流体阻力测定实验

阻力实验

一、实验目的

1、了解实验所用到的实验设备、流程、仪器仪表； 2、了解并掌握流体流经直管和阀门引起的阻力损失及阻力系数（直管摩擦系数λ与局部阻力系数ξ）的测定方法及变化规律。并将λ(ξ)与Re的关系标绘在双对数坐标上。 3、了解不同管径（相同材质，即相同绝对粗糙度）的直管λ与Re的关系； 4、掌握差压传感器的正确应用。

二、实验基本原理

1、流体在管内流量及Re的测定：

3

本实验采用涡轮流量计直接测出流量q[m/h]：

u4q/(3600*d2)Redu

[m/s]

 式中：d、ρ、μ— 管内径[m]、流体在测量温度下的密度和粘度 [Kg/m]、[PaS] 2、直管摩擦阻力损失ΔP0Af及摩擦阻力系数λ的测定

流体在管路中流动，由于粘性剪应力的存在，不可避免的会产生机械能损耗。根据范宁（Fanning）公式，流体在圆形直管内作定常稳定流动时的摩擦阻力损失为：

3

lu2p0Af[Pa]

d2式中：l——沿直管两测压点间距离，m；

λ——直管摩擦系数，无因次；

由上可知，只要测得ΔP0f即可求出直管摩擦系数。根据柏努里方程和U型管压差计对等径管读数的特性知：当两测压点处管径一样，且保证两测压点处速度分布正常时，U型管中所示压差读数ΔP既为流体流经两测压点处的直管阻力损失ΔP0f。

2pd 2ul式中：Δp——倒U管压差计读数，[Pa]

以上既是无论对粗糙管、近似光滑管以及不同相对粗糙度的直管，其阻力损失Δp、阻力系数λ的测定，以及随Re的变化规律的方法。

3、阀门局部阻力损失ΔPf、及其阻力系数ζ的测定

流体流经阀门时，由于速度的大小和方向发生变化，流动受到阻碍和干扰，出现涡流而引起的局部阻力损失为：

[Pa] 2式中：ζ――局部阻力系数，无因次。

对于测定局部管件的阻力如阀门，其方法是在管件前后的稳定段内分别有两个测压点。按流向顺序分别为1、2、3、4点，在1-4点和2-3点分别连接两个U形管，分别测出压差为ΔP14、ΔP23。

P'fu2 0

在2-3列BNL方程（2-3间直管长为L） p2p3(gz22u22)(gz32u32)pf23 上式中，由于2、3点管径一样，管子水平放置，位能与动能项可消除；而总能耗可分为直管段阻力损失ΔPF23和阀门局部阻力损失ΔPF’，因此上式可简化为： p23pf23p'f * 同理在1-4列BNL方程（1-4间直管长为2L） p14pf14p'f2pf23p'f ** 以上*和**式联立解得： p'f2p23p14 则局部阻力系数为： 2(2p23p14) 2u三、实验装置流程 实验装置示意图如下。离心泵、循环水池、管道及架子等均为不锈钢材质。工作流体为水。其流程为： 环水池—离心泵—涡轮流量计—调节阀—各测量管段—循环水池。 φ19×2相对细管φ25×2.5相对粗管φ25×2.3差压1差压2F1F2F3局部阻力F421循环槽t循环泵涡轮流量计 1

有关设备仪表参数：

离心泵：材质为全不锈钢，型号：ISW40—125型，1.5Kw，H=20m 循环水池：700×440×400 （长×宽×高） 涡轮流量计：LWGY-15 0.6-6m3/h 液晶显示

差压传感器：1151型 4—20mA输出，测量范围9999Pa [2个]

差压显示表：万讯，多功能数显表，显示精度10Pa [2个] 温度传感器：Pt100 航空接头

温度显示表：万讯，数显，显示精度0.1℃

细管测量段尺寸：φ19×2 内径φ15，不锈钢，测点长1000 mm

粗管测量段尺寸：φ25×2.5 内径φ20，不锈钢，测点长1000 mm 阀门测量段尺寸：φ25×2.5 内径φ20 全开铜闸阀； 总尺寸：2300×440×1750 （长×宽×高）

本实验消耗和水电配置设施： 自来水； 电负荷：1.5 Kw

四、实验方法步骤与注意事项

1、熟悉：按事先（实验预习时）分工，熟悉流程，搞清各压差传感器的作用。 2、检查：检查各阀是否关闭。

3、开车：启动离心泵（检查三相电及泵是否正转动）。开启流量计电源。 4、排气：(1) 排气过程

打开调节阀F4到最大。分别打开F1、F2、F3 ，打开各管路上的测压点阀，打开2个差压传感器上的排气放水阀，约1分钟，观察引压管内无气泡，关闭差压传感器上的放水阀，分别各测压点阀，分别关闭F1、F2、F3，关闭调节阀F4。

三根管流量为0。此时观察压差1和压差2的读数是否在[-0.02～0.02]KPa之间，若不在需要调节差压传感器上的零点，此一般由教师完成。或分别记录此时的差压显示，作为系统误差，在计算时减去即可。

注意：系统内空气是否排尽是正确进行本实验的关键操作。 5、测量：无论先测定那根管路均可，现已测量最上细管为例：

⑴ 开启F1，逐渐开启调节阀F4，根据以下差压1上的读数进行调节。 ⑵ 记录数据，然后再调节F4。直到最大。 ⑶ 此管做完后，关闭F4，关闭F1

然后可以做其它管路。

测量说明：为了取得满意的实验结果，必须考虑实验点的布置和读数精度。

（1）在每定常流量下，应尽量同步地读取各测量值读数。包括流量、压差读数。 （2）每次改变流量，应以压差计读数ΔP0变化一倍左右为宜（既每次大约控制在100、200、400、800、1600、3200、00、9500）。 ● 这里说的控制在100、200等，并不是一定在这个值，只要在此附近就可以，

如第1点在80—120，第2点在180—220之间就可以；

● 最后一点是最大，对直管测定指的是阀门开到最大，流量到最大，压差按

实际压差记录即可；但对局部阻力测定，若将流量调到最大，由于压差较大，将无法显示，因此这里的最大指的是压差显示最大，大约在9000—10000之间。建议局部阻力测定按压差1仪表100、200、400、1600、3200、00、9500。

2

● 无论先作那个管段均可。

● 实验那根管，只开该管段阀门和测压点阀，其它两根调节阀和测压点阀应

关闭。

（3）当读取压差计数显表读数时，由于显示仪表精度高，显示仪表读数随机波动大，应读取大约平均值，也可以均读取其最大值或最小值后取平均。 （4）在调节流量时，应徐徐开启阀门F4，以压差计读数为调节依据。

6、停车：实验完毕，关闭三个调节阀，停泵即可。

友情提示：

1、因为泵是机械密封，必须在泵有水时使用，若泵内无水空转，易造成机械密封件升温损坏而导致密封不严，需专业厂家更换机械密封。因此，严禁泵内无水空转！！！！ 2、在启动泵前，应检查三相动力电是否正常，若缺相，及易烧坏电机；为保证安全，

检查接地是否正常；准备好上面工作后，在泵内有水情况下检查泵的转动方向，若反转流量达不到要求，对泵不利。

3、在调节流量时，泵出口调节阀应徐徐开启，严禁快开快关。

4、长期不用时，应将槽内水放静，并用湿软布擦拭水箱，防止水垢等杂物粘在上面。 5、严禁学生进入控制柜，以免发生触电。

6、在冬季造成室内温度达到冰点时，设备内严禁存水。

7、操作前，必须将水箱内异物清理干净，需先用抹布搽干净，再往循环水槽内放水，启

动泵让水循环流动冲刷管道一段时间，再将循环水槽内水放净。再注入水以准备实验。 8、在实验过程中，严禁异物掉入循环水槽内，以免被泵吸入泵内损坏泵、堵塞管路和损

坏涡轮流量计。

五、调试记录与计算示例

本实验在厂内经过调试，现以某组数据为计算示例：

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水温15.1℃ 水密度=999.0 粘度=1.1332×10 Pa 1、相对细管：d=0.015 L=1 m

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管内流速：u=q/3600/(1/4πd)= 0.148/3600/(1/4*3.14*0.015)=0.2328 [m/s] 管内Re： Re=duρ/μ=0.015*0.2328*999.0/1.1332/1000=3078

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阻力系数：λ=2Δpd/(ρul)=2*90*0.015/(999.0*0.2328*1)=0.0499 2、相对粗管计算方法同上 3、局部阻力系数ζ的测定

22

管内流速： u=q/3600/(1/4πd)= 0.230/3600/(1/4*3.14*0.020)=0.2035 [m/s] 管内Re： Re=duρ/μ=0.02*0.2035*999.0/1.1332/1000=3586

局部阻力系数ζ： 

2(2p23p14)2*(2*80100)2.901 22u999.0*0.2035 3