实验一、管路阻力的测定
一、实验目的
1．学习直管阻力与局部阻力的测定方法。
2．学习计算并绘制直管摩擦系数l与Re的关系曲线的方法。
3．学习确定局部阻力系数z的方法。
二、实验原理
流体在管路中的流动阻力分为直管阻力和局部阻力两种。直管阻力也称为表皮阻力，是流体流经一定管径的直管时，由于流体内摩擦而产生的阻力
， （m） (1)
局部阻力也称为形体阻力，是由于流体流经管路中的管件、阀门及管截面的突然扩大或缩小等局部地方，由于边界层分离而产生旋涡所引起的能量损失
， (m) (2)
管路的总能量损失等于管路中所有以上两种阻力的加和
本实验所用的装置流程图如图1所示，实验装置由并联的两个支路组成，一个支路用于测定直管阻力，另一个用于测定局部阻力。
图1. 管路阻力测定实验装置流程图
1-底阀 2-入口真空表 3-离心泵 4-出口压力表 5-充水阀
6-差压变送器 7-涡轮流量计 8-差压变送器 9-水箱
测定直管阻力所用管子的规格：
1#~2#实验装置：直管内径为27.1mm，直管管长1m。
3#~8#实验装置：直管内径为35.75mm，直管管长1m
局部阻力的测定对象是两个阀门，一个闸阀，一个截止阀。
三、实验步骤
1．打开充水阀向离心泵泵壳内充水。
2．关闭充水阀、出口流量调节阀，启动总电源开关，启动电机电源开关。
3．打开出口调节阀至最大，记录下管路流量最大值，即控制柜上的涡轮流量计的读数。
4．调节出口阀，流量从大到小测取8次，再由小到大测取8次，记录各次实验数据，包括涡轮流量计的读数、直管压差指示值。
5．关闭直管阻力直路的球阀，打开局部阻力的球阀，测定在三个流量下的局部压差指示值。
6．测取实验用水的温度。
7．关闭出口流量调节阀，关闭电机开关，关闭总电源开关。
注意事项：
离心泵禁止在未冲满水的情况下空转。
四、数据处理与讨论
1． 根据实验数据，计算直管摩擦系数l及雷诺准数Re，然后在双对数坐标纸上标绘
的关系曲线
所测实验数据及计算结果列于下表
3#实验装置， 水温20.5°C
以第三组数据作为计算举例
查表得：水温为20.5°C时，黏度m=0.001Pa×s，密度r=998kg/m3
管内流速 
根据公式（2），直管阻力计算如下
雷诺数计算如下
根据以上计算结果，在对数坐标纸上绘制曲线如图2所示。
图2. 实验测定l-Re关系曲线
2． 根据实验测定的压差数据，计算闸阀和截止阀的局部阻力系数
的平均值。
将实验数据整理列于下表中
以第一组数据为例，计算如下
根据公式（2），局部阻力系数
五、思考题
1. 以水为工作流体所测得的关系能否适用于其他种类的牛顿型流体？请说明原因。
以水为工作流体所测得的关系可以适用于其它牛顿流体，因为该关系为无量纲准数关系式，其不受流体本身物性的影响。
2. 如果要增加雷诺数的范围，可采取哪些措施？
如果要增加雷诺数的范围，可以增大管径、流速或流体的密度，或者减小流体的黏度。
3. 测出的直管摩擦阻力与直管的放置状态有关吗？请说明原因。
如果以柏努利方程作为标准，测定直管阻力不依赖于直管的放置方式，因为直管阻力只与流体的流动状态和管壁粗糙度有关，只是计算时需考虑两测压点处位能的变化。
第二篇：化工原理实验~流体流动阻力系数的测定实验报告
流体流动阻力系数的测定实验报告
一、实验目的：
1、 掌握测定流体流动阻力实验的一般实验方法。
2、 测定直管的摩擦阻力系数λ及突然扩大管和阀门的局部阻力系数ξ。
3、 验证湍流区内摩擦阻力系数λ为雷诺系数Re和相对粗糙度的函数。
4、 将所得光滑管的λ—Re方程与Blasius方程相比较。
二、实验器材：
流体阻力实验装置一套
三、实验原理：
1、 直管摩擦阻力
不可压缩流体（如水），在圆形直管中做稳定流动时，由于黏性和涡流的作用产生摩擦阻力；流体在流过突然扩大、弯头等管件时，由于流体运动的速度和方向突然变化，产生局部阻力。影响流体阻力的因素较多，在工程上通常采用量纲分析方法简化实验，得到在一定条件下具有普遍意义的结果，其方法如下。
流体流动阻力与流体的性质，流体流经处的几何尺寸以及流动状态有关，可表示为
△P=f (d, l, u,ρ,μ,ε)
引入下列无量纲数群。
雷诺数 Re=duρ/μ
相对粗糙度 ε/ d
管子长径比l / d
从而得到
△P/(ρu2)=ψ(duρ/μ，ε/ d， l / d)
令λ=φ（Re，ε/ d）
△P/ρ=（l / d）φ（Re，ε/ d）u2/2
可得摩擦阻力系数与压头损失之间的关系,这种关系可用试验方法直接测定。 h f=△P/ρ=λ（l / d）u2/2
式中，h f——直管阻力，J/kg
l——被测管长，m
d——被测管内径，m
u——平均流速，m/s
λ——摩擦阻力系数。
当流体在一管径为d的圆形管中流动时，选取两个截面，用U形压差计测出这两个截面间的静压强差，即为流体流过两截面间的流动阻力。根据伯努利方程找出静压强差和摩擦阻力系数的关系式，即可求出摩擦阻力系数。改变流速可测出不同Re下的摩擦阻力系数，这样就可得出某一相对粗糙度下管子的λ—Re关系。
（1）、湍流区的摩擦阻力系数
在湍流区内λ=f（Re，ε/ d）。对于光滑管，大量实验证明，当Re在3×103~105 范围内，λ和Re的关系遵循Blasius关系式，即 λ=0.3163 / Re0.25
对于粗糙管，λ和Re的关系均以图来表示。
2、 局部阻力
h f=ξu2/2
式中，ξ为局部阻力系数，其与流体流过的管件的几何形状及流体的Re有关，当Re达到一定值后，ξ与Re无关，成为定值。
四、实验步骤：
1、 启动离心泵，打开被测管线上的开关阀及面板上与其相应的切换阀，关闭其他的开关阀和切换阀，保证测压点一一对应。
2、 排净系统中的气体以便使液体能连续流动。设备和测压管线中的气体都要排净，观察U形压差计中两液面是否水平，如果水平说明系统中气体已经排净。
3、 测定光滑管和粗糙管摩擦阻力，先将流量从小到大慢慢增加，并观察U形压差计中两液面差，当液面差达到最大并等数据稳定后记录第一组数据，即此时的液体流量和压差。接着将流量由大到小，每相差0.3m3/h左右侧一组数据。充分利用面板量程测取10组数据，然后再由小到大测取几组数据，以检查数据的重复性（不记录数据）。测定突然扩大管、球阀和截止阀的局部阻力时，各测取3组数据，具体步骤与侧量光滑管和粗糙管相同。注意在记录整个实验的第一组数据时记录一次液体温度，记录最后一组数据时记录一次温度。
4、 测完一根管的数据后，应将流量调节阀关闭，观察压差计的两液面是否水平，水平时才能更换另一条管路，否则全部数据无效。同时要了解各种阀门的特点，学会使用阀门，注意阀门的切换，同时要关严，防止内漏。
五、实验数据处理：
在整个实验过程中，液体温度可由始末温度值之和的平均值代替，则有
t=(t始+t末)/2= (21.2+26.8)/2=24℃
此温度对应水的密度可由相关表查得,
ρ=997.2kg/m3
μ=0.9142mPa·S
1、 求光滑管、粗糙管摩擦阻力系数λ和雷诺系数Re
由公式u=Q/A=3.54×102 Q/d2得到流速，由公式Re=duρ/μ可求得雷诺数，由式
h f=△P/ρ=λ（l / d）u2/2 可求得真实的λ，由Blasius关系式 λ’=0.3163 / Re0.25可求得理论λ’。
光滑管几何尺寸为 d=21mm， l=1.5m，相对粗糙度ε/ d=0.2/21=0.01
所求光滑管在不同流量下的u、Re、λ、λ’如下表：
光滑管的相关数据如下表：
粗糙管几何尺寸为 d=22mm， l=1.5m，相对粗糙度ε/ d=0.3/22=0.014
所求粗糙管在不同流量下的u、Re、λ、λ’如下表：
粗糙管的相关数据表如下:
2、求局部阻力系数ξ
由公式u=Q/A=3.54×102 Q/d2得到流速，由式h f=△P/ρ=ξu2/2可得到ξ。
其中，扩大管的管径取d=16mm,球阀和截止阀的管径取d=20mm。
所求得各数据如下表：
扩大管、球阀管、截止阀管的相关数据表如下:
3、 所得湍流时λ—Re—ε/ d关系图如下：
六、思考题：
（1）、在测量前为什么要将设备中的空气排净？怎样才能迅速地排净？
设备中要是还有空气未排净将使设备中液体不能连续地流动，势必影响实验结果。在接通水泵电源以后，再打开流量调节阀门，使之大流量输出便可迅速有效地排净设备中的空气。
（2）、在不同设备（包括相对粗糙度相同而管径不同）、不同温度下测定的λ—Re数据能否关联在一条曲线上？
不能关联到一条曲线上。
（3）、测出的直管摩擦阻力与设备的放置状态有关吗？为什么？
有关系。由h f=（P1/ρ+z1g）-( P2/ρ+ z2g) =△P/ρ可知，阻力损失均主要表现为流体势能的降低，即△P/ρ，只有当管道水平放置时，才能用△P代替△P。当不是水平管时△P还包含了高度差所产生的势能差，所以如果不是水平管，则所求的摩擦阻力值要比实际的摩擦阻力要大。
（4）、如果要增加雷诺数的范围，可采取哪些措施？
可以同时增大管径和管内水的流量，或者用密度大、黏度小的液体进行试验。