流体流动阻力的测定
摘要：
本实验通过测定流体在不同管路中流动时的流量qv、测压点之间的压强差ΔP，结合已知的管路的内径、长度等数据，应用机械能守恒式算出不同管路的λ‐Re变化关系及突然扩大管的?-Re关系。从实验数据分析可知，光滑管、粗糙管的摩擦阻力系数随Re增大而减小，并且光滑管的摩擦阻力系数较好地满足Blasuis关系式：??0.3163Re0.25 。突然扩大管的局部阻力系数随Re的变化而变化。
一、 目的及任务
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验证湍流区内摩擦系数λ为雷诺数Re和相对粗糙度的函数。 ④将所得光滑管λ-Re方程与Blasius方程相比较。 二、 基本原理
1. 直管摩擦阻力 不可压缩流体，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相关，可表示为：
△p=?(d,l,u,ρ, μ, ε) 引入下列无量纲数群。
雷诺数 Re?相对粗糙度 管子长径比从而得到
du??? d
l d?pdu??l??(,,) 2?u?dd?令???(Re,)
d?pl?u2??(Re,) ?dd2可得到摩擦阻力系数与压头损失之间的关系，这种关系可用实验方法直接测定。
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lu2hf????
?d2?p式中
hf——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； ?——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。改变流速科测出不同Re下的摩擦阻力系数，这样就可得到某一相对粗糙度下的λ-Re关系。
(1)湍流区的摩擦阻力系数
?在湍流区内??f(Re,)。对于光滑管，大量实验证明，当Re在3?103~105d范围内，?与Re的关系式遵循Blasius关系式，即
??0.3163Re0.25
对于粗糙管，?与Re的关系均以图来表示。 (2)层流的摩擦阻力系数
64??
Re2. 局部阻力
u2hf??
2式中，ξ为局部阻力系数，其与流体流过管件的集合形状及流体的Re有关，当Re大到一定值后，ξ与Re无关，为定值。 三、 装置和流程
本实验装置如图，管道水平安装，实验用水循环使用。其中No.1管为层流管，管径Φ(6×1.7)mm,两测压管之间的距离1.2m；No.2管安装有球阀和截止阀两种管件，管径为Φ(27×3.5)mm；No.3管为Φ(27×3.5) mm不锈钢管；No.4为Φ(27×2.5) mm镀锌钢管，直管阻力的两测压口间的距离为1.5m；No.5为突然扩大管，管子由Φ(22×3) mm扩大到Φ(48×3) mm；a1、a2为层流管两端的两测压口；b1、b2为球阀的两测压口；c1、c2表示截止阀的两测压口；d1、d2表示不锈钢管的两测压口；e1、e2表示粗糙管的两测压口；f1、f2表示突然扩大管的两测压口。系统中孔板流量计以测流量。
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四、 操作要点
① 启动离心泵，打开被测管线上的开关阀及面板上与其对应的切换阀，关闭其他开关阀和切换阀，确保测压点一一对应。
② 系统要排净气体使液体连续流动。设备和测压管线中的气体都要排净，检验的方法是当流量为零时，观察U形压差计的两液面是否水平。 ③ 读取数据时，应注意稳定后再读数。测定直管摩擦阻力时，流量由大到小，充分利用面板量程测取10组数据。测定突然扩大管、球阀和截止阀的局部阻力时，各取3组数据。本次实验层流管不做测定。 ④ 测完一根管数据后，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、 数据处理 1、原始数据 水温：13.8℃
密度：999.7kg/m3 粘度：μ=1.305?10?3
1）、不锈钢管 d=20.5mm l=1.5m Q/m.h 4.37 3.50 3.01 2.51 2.02 1.61 1.30 1.00 0.90 0.80 P//kPa 12.55 6.79 5.17 3.72 2.54 1.72 1.17 0.75 0.62 0.51 2）、镀锌管 d=22.0mm l=1.5m Q/m.h 4.36 4.00 3.50 2.91 2.00 1.80 1.60 1.50 1.40 1.29 P//kPa 13.19 9.05 6.96 4.91 2.45 2.02 1.61 1.47 1.28 1.09 3）、突然扩大 d1=16.0mm l1=1.4m d2=42.0mm l2=280mm Q/m.h 4.0 3.0 2.0 P/kPa -5.60 -2.98 -1.23 4）、球阀 d=21.0mm l=1.5m Q/m.h 4.0 3.0 2.0 P/kPa 36.78 20.32 8.96 2、数据处理
1）不锈钢管，镀锌管以及球阀雷诺数和摩擦阻力系数用以下公式计算
3-13-13-13-10.75 0,70 0.44 0.41 1.20 1.10 0.94 0.81 雷诺数 Re?du??
lu2hf????
?d2?p式中
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