实验三 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
直管的摩擦阻力系数是雷诺数和相对粗糙度的函数，即
，对一定的相对粗糙度而言，
。
流体在一定长度等直径的水平圆管内流动时，其管路阻力引起的能量损失为：
（1）
又因为摩擦阻力系数与阻力损失之间有如下关系（范宁公式）
（2）
整理（1）（2）两式得
（3）
（4）
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。
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（3）可计算出不同流速下的直管摩擦系数λ，用式（4）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。
三．实验装置与参数
1、实验装置
实验流程示意图见图1。 实验装置由贮水槽、离心泵、变频器、电动调节阀、涡轮流量计、压力表、差压变送器、不同材质的水管、倒U型压差计（图中未画出）等组成。装置上有三段并联的水平直管，自上而下分别用于测定局部阻力、光滑管直管阻力和粗糙管直管阻力。测定局部阻力时使用不锈钢管，中间装有待测管件（闸阀）；测定光滑管直管阻力时，同样使用内壁光滑的不锈钢管，而测定粗糙管直管阻力时，采用管道内壁较粗糙的镀锌管。
水泵2将储水槽1中的水抽出，送入实验系统，首先经玻璃转子流量计15、16测量流量，然后送入被测直管段测量流体在光滑管或粗糙管的流动阻力，或经10测量局部阻力后回到储水槽，水循环使用。被测直管段流体流动阻力△p可根据其数值大小分别采用变送器12或空气-水倒置∪型管22来测量。
图1 流动阻力实验流程示意图
1-水箱；2-离心泵；3、4-放水阀；5、13-缓冲罐；6-局部阻力近端测压阀；7、15-局部阻力远端测压阀；8、20-粗糙管测压回水阀；9、19-光滑管测压阀；10-局部阻力管阀；11-U型管进水阀；12-压力传感器；14-流量调节阀； 15、16-水转子流量计；17-光滑管阀；18-粗糙管阀；
21-倒置U型管放空阀；22-倒置U型管；23-水箱放水阀；24-放水阀；25-涡轮流量计
2、设备的主要技术参数
（1） 被测光滑直管段： 管径d—0.008m； 管长L—1.698m； 材料—不锈钢管
（2） 被测粗糙直管段： 管径 d—0.010m； 管长L—1.698m； 材料—不锈钢管
四、实验方法及步骤:
⒈ 向储水槽内注水，直到水满为止。(有条件最好用蒸馏水，以保持流体清洁)
⒉ 直流数字表的使用方法请详细阅读使用说明书。
⒊ 大流量状态下的压差测量系统，应先接电预热10～15分钟，调好数字表的零点，然后启动泵进行实验。
⒋ 光滑管阻力测定：
⑴ 关闭粗糙管阀18、粗糙管测压进水阀20、粗糙管测压回水阀8，将光滑管阀17全开。
⑵ 在流量为零条件下，打开光滑管测压进水阀19和回水阀9，旋开倒置U型管进水阀11，检查导压管内是否有气泡存在。若倒置U型管内液柱高度差不为零，则表明导压管内存在气泡，需要进行赶气泡操作。导压系统如图2所示。
操作方法如下：
开大流量，使倒置U型管内液体充分流动，以赶出管路内的气泡；若认为气泡已赶净，将流量阀关闭；慢慢旋开倒置U型管上部的放空阀21，打开阀3、4，使液柱降至零点上下时马上关闭，管内形成气-水柱，此时管内液柱高度差应为零。然后关闭放空阀21。
图2 导压系统示意图
13-粗糙管测压进水阀；14-直管压力传感器；15-粗糙管测压回水阀；16-光滑管测压回水阀；17-光滑管测压进水阀；18-U型管进水阀；19-排水阀；20-U型管出水阀；26-U型管放空阀
⑶ 该装置两个转子流量计并联连接，根据流量大小选择不同量程的流量计测量流量。
⑷ 差压变送器与倒置U型管也是并联连接，用于测量直管段的压差，小流量时用倒置∪型管压差计测量，大流量时用差压变送器测量。应在最大流量和最小流量之间进行实验，一般测取15～20组数据。建议当流量小于300L／h时,只用倒置∪型管来测量压差。
⒌ 粗糙管阻力测定：
关闭阀17、光滑管测压进水阀19、光滑管测压回水阀9，全开阀18，旋开粗糙管测压进水阀20、粗糙管测压回水阀8，逐渐调大流量调节阀，赶出导压管内气泡。
6． 从小流量到最大流量，一般测取15~20组数据。
7． 直管段的压差用差压变送器测量。
光滑管和粗糙管直管阻力的测定使用同一差压变送器，当测量光滑管直管阻力时，要把通向粗糙管直管阻力的阀门关闭；同样当测量粗糙管直管阻力时，要把通向光滑管直管阻力的阀门关闭。
8. 测取水箱水温。
9. 待数据测量完毕，关闭流量调节阀，停泵。
五、使用实验设备应注意的事项
⒈ 直流数字表操作方法请仔细阅读说明书后,方可使用。
⒉ 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。
⒊ 利用压力传感器测量大流量下△P时,应切断空气—水倒置∪型玻璃管的阀门18、20否则影响测量数值。
⒋ 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。
⒌ 较长时间未做实验，启动离心泵之前应先关闭出口阀，否则易烧坏电机。
六．实验数据记录
实验日期： 装置号：
同组实验人员：
水温： 管长：
光滑管内径： 粗糙管内径： 局部阻力管内径：
七．实验结果
用表列出光滑管和粗糙管的λ和Re值，给出计算示例，在双对数坐标纸上绘出λ～Re曲线，求出闸阀全开时的平均ξ值。
八．思考题
（1）以水为介质所测得的λ～Re关系能否适用于其它流体？
（2）在不同设备上(包括不同管径)，不同水温下测定的λ～Re数据能否关联在同一条曲线上? 为什么?
（3）如果测压口安装不垂直，对静压的测量有何影响？
第二篇：化工原理实验思考题 1流体流动阻力测定
化工原理实验思考题 1流体流动阻力测定
1流体流动阻力测定
（1）启动离心泵前，为什么必须关闭泵的出口阀门？<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />
答：由离心泵特性曲线知，流量为零时，轴功率最小，电动机负荷最小，不会过载烧毁线圈。
（2）作离心泵特性曲线测定时，先要把泵体灌满水以防止气缚现象发生，而阻力实验对泵灌水却无要求，为什么？
答：阻力实验水箱中的水位远高于离心泵，由于静压强较大使水泵泵体始终充满水，所以不需要灌水。
（3）流量为零时，U形管两支管液位水平吗？为什么？
答：水平，当u=0时 柏努利方程就变成流体静力学基本方程：
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（4）怎样排除管路系统中的空气？如何检验系统内的空气已经被排除干净？
答：启动离心泵用大流量水循环把残留在系统内的空气带走。关闭出口阀后，打开U形管顶部的阀门，利用空气压强使U形管两支管水往下降，当两支管液柱水平，证明系统中空气已被排除干净。
（5）为什么本实验数据须在双对数坐标纸上标绘？
答：因为对数可以把乘、除变成加、减，用对数坐标既可以把大数变成小数，又可以把小数扩大取值范围，使坐标点更为集中清晰，作出来的图一目了然。
（6）你在本实验中掌握了哪些测试流量、压强的方法？它们各有什么特点？
答：测流量用转子流量计、测压强用U形管压差计，差压变送器。转子流量计，随流量的大小，转子可以上、下浮动。U形管压差计结构简单，使用方便、经济。差压变送器，将压差转换成直流电流，直流电流由毫安表读得，再由已知的压差~电流回归式算出相应的压差，可测大流量下的压强差。
（7）读转子流量计时应注意什么？为什么？
答：读时，眼睛平视转子最大端面处的流量刻度。如果仰视或俯视，则刻度不准，流量就全有误差。
（8）两个转子能同时开启吗？为什么？
答：不能同时开启。因为大流量会把U形管压差计中的指示液冲走。
（9）开启阀门要逆时针旋转、关闭阀门要顺时针旋转，为什么工厂操作会形成这种习惯？
答：顺时针旋转方便顺手，工厂遇到紧急情况时，要在最短的时间，迅速关闭阀门，久而久之就形成习惯。当然阀门制造商也满足客户的要求，阀门制做成顺关逆开。
（10）使用直流数字电压表时应注意些什么？
答：使用前先通电预热15分钟，另外，调好零点（旧设备），新设备，不需要调零点。如果有波动，取平均值。
（11）假设将本实验中的工作介质水换为理想流体，各测压点的压强有何变化？为什么？
答：压强相等，理想流体u=0，磨擦阻力F=0，没有能量消耗，当然不存在压强差。
∵d1=d2 ∴u1=u2 又∵z1=z2（水平管） ∴P1=P2
（12）离心泵送液能力，为什么可以通过出口阀调节改变？往复泵的送液能力是否也可采用同样的调节方法？为什么？
答：离心泵送液能力可以通过调节出口阀开度来改变管路特性曲线，从而使工作点改变。往复泵是正往移泵流量与扬程无关。若把出口堵死，泵内压强会急剧升高，造成泵体，管路和电机的损坏。
（13）本实验用水为工作介质做出的λ－Re曲线，对其它流体能否使用？为什么？
答：能用，因为雷诺准数是一个无因次数群，它允许d、u、 、变化。
（14）本实验是测定等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型管读数R到ΔPf的计算过程和公式是否与水平管完全相同？为什么？
答：过程一样，公式（通式）相同，R值的计算结果不同。
通式：
水平放置： z=0
垂直放置： z=L（管长）
（15）测试时为什么要取同一时刻下的瞬时数据？
答：流体流动时，由于诸种原因，各参数的值是波动的，为了减少误差，应取瞬时值、即同时读数。
（16）作λ－Re图时，依点画线用什么工具？点在线的一侧还是两侧？怎样提高做图的精确度？做图最忌讳什么？
答：用曲线板或曲线尺画曲线，直尺画直线。点应在线的两侧，以离线的距离最近为原则。最忌讳徒手描。
（17）实验结果讨论中，应讨论什么？
答：（1）讨论异常现象发生的原因；（2）你做出来的结果（包括整理后的数据、画的图等）与讲义中理论值产生误差的原因。（3）本实验应如何改进。
（18）影响流动型态的因素有哪些？用Re判断流动型态的意义何在？
答：影响流动类型的因素有：内因：流动密度 、粘度 ；外因：管径d、流速u,即 。用它判断流动类型，什么样的流体、什么样的管子，流速等均适用，这样，就把复杂问题简单化了，规律化了，易学、易用易于推广。
（19）直管摩擦阻力的来源是什么？
答：来源于流体的粘性 流体在流动时的内摩擦，是流体阻力的内因或依据。其外因或内部条件可表示为：内摩擦力F与两流体层的速度差Δ 成正比；与两层之间的垂直距离Δy成反比；与两层间的接触面积A与成正比。
（20）影响直管阻力的因素是什么？如何影响？
答：根据 直管助力与管长 、管经d、速度u、磨擦系数 有关系。它与 、 、u2成正比，与d成反比。