一、 实验目的
1、掌握层流流体经直路和管件时阻力损失的测定方法。通过实验了解流体流动中能量损失的变化规律。
2、测定直管摩擦系数λ与雷诺准数Re的关系。
3、测定流体流经闸阀等管件时的局部阻力系数ξ。
4、学会压差计和流量计的使用方法。
5、观察组成管路的各种管件、阀件，并了解其作用。
二、 实验原理
1、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 =
=
(1-1)
λ=
(1-2)
Re =
(1-3)
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。
2、局部阻力系数
的测定
(1-4)
(1-5)
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1-1 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1-1，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 (1-6) 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 (1-7)
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。
三、 实验装置流程示意图
实验装置如下图1-2所示。主要部分由离心泵，不同管径、材质的管子，各种阀门或管件，转子流量计等组成。从上向下第一根为不锈钢管，第二根为镀锌铁管，分别用于光滑管和粗糙管湍流流体流动阻力的测定。第三根为不锈钢管，其上装有待测管件（闸阀），用于局部阻力的测定。内径为10mm的细铜管，用于层流流动阻力的测定。
本实验的介质为水，由离心泵供给，经实验装置后的水流入储水箱内循环使用。
水流量用装在测试装置的转子流量计测量，直管段和管件的阻力分别用各自的到U形压差计测定。
图1-2 流体流动阻力测定实验装置流程图
(1)—大流量调节阀；(2)—大流量转子流量计；(3)—光滑管调节阀；(4)—粗糙管调节阀；(5)—光滑管；(6)—粗糙管；(7)—局部阻力阀；(8)—离心泵；(9)—排水阀；(10)倒U管(11) (11')—近端测压点；(12)(12')—远端测压点；(13)(13')—切断阀；(14)(14')—放空阀；(15)(15')—光滑管压差；(16)(16')—粗糙管压差；(17)—数字电压表；(18)—压差变送器
表1-1 装置参数
四、 实验步骤
1、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(13)(13')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(13)(13')两阀门，打开(14)(14')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8~10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(3)，打开粗糙管调节阀(4)。流量大于180L/h时，选择用差压数字表测量压差；流量小于180 L/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8~10组数据。
5、局部阻力测量：
关闭阀(3)和(4)，全开或半开阀门⑺，用倒U型管测量阀门(7)的近端和远端压差，改变流量重复测量8~10组数据。
6、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。
五、 实验数据处理
由表1-1可知：d光滑管=28.974mm，d粗糙管=27.7406mm，d局部阻力=27.8878mm，
d层流管=8mm，L层流管=2.5m，L光滑管=L粗糙管=L局部阻力=1.2m
水温t= 25.1℃时，μ＝0.8937 cP；ρ＝ 997 kg/m3
根据公式：ΔP=ρgΔh， u=4Q/( 3600πd2) ，Re= ， λ= ，
柏拉休斯方程λid=0.3164/Re0.25
六、 实验结果分析与讨论
层流与湍流的区分在于：当Re≤2000时，流体的流动类型属于层流；当Re≥4000时，流动类型属于湍流；而在2000~4000的范围内，可能是层流，也可能是湍流。从实验数据可以看到流体在光滑管、粗糙管、闸阀管内都属于湍流流动，因为其Re远大于4000，而在层流管内，当流体流速逐渐增大到0.040m3/h时，流体流动向过渡区靠近，但是通过公式λ=64/Re计算得到的λ与实验计算得到的数值偏差较大。
七、 思考题解答
1、流体流动时为什么会产生摩擦阻力？摩擦阻力以哪几种形式反映出来？
答：流体具有粘性，流动时存在内摩擦力，是流动阻力产生的根源。流体在管路中的阻力可分为直管阻力和局部阻力。
2、如何检验测试系统内的空气已经被排除干净？若测压管道中存有气体将对测量带来什么影响？
答：打开高压侧及低压侧阀门让水流入压差计，关闭平衡阀门，若水位平衡则表示空气被排除干净。
若管道内存在气体，则Re的测量值将偏大。
3、以水做介质所测得的关系能否适用于其他流体？
答：不可以。Re是μ，ρ的函数，不同液体μ，ρ并不相同。
4、若要减少流动时的阻力，你认为可以从哪些方面着手？
答：由沿程阻力的公式可知，增大管径，缩短管长，降低流速，较少的采用管阀件，可以减少流动阻力。但考虑到实际生产的需要和资金上的的限制，应综合考虑跟方面因素统筹最佳方案。