4.1 流体流动阻力测定实验
一、实验目的
⒈学习直管摩擦阻力△Pf、直管摩擦系数l的测定方法。
⒉掌握直管摩擦系数l与雷诺数Re和相对粗糙度之间的关系及其变化规律。
⒊掌握局部阻力的测量方法。
⒋学习压强差的几种测量方法和技巧。
⒌掌握双对数坐标系的使用方法。
二、实验内容
⒈测定实验管路（光滑管和粗糙管）内流体流动的阻力和直管摩擦系数l。
⒉测定实验管路内流体流动的直管摩擦系数l与雷诺数Re和相对粗糙度之间的关系曲线。
⒊在本实验压差测量范围内，测量阀门的局部阻力系数。
三、实验原理
⒈直管摩擦系数l与雷诺数Re的测定
流体在管道内流动时，由于流体的粘性作用和涡流的影响会产生阻力。流体在直管内流动阻力的大小与管长、管径、流体流速和管道摩擦系数有关，它们之间存在如下关系：
hf = 
=
（4-1）
λ=
（4-2）
Re =
（4-3）
式中：
管径，m ；
直管阻力引起的压强降，Pa；
管长，m；
流速，m / s；
流体的密度，kg / m3；
流体的粘度，N·s / m2。
直管摩擦系数λ与雷诺数Re之间有一定的关系，这个关系一般用曲线来表示。在实验装置中，直管段管长l和管径d都已固定。若水温一定，则水的密度ρ和粘度μ也是定值。所以本实验实质上是测定直管段流体阻力引起的压强降△Pf与流速u（流量V）之间的关系。
根据实验数据和式（1-2）可计算出不同流速下的直管摩擦系数λ，用式（1-3）计算对应的Re，从而整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系，绘出λ与Re的关系曲线。
⒉局部阻力系数
的测定
（4-4）
（4-5）
式中：
局部阻力系数，无因次；
局部阻力引起的压强降，Pa；
局部阻力引起的能量损失，J／kg。
图4-1 局部阻力测量取压口布置图
局部阻力引起的压强降
可用下面的方法测量：在一条各处直径相等的直管段上，安装待测局部阻力的阀门，在其上、下游开两对测压口a-a'和b-b＇，见图4-1，使
ab＝bc ； a＇b＇＝b＇c＇
则 △Pf，a b ＝△Pf，bc ； △Pf，a＇b＇= △Pf，b＇c＇
在a~a＇之间列方程式： Pa－Pa＇=2△Pf，a b+2△Pf，a＇b＇+△P＇f （4-6）
在b~b＇之间列方程式： Pb－Pb＇ = △Pf，bc+△Pf，b＇c＇+△P＇f
= △Pf，a b+△Pf，a＇b＇+△P＇f （4-7）
联立式(1-6)和(1-7)，则：
＝2(Pb－Pb＇)－(Pa－Pa＇)
为了实验方便，称(Pb－Pb＇)为近点压差，称(Pa－Pa＇)为远点压差。用差压传感器来测量。
四、实验装置
⒈本实验共有四套装置，实验装置用图4-2所示的实验装置流程图。每套装置中被测光滑直管段为管内径d=8mm，管长L=1.6m的不锈钢管；被测粗糙直管段为管内径d=10mm，管长L=1.6m的不锈钢管；被测局部阻力直管段为管内径d=12mm，管长L=1.2m的不锈钢管
⒉ 流量测量：在图1-2中由大小两个转子流量计测量。
⒊ 直管段压强降的测量：差压变送器或倒置U形管直接测取压差值。
图4-2 流体流动阻力测定实验装置流程图
⑴—大流量调节阀；⑵—大流量转子流量计；⑶—光滑管调节阀；⑷—粗糙管调节阀；⑸—光滑管；⑹—粗糙管；⑺—局部阻力阀；⑻—离心泵；⑼—排水阀；⑽倒U管⑾⑾’—近端测压点；⑿⑿’—远端测压点；⒀⒀’—切断阀；⒁⒁’—放空阀；⒂⒂’—光滑管压差；⒃⒃’—粗糙管压差；⒄—数字电压表；⒅—压差变送器
五、实验方法
⒈ 按下电源通电预热数字显示仪表10~15分钟，记录各差压数字表的初始值，关闭流量调节阀，按一下离心泵的绿色按钮启动离心泵。
2．在进行光滑管阻力测定之前，应先检查导压系统内有无气泡存在。
当流量为0时，打开⒀⒀’两阀门，若空气—水倒置Ｕ型管内两液柱的高度差不为0，则说明系统内有气泡存在，需赶净气泡方可测取数据。
赶气泡的方法：将流量调至较大，排出导压管内的气泡，直至排净为止；关闭⒀⒀’两阀门，打开⒁⒁’两阀门，慢慢旋开倒置U形管上部的放空阀，使液柱降至零点上下时马上关闭，使管内形成气—水柱，此时管内液柱高度差应为零。
3．光滑管阻力测定：
小流量时用倒置∪形管压差计测量，大流量时用差压数字表测量。应在最大流量和最小流量之间进行实验，一般测取12～15组数据，建议流量读数在40L／h之内，不少于4个点，以便得到滞流状态下的λ—Re关系。在能用倒置∪形管测压差时，尽量不用差压数字表测压差。
4．粗糙管阻力测定：
关闭光滑管调节阀⑶，打开粗糙管调节阀⑷。流量大于180l/h时，选择用差压数字表测量压差；流量小于180l/h时，选择用倒置∪形管压差计测量压差。从小流量到最大流量，一般测取10~15组数据。
5．局部阻力测量：
关闭阀门⑶和⑷，全开或半开阀门⑺，用倒U型管测量阀门⑺的近端和远端压差，改变流量重复测量3～4组数据。
5. 待数据测量完毕，关闭流量调节阀，核实差压数字表初始值，切断电源。
六、注意事项
⒈ 启动离心泵之前，以及从光滑管阻力测量过渡到其它测量之前，都必须检查所有流量调节阀是否关闭。
⒉ 利用差压数字表测量大压差时，必须关闭通倒置U形管的阀门，防止形成并联管路。
3．在实验过程中每调节一个流量之后应待流量和直管压降的数据稳定以后方可记录数据。
七、实验要求
⒈ 将实验数据和数据整理结果列在表格中（参考表4-1、4-2、4-3），并以其中一组数据为例写出计算过程。
⒉ 在双对数坐标系上标绘光滑直管和粗糙直管λ—Re 关系曲线。
⒊ 根据所标绘的λ—Re曲线，求本实验条件下滞流区的λ—Re关系式，并与理论公式比较。
[思考题]
⑴ 本实验用水为工作介质做出的λ一Re曲线，对其它流体能否使用？为什么？
⑵ 本实验是测定等直径水平直管的流动阻力，若将水平管改为流体自下而上流动的垂直管，从测量两取压点间压差的倒置U形管读数R到△Pf的计算过程和公式是否与水平管完全相同?为什么?
⑶ 为什么采用差压变送器和倒置U形管并联起来测量直管段的压差？何时用变送器?何时用倒置U形管?操作时要注意什么？
