流体流动阻力测定实验
一、实验目的
1．掌握测定流体流经直管、管件和阀门时阻力损失的一般实验方法。
2．测定直管摩擦系数λ与雷诺准数Re的关系，验证在一般湍流区内 λ 与 Re 的关系曲线。
3．测定流体流经管件、阀门时的局部阻力系数ξ。
4．学会倒U形压差计和涡轮流量计的使用方法。
5．识辨组成管路的各种管件、阀门，并了解其作用。
二、基本原理
流体通过由直管、管件（如三通和弯头等）和阀门等组成的管路系统时，由于粘性剪应力和涡流应力的存在，要损失一定的机械能。流体流经直管时所造成机械能损失称为直管阻力损失。流体通过管件、阀门时因流体运动方向和速度大小改变所引起的机械能损失称为局部阻力损失。
1． 直管阻力摩擦系数λ的测定
流体在水平等径直管中稳定流动时，阻力损失为：
即， 
式中： λ —直管阻力摩擦系数，无因次；
d —直管内径，m；
—流体流经l米直管的压力降，Pa；
hf—单位质量流体流经l米直管的机械能损失，J/kg；
ρ —流体密度，kg/m3；
l —直管长度，m；
u —流体在管内流动的平均流速，m/s。
滞流（层流）时，
式中：Re —雷诺准数，无因次；
μ —流体粘度，kg/(m·s)。
湍流时λ是雷诺准数Re和相对粗糙度（ε/d）的函数，须由实验确定。
由式（2）可知，欲测定λ，需确定l、d，测定、u、ρ、μ等参数。 l、d为装置参数（装置参数表格中给出）， ρ、μ通过测定流体温度，再查有关手册而得， u通过测定流体流量，再由管径计算得到。
例如本装置采用涡轮流量计测流量V（m3/h）。
可用U型管、倒置U型管、测压直管等液柱压差计测定，或采用差压变送器和二次仪表显示。
根据实验装置结构参数l、d，指示液密度，流体温度 (查流体物性ρ、μ)，及实验时测定的流量V、压差，通过式(5)、(6)或(7)、(4) 和式(2)求取Re和λ，再将Re和λ标绘在双对数坐标图上。
2．局部阻力系数ξ 的测定
局部阻力损失通常有两种表示方法，即当量长度法和阻力系数法。
(1) 当量长度法
流体流过某管件或阀门时造成的机械能损失看作与某一长度为的同直径的管道所产生的机械能损失相当，此折合的管道长度称为当量长度，用符号表示。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，则流体在管路中流动时的总机械能损失
为：
(2) 阻力系数法 流体通过某一管件或阀门时的机械能损失表示为流体在小管径内流动时平均动能的某一倍数，局部阻力的这种计算方法，称为阻力系数法。即：
式中： ξ —局部阻力系数，无因次；
—局部阻力压强降，Pa；
（本装置中，所测得的压降应扣除两测压口间直管段的压降，直管段的压降由直管阻力实验结果求取。）
ρ—流体密度，kg/m3；
g —重力加速度，9.81m/s2；
本实验采用阻力系数法表示管件或阀门的局部阻力损失。
三、实验装置与流程
3.1 装置图
图1 实验装置流程示意图
1－离心泵；2－进口压力变送器；3－铂热电阻（测量水温）；4－出口压力变送器；5－电气仪表控制箱；6－均压环；7－粗糙管；8－光滑管（离心泵实验中充当离心泵管路）；9－局部阻力管；10－管路选择球阀；11－涡轮流量计；12－局部阻力管上的闸阀；13－电动调节阀；14－差压变送器；15－水箱
2．装置参数
四、实验步骤
1．泵启动：首先对水箱进行灌水，然后关闭出口阀，打开总电源和仪表开关，启动水泵，待电机转动平稳后，把出口阀缓缓开到最大。
2. 实验管路选择：选择实验管路，把对应的进口阀打开，并在出口阀最大开度下，保持全流量流动5－10min。
3．流量调节：通过离心泵变频器调节管路流量，让流量从1到4m3/h范围内变化，建议每次实验变化0.5m3/h左右。每次改变流量，待流动达到稳定后，记下对应的压差值；自控状态，流量控制界面设定流量值或设定电动调节阀开度，待流量稳定记录相关数据即可。
4．计算：装置确定时，根据PΔ和u的实验测定值，可计算λ和ξ，在等温条件下，雷诺数
，其中A为常数，因此只要调节管路流量，即可得到一系列 λ～Re的实验点，从而绘出 λ～Re曲线。
5．实验结束：关闭出口阀，关闭水泵和仪表电源，清理装置。
五、实验数据处理
5.1 原始数据记录
阻力测试
5.2 数据的处理与分析
（1） 对于光滑管，管内径：d=0.02m，测量段长度：l=1m
流速：
雷诺数：
直管阻力摩擦系数：
（2） 对于粗糙管，管内径：d=0.021m，测量段长度：l=1m
流速：
雷诺数：：
粗糙管阻力摩擦系数：
（3） 对于局部阻力管，管内径：d=0.02m，测量段长度：l=0.95m
流速：
雷诺数：：
局部阻力系数：
六、结果分析与讨论
6.1 根据粗糙管实验结果，在双对数坐标纸上标绘出λ～Re曲线，对 照化工原理教材上有关曲线图，从而估算出该管的相对粗糙度和绝对粗糙度。
（1) 在双对数坐标纸上标绘出λ～Re曲线，作图如下：
图1 摩擦系数λ与雷诺数Re的关系曲线
（2) 从图1估算出该管的相对粗糙度：
该管的绝对粗糙度： 
6.2 根据光滑管实验结果，对照柏拉修斯方程，计算误差。
适用于光滑管的柏拉修斯式：
6.3 根据局部阻力实验结果，闸阀全开时的平均
值为：
6.4 管壁粗糙度对流动阻力或摩擦系数的影响，主要是由于流体在管路中流动时流体质点与管壁凸出部分相碰撞而增加了流体的能量损失，其影响程度与管径的大小有关，因此在摩擦系数图中参数为相对粗糙度
，而不是绝对粗糙度
。
第二篇：流体力学综合实验报告
流体力学-离心泵性能的测定
一．实验目的
1. 熟悉离心泵的构造和操作。
2. 测定离心泵在一定转速下的特性曲线。
二．基本原理
离心泵的主要性能参数有流量Q、压头H、效率
和轴功率Na，通过实验测出在一定的转速下H-Q、Na-Q及-Q之间的关系，并以曲线表示，该曲线称为离心泵的特性曲线。特性曲线是确定泵的适宜操作条件和选用离心泵的重要依据。
1. 流量Q的测定 在一定转速下，用出口阀调节离心泵的流量Q，用涡轮流量计计量离心泵的流量Q（m3/h）
2. 压头H的测定 离心泵的压头是指泵对单位重量的流体所提供的有效能量，其单位为m 。 在进口真空表和出口压力表两测压点截面间列机械能衡算式得
（m 液柱） (1)
式中：
——泵进口处真空表读数（负值）, Pa；
——泵出口处压力表读数, Pa；
——压力表和真空表两测压截面间的垂直距离, m；
——吸入管内水的流速, m/s；
——压出管内水的流速, m/s；
g ——重力加速度, m/s2。
3. 轴功率Na的测定 离心泵的轴功率是泵轴所需的功率，也就是电动机传给泵轴的功率。在本实验中不直接测量轴功率，而是用三相功率表测量电机的输入功率，再由下式求得轴功率
(2)
式中： 
——电动机的输入功率, kW
——电动机的效率，由电机样本查得
——传动效率，联轴节联接 =1
4. 离心泵的效率 泵的效率为有效功率与轴功率之比
(3)
式中：
——泵的有效功率, kW；
——轴功率, kW。
——用kW来计量，则：
(4)
式中：
——泵的流量, m3/s；
——泵的压头, m；
——水的密度, kg/m3；
g ——重力加速度, m/s2。
5. 转速改变时的换算
特性曲线是某指定转速下的特性曲线，如果实验时转速与指定转速有差异，应将实验结果换算为指定转速下的数值：
泵的特性曲线是在定转速下的实验测定所得。但是，实际上感应电动机在转矩改变时，其转速会有变化，这样随着流量Q的变化，多个实验点的转速n将有所差异，因此在绘制特性曲线之前，须将实测数据换算为某一定转速n′下（可取离心泵的额定转速2900rpm）的数据。换算关系如下：
；
；
三．实验装置流程和主要设备
1. 实验装置流程
离心泵性能测定实验装置的流程如下图所示。
1－离心泵；2－进口压力变送器；3－铂热电阻（测量水温）；4－出口压力变送 器；5－电气仪表控制箱；6－均压环；7－粗糙管；8－光滑管（离心泵实验中 充当离心泵管路）；9－局部阻力管；10－管路选择球阀；11－涡轮流量计；12 －局部阻力管上的闸阀；13－电动调节阀；14－差压变送器；15－水箱
图 1 实验装置流程示意图
（二）注意事项：（1）一般每次实验前，均需对泵进行灌泵操作，以防止离心泵气缚。流体力学综合实验装置（LB201D）——实验指导书同时注意定期对泵进行保养，防止叶轮被固体颗粒损坏。
（2）泵运转过程中，勿触碰泵主轴部分，因其高速转动，可能会缠绕并伤害身体接触部位。
（3）不要在出口阀关闭状态下长时间使泵运转，一般不超过三分钟，否则泵中液体循环温度升高，易生气泡，使泵抽空。
五．实验数据记录与处理
1. 预习教材中离心泵的有关内容。
2. 搞清实验装置的流程、设备、仪表和操作方法，确定需查找的各种参数、需测的各种参数和测取手段。
3. 绘出泵的特性曲线。
离心泵特性曲线测定记录表
曲线：
六．结果讨论与分析
6.1离心泵在启动时要关闭出口阀的原因是防止空气进入泵体，导致水抽上离心泵。每次实验前，均需对泵进行灌泵操作，以防止离心泵气缚。不能在出口阀关闭状态下长时间使泵运转，一般不超过三分钟，否则泵中液体循环温度升高，易生气泡，使泵抽空。
6.2离心泵在固定的转速下扬程是固定的，可调节出口阀来调节导流面积，简单易行。
6.3泵启动后，出口阀如果不开，压力表读数并不会逐渐上升，在上升到一定程度之后就会达到平衡点不再上升。
6.4根据图中最高效率的曲线的点仅为29%。离心泵特性曲线图中效率并没有书中所述的最高点，而是呈现一种上升趋势，最高效率仅为泵的29%，可能因为选取的数据点不足而导致曲线无法完全呈现。
流体流动阻力测定实验
一.实验目的
（1） 辨别组成管路的各种管件、阀门，并了解其作用。
（2）测定流体在圆形直管内流动时摩擦系数λ与雷诺数Re的关系。
（3）测定流体流经闸阀时的局部阻力系数x。
二．基本原理
（1）直管阻力摩擦系数λ的测定
流体在水平等径直管中稳定流动时，阻力损失为：
则直管阻力摩擦系数可写成： 
雷诺准数Re的定义是： 
层流时： 
湍流时：λ是雷诺准数Re和相对粗糙度（ε/d）的函数。
完全湍流时：λ只是相对粗糙度（ε/d）的函数。
上式中 d ：直管内径，m；
：流体在l米直管内流动时由于流动阻力而产生的压降，Pa；
：单位质量流体流经l米直管时产生的流动阻力，J/kg；
ρ ：流体密度，kg/m3；
l ：直管长度，m；
u ：流体在管内流动的平均流速，m/s；
μ ：流体粘度，Pa·s。
其中l、d为装置参数 ， ρ、μ通过测定流体温度，再查有关手册而得， u通过测定流体流量，再由管径计算得到。本装置采用涡轮流量计测流量V（m3/h），则
采用倒置U型管液柱压差计和差压变送器测量。
（2）局部阻力系数x的测定
根据阻力系数法，流体通过某一管件或阀门时的机械能损失可表示为流体在管内流动时平均动能的某一倍数，即：
故 
式中 x：局部阻力系数，无因次；
：局部阻力引起的压降，Pa（本装置中，所测得的压降应扣除两测压口间直管段的压降后才是闸阀局部阻力引起的压降，直管段的压降由直管阻力实验结果求取）。
三．实验装置与流程
1－离心泵；2－进口压力变送器；3－铂热电阻（测量水温）；4－出口压力变送器；5－电气仪表控制箱；6－均压环；7－粗糙管；8－光滑管（离心泵实验中充当离心泵管路）；9－局部阻力管；10－管路选择球阀；11－涡轮流量计；12－局部阻力管上的闸阀；13－电动调节阀；14－差压变送器；15－水箱
图1 实验装置流程示意图
2.实验流程
实验对象部分是由贮水箱，离心泵，不同管径、材质的水管，各种阀门、管件，涡轮流量计和倒U型压差计等所组成的。管路部分有三段并联的长直管，分别为用于测定局部阻力系数，光滑管直管阻力系数和粗糙管直管阻力系数。测定局部阻力部分使用不锈钢管，其上装有待测管件(闸阀)；光滑管直管阻力的测定同样使用内壁光滑的不锈钢管，而粗糙管直管阻力的测定对象为管道内壁较粗糙的镀锌管。
水的流量使用涡轮流量计测量，管路和管件的阻力采用差压变送器将差压信号传递给无纸记录仪。
3．装置参数
四．实验步骤
1．泵启动：首先对水箱进行灌水，然后关闭出口阀，打开总电源和仪表开关，启动水泵，待电机转动平稳后，把出口阀缓缓开到最大。
2. 实验管路选择：选择实验管路，把对应的进口阀打开，并在出口阀最大开度下，保持全流量流动5－10min。 流体力学综合实验装置（LB201D）——实验指导书
3．流量调节：通过离心泵变频器调节管路流量，让流量从1到4m3/h范围内变化，建议每次实验变化0.5m3/h左右。每次改变流量，待流动达到稳定后，记下对应的压差值；自控状态，流量控制界面设定流量值或设定电动调节阀开度，待流量稳定记录相关数据即可。
4．计算：装置确定时，根据PΔ和u的实验测定值，可计算λ和ξ，在等温条件下，雷诺数Re=duρ/μ=Au，其中A为常数，因此只要调节管路流量，即可得到一系列λ～Re的实验点，从而绘出λ～Re曲线。
5．实验结束：关闭出口阀，关闭水泵和仪表电源，清理装置。
五．实验数据记录
六．实验结果
1．根据粗糙管实验结果，在双对数坐标纸上标绘出λ～Re曲线，对照化工原理教
上有关曲线图，即可估算出该管的相对粗糙度和绝对粗糙度。
列出λ～Re表:
对照书上图得相对粗糙度为0.007
绝对粗糙度为=0.000147
2．根据光滑管实验结果，对照柏拉修斯方程，计算其误差。
3．根据局部阻力实验结果，求出闸阀全开时的平均ξ值。
七．实验结果分析与讨论
7.1开启、关闭管道上的各阀门及倒U型差压计上的阀门时，一定要缓慢开关，切忌用力过猛过大，防止测量仪表因突然受压、减压而受损（如玻璃管断裂，阀门滑丝等）。
7.2根据粗糙管实验结果，在双对数坐标纸上标绘出λ～Re曲线，对照有关曲线图，即可估算出该管的相对粗糙度和绝对粗糙度分别为0.007和0.000147，说明作出的图线较为符合图中所描述的曲线。
7.3通过柏拉修斯方程，修正光滑管中的数据，相对误差为30%左右，误差较大，说明修正方程与实际测量存在较大误差。根据局部阻力实验结果，求出闸阀全开时的平均ξ值为0.11左右。