实验一 流体流动阻力的测定
一．实验目的：
(1) 了解流体流动阻力的测定方法。
(2) 测定流体流过直管时的摩擦阻力，并确定摩擦系数与雷诺数Re的关系。 (3) 测定流体流过管件（本实验为截止阀、闸阀、弯管、突然扩大及突然缩小）
时的局部阻力，并求出阻力系数ξ。
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，不可避免的会引起压强损耗。这种损耗包括流体经过直管的沿程阻力以及因流体运动方向改变或因管子大小形状改变所引起的局部阻力。 1．沿程阻力
液体在水平均匀管道中稳定流动时，由截面1到截面2，阻力损失表现在压
强的降低：hf
P1P2
。
影响阻力损失的因素十分复杂，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，扩大实验结果的应用范围，可采用因次分析法将各变量综合成准数关系式。
影响阻力损失的诸因素有： （1） 流体性质：密度ρ，粘度μ；
（2） 管路的几何尺寸：管径d，管长l，管壁粗糙度ε； （3） 流动条件：流速u。
可表示为：Pfd,l,,,u,。
dulPlu2P
组合成如下的无因次式：2，(Re)， ,,dd2uddPlu2
引入Re，则上式变为hf，式中，λ称为直管摩擦系数，
dd2滞流时，λ=64/Re；湍流时λ与Re的关系受管壁粗糙度的影响，需由实验求得。
根据伯努利方程可知，流体流过直管的沿程阻力损失，可直接由所测得的液柱压差计读数R算出：PR指空g。
其中：ρ指——压差计中指示液密度，kg/m3。本实验中用水作指示液，另一流体
为空气，由于ρ空
R一一倒U型管中水位差，m。 g一一重力加速度，g=9.81m/s2。 2．局部阻力
（1） 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，相当于流体通过与其具有相同管径的若干米长度的直管阻力损失，这个直管长度称为当量长度，用符号le表示。这样，就可以用直管阻力的公式来计算局部阻力损失，而且在管路计算时，可将管路中的直管长度与管件，阀门的当量长度合并在一起计算，如管路中直管长度为l，各种局部阻力的当量长度之和为∑le，则流体在管路中流动时的总
lleu2
阻力损失∑hf为：hf。
d2
（2） 阻力系数法
流体通过某一管件或阀门的阻力损失用流体在管路中的动能系数hp为表示：
u2
hp。
2
式中，ζ——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。
由于管件在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hp之值可应用伯努利方程由压差计读数求出。 三．实验装置
实验装置如图3-1所示，主要部分由离心泵、转子流量计、1/4圆喷嘴流量计、各种阀门、不同管径、材质的管子以及突然扩大和突然缩小组合而成。水由泵从水池中抽出后，经过转子流量计或圆喷嘴流量计被送至四根并联的管道，水流经这四根管道后返回水池。本实验的目的为测定这四根管道的直管阻力系数ζ与雷诺数Re的关系以及管件的局部阻力。
测压系统采用倒U
型管，如图3-2，倒U型管的结构如图3-3，a,b管接测压点，c为排气管。使用时，先打开a,b,c三根管的考克，排净测压管路中的空气，再关上a,b管，待U型管中水柱升至一半刻度时，再关上c。
四．实验步骤及注意事项
（1） 熟悉实验装置，尤其是各阀门的作用以及测压系统。
1
（2） 拟定操作步骤，建议先测1
4
阻力。
压管的放空阀，赶走测压系统的压力。
1
（4） 测定1
4
管阻力时，同样在上述范围内进行。
（5） 测定局部阻力时，在流量8,6,4m3/h三种不同情况下测取。 （6） 每次测定数据，注意须待流动达稳定后方可记下读数。
（7） 四根并联管道，共用同一流量计，所以实验中只能逐根测定。注意，当进
行管道切换时，一定要先打开待测管道的阀门，再关当前测量管道的阀门，否则会造成事故。
五．数据处理
实验中孔板流量计流量与压降的关系为
Y(m3/h)0.2308X0.5(mmH2O)
直管长度：2000mm；管径：27mm 突然扩大：d大＝40mm；d小＝20mm
22流量
Y(m3/h)0.2308X0.5(mmH2O)
uY/A4Y/(d2)
=2.528m3/h。
流速则为 1.23m/s
，所以 u=(2.528*4)/(3600*π*.027*.027)=
查得水在20℃是的粘度为μ=1×10Pa*s 所以 Re
ud
-3
=3.31×104
由直管压差为540mmH2O得hf=540*9.8/1000=5.297
2dhflu2
又由hf 可得2= 0.09487
d2ul
当Re很大时，流动会进入阻力平方区，将u2对λ作图，拟和得到以下的[***********][1**********]
p
u
2
得到的相关系数为：0.99937。这个结果已经是很高的线性度了，所以说明流动已经进入了阻力平方区。下面是Re与λ的关系图：
Re
x轴是Re，y轴是λ。与书上的Re与λ的关系图比起来，还是有一些误差的，这说明测定的时候存在误差。这个曲线的相关系数为：0.79625。
2Y＝0.2308×4100.5＝4.673m3/h
大管的流速为u大=4*Y/(3600*π*d2)=1.033m/h 小管的流速为u小=4*Y/(3600*π*d 2)＝4.132 m/h 突然扩大
15/16-2h9.81./(1000*u2)＝15/16-2*270*9.81/(1000*4.1322)＝0.6272
1(1/2)截止阀:
2h9.81./(1000*u2)＝2*670*9.81/(1000*1.0332)＝12.3181
弯管：
2h9.81./(1000*u2)＝2*55*9.81/(1000*1.0332)＝1.0112
用matlab编辑程序计算，程序为： h=[200 270 410 550 645];
b=[340 450 670 900 950]; c=[24 35 55 70 80];
ua=(.2308*h.^.5)/(3600*pi*.01^2); ua2=ua.^2;
ub=(.2308*h.^.5)/(3600*pi*.02^2); ub2=ub.^2;
ra0=15/16-2*a*9.81./(1000*ua2), rb0=2*b*9.81./(1000*ub2), rc0=2*c*9.81./(1000*ub2), ra=mean(ra0) rb=mean(rb0) rc=mean(rc0)
1(1/2)截止阀局部阻力系数平均值为：12.2266 弯管局部阻力系数平均值为：0.9574
实验小结：
该实验的基本原理是简单的，实验操作并不复杂。实验的关键是要排净测压系统中的空气。在调节流量的时候不可以过大，否则会造成压差过大而将测压管压出的事故。在实验过程中，由于度数系统不是很稳定，从而会造成实验的误差，由于我们度数的时候采取了两人共同读最低点的方法，这样会减少一些偶然误差。
思考题：
1.为什么实验数据测定前要赶尽设备和测压管内的空气？怎样赶气？
答：设备中的空气影响流量和压降的测定，测压管中的空气会使得读数偏大，因此测量前一定要排尽空气。赶走设备内的空气，可以打开放空阀，通水一段时间即可；赶走测压管里的空气，则只要轻轻敲击测压管，空气泡会自己慢慢向上浮，最终排掉。
2.用什么办法检查系统中的气是否排尽？
答：用排尽气体的测压系统测压力，保持流量一定，并且在一个比较大的流量，如果测压系统水柱有规律的小幅度振动，则说明系统中的空气已经排尽。 3.以水为工作流体所测得的λ－Re曲线可以用于空气，如何应用？ 答：可以，只要按照比例调整ρ、μ、u的值便可应用。
4.不同管径，不同水温下测定的λ－Re数据能否关联在同一条曲线上？
答：可以，Re中已经包含了管径、粘度的影响。水温的影响主要表现在粘度上，对密度的影响一般不大，不用考虑。
5.如果测压口、孔边缘有毛刺或者安装不正，对静压的测量有什么影响？ 答：毛刺和安装不正会损失一部分静压，使得测得的静压变小。