣：在大流量下，打開U型壓差計上

端的放氣旋塞，排除引壓管內的氣泡；(型壓差計的排氣，將其上端的放氣旋塞打開，直至

連續出水為止，之后調整其液位為滿刻度的1/2高度。

檢查排氣是否完善。將水量開大后，再關閉離心泵的出口閥，觀察壓差計兩端的液位是否

平齊。若不平齊，繼續排氣操作。注意(型壓差計的流量不得超過6m3/h。

流體流動阻力實驗裝置流程圖

1.離心泵2.泵開關3.泵出口調節閥4.球閥5.轉子流量計6.光滑管7.粗糙管

&突然擴大9.突然縮小10.截止閥11.水槽12.壓差計面板13.U型壓差計14.（型壓差計

6.數據測量

⑴測量阻力的順序依次為光滑管、粗糙管、局部阻力（閥門、突然擴大、突然縮小同時測

量），實驗數據記錄在原始數據表中。

⑵直管阻力

⑶用離心泵的出口閥來調節流量作實驗。調節一個閥門開度，須經一定時間穩定后，記錄

一個流量，同時記錄壓差計的讀數。實驗從最小流量到最大流量依次測取12?15組數據。

為盡可能使實驗數據在對數坐標中分布均勻，用小流量計測取5?6組數據，用大流量計測

取7?9組數據。

（4）局部阻力

7.局部阻力的測定與直管阻力的測定步驟相同。在2.0m3/h?6.0m3/h之間，按從小到大的

順序依次測5組數據。

實驗結