流體阻力實驗

1、流體阻力實驗一、流體阻力實驗（一）實驗目的1、學習直管摩擦阻力pf，直管摩擦系數(shù)的測定方法。2、掌握直管摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)Re和相對粗糙度之間的關系及其變化規(guī)律。3、掌握局部阻力的測量方法。4、學習壓強差的幾種測量方法和技巧。5、掌握坐標系的選用方法和對數(shù)坐標系的使用方法。（二）實驗內容1、測定實驗管路內流體流動的阻力和直管摩擦系數(shù)。2、測定實驗管路內流體流動的直管摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)Re和相對粗糙度之間的關系曲線。3、在本實驗壓差測量范圍內，測量閥門的局部阻力系數(shù)。（三）實驗原理1、直管摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)Re的測定流體在管道內流動時，由于流體的粘性作用和渦流的影響會產(chǎn)生阻力，流體在直管內流動阻力的大

2、小與管長、管徑、流體流速和管道摩擦系數(shù)有關，它們之間存在如下關系： （4-7） （4-8） （4-9）式中： d 管徑，m；直管阻力引起的壓強降，Pa；l 管長，m；u 流速，m/s； 流體的密度，kg/m3； 流體的粘度，N·s/m2。直管摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)Re之間有一定的關系，這個關系一般用曲線來表示。在實驗裝置中，直管段管長l和管徑d都已固定。若水溫一定，則水的密度和粘度也是定值。所以本實驗實質上是測定直管段流體阻力引起的壓強降與流速u（流量V）之間的關系。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和式（4-8）可計算出不同流速下的直管摩擦系數(shù)，用式（4-9）計算對應的Re，從而整理出直管摩擦系數(shù)和雷諾數(shù)的關

3、系，繪出與Re的關系曲線。 （4-10） （4-11）式中： 局部阻力系數(shù)，無因次；局部阻力引起的壓強降，Pa； 局部阻力引起的能量損失，J/kg。pfpf,bcpf,abccbaba圖4-10局部阻力引起的壓強降可用下面的方法測量：在一條各處直徑相等的直管段上，安裝待測局部阻力的閥門，在其上、下游開兩對測壓口a-a和b-b，見圖4-10，使ab=bc； ab= bc則 ； 在a-a之間列柏努利方程式：pa-pa=2+2+ （4-12）在b-b之間列柏努利方程式：pb-pb=2+2+ （4-13） =+聯(lián)立式（4-12）和（4-13），則： 為了實驗方便，稱(pb-pb)為近點壓差，稱(pa-

4、pa)為遠點壓差。（三）實驗裝置 本實驗裝置及流程如圖4-11所示。測量直管阻力的管道16×1.5mm的鎳黃銅管，水平位置。兩側壓接頭E、F之間的直管距離為1.80m，為了避免管件處渦流引起測量誤差。測壓接頭上游與管件隔開一定距離（通常為2040d），直管阻力用分裝在E點和F點的兩塊壓力表（單位為MPa）來測量。實驗用水是由離心泵自水槽輸給管道，經(jīng)轉子計流回水槽，循環(huán)使用。（四）實驗方法 （1）熟悉實驗裝置及流程。關閉泵的出口閥，啟動離心泵。 （2）打開管道上的出口閥門；再慢慢打開進口閥門，讓水流經(jīng)管道，以排出管道中的氣體。 （3）在進口閥全開的條件下，調節(jié)出口閥，流量由小到大或反之

5、，記錄810組不同流量下的數(shù)據(jù)。先使用倒U形壓差計，超過量程時切換至U形壓差計。注意流量的變更，應使實驗點在Re圖上分布比較均勻。 （4）數(shù)據(jù)取完后，關閉進、出口閥，停止實驗。（五）數(shù)據(jù)處理 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，計算Re及，在雙對數(shù)座標紙上標繪二者的關系，并與教材上的圖線比較之。（六）討論如果給你水泵、水槽、U形壓差計及轉子流量計，試設計一個測量某段直管阻力的流程圖。圖 管道流體阻力實驗裝置1、水槽；2、離心泵；3、鎳黃銅管；4、泵出口閥5、壓力表；6、轉子流量計；7、回水槽；8、排水閥數(shù)據(jù)記錄及整理表管內徑 mm； 管長EF= m水 溫 水粘度 Pas序號轉子流量計讀數(shù)M3/hum/sR e壓力表

6、讀數(shù)MPapN/m2備注左右差123二、流體力學綜合實驗流體力學綜合試驗為多個實驗組合，裝置結構示意圖如圖5-2所示?？蛇M行下列實驗：(一)雷諾試驗(二)能量方程實驗(三)管路阻力實驗1、沿程阻力實驗2、閥門局部阻力實驗(四)孔板流量計流量系數(shù)和文丘里流量計流量系數(shù)的測定方法(五)皮托管測流速和流量的方法（一）雷諾試驗1、實驗目的1）觀察流體在管道中的流動狀態(tài)；2）測定幾種狀態(tài)下的雷諾數(shù)；3）了解流態(tài)與雷諾數(shù)的關系；4）測定臨界雷諾數(shù)2、實驗裝置在流體力學綜合試驗中，雷諾試驗涉及的部分有高位水箱9，雷諾試管6，閥門14，柏努利方程實驗管道3，孔板流量計實驗管道4，閥門27和28，顏料水（蘭墨水

7、）瓶（及其開關）10，上水閥13，水泵17，和計量水箱20等，并自備秒表及溫度計。3、實驗前準備1）將試驗臺的各個閥門置于關閉狀態(tài)，開啟水泵，全開上水閥門13，使水箱注滿水，全開出水閥門14，27，28，再調節(jié)上水閥門13，使水箱的水位保持不變。（調節(jié)閥門13時，同時觀察溢水管12下部的小窗口，直至溢水管能維持少量溢流，即表明水箱水位已基本保持不變）2）用溫度計測量水溫4、實驗方法1）觀察流態(tài)打開顏料水控制閥，使顏料水從注入針中流出，顏料水和雷諾實驗管中的水將迅速混合成均勻的淡顏色水，此時，雷諾實驗管中的水為湍流；隨著出水閥門的不斷關小，顏料水與雷諾實驗管中水的混合程度逐漸減弱，直至顏料水在雷

8、諾實驗管中成一條清晰的線流，此時，雷諾試驗管中的水為層流流動，稱為層流。2）測定幾種狀態(tài)下的雷諾數(shù)全開出水閥門，再逐漸關閉出水閥門，直至能開始保持雷諾實驗管內顏料水處于層流狀態(tài)。然后，按照從小流量到大流量的順序進行試驗，在每一狀態(tài)下測量體積流量和水溫，并求出相應的雷諾數(shù)。試驗數(shù)據(jù)處理舉例：某一工況下體積流量Vs為 3.467×10-5m3/s，雷諾實驗管內徑d=0.014m，試驗時的水溫為5，查出相應的運動粘度=1.519×10-6m2/s，流速u=Vs/A=3.476×10-5/(/4)·0.0142=0.225m/s，雷諾數(shù)Re=u·d/=

9、0.014×0.225/1.519×10-6=2075根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和計算結果，可繪制出雷諾數(shù)與流量的關系曲線（圖5-3）。不同溫度，其曲線的斜率不同。3）測定下臨界雷諾數(shù)調整出水閥門，使雷諾實驗管的水流處于湍流狀態(tài)，然后緩緩地逐漸關小出水閥門，觀察管內顏色水流的變動情況，當關小到某一開度時，管內的顏料水流開始成為一條直的線流，此時，即為由湍流轉變成層流的下臨界狀態(tài)。記下此時的相應數(shù)據(jù)，便可求出下臨界雷諾數(shù)。圖5-2 流體力學綜合實驗裝置結構圖圖5-3 Re=Q關系曲線4）觀察層流狀態(tài)下的速度分布關閉出水閥門，用手擠壓顏料水開關下的膠管二到三下，使顏色水在一小段管內擴散到整個

10、斷面，然后，再微微打開出水閥門，使管內呈層流狀態(tài)流動，這時，就可以看到水在層流流動時呈拋物線狀，演示出管內水流流速的分布。（二）能量方程實驗1、實驗目的1）觀察流體流經(jīng)能量方程實驗管時的能量轉化情況，并對實驗中出現(xiàn)的現(xiàn)象進行分析，從而加深對能量方程的理解。2）掌握測量流體流速的原理。2、實驗裝置流體力學綜合實驗中，能量方程實驗部分涉及的有高位水箱9，能量方程實驗管3，雷諾實驗管6，孔板流量計實驗管4，閥門14、27、28，上水閥門13，水泵17，測壓板（圖中未繪出）和計量水箱20等。3、實驗前準備工作開啟水泵，全開上水閥門13使水箱注滿水，全開閥門14、27、28，再調節(jié)上水閥門13，使水箱水

11、位保持不變，有少量水溢流。4、實驗方法1）能量方程實驗調節(jié)閥門28至一定開度，測定能量試驗管3的四個斷面四組測壓管的液柱高度，并利用計量水箱和秒表測定流量。改變閥門28的開度，重復上述方法進行測試。將這些數(shù)據(jù)記入表中。根據(jù)測試數(shù)據(jù)和計算結果，繪出某一流量下的各種壓頭線（如圖5-4），并運用能量方程進行分析，解釋各測點各種壓頭的變化規(guī)律?？梢钥闯?，能量損失沿著流體流動方向是增大的；與比較，兩點管徑相同，所以動壓頭基本相同，但點的靜壓頭比I增大了，這是由于管徑變粗，速度減慢，動壓頭轉變?yōu)殪o壓頭；IV與III比較，位頭相同，但靜壓頭小了，可以明顯看出，是靜壓頭轉化為動壓頭了。實驗結果還清楚地說明了連

12、續(xù)方程，對于不可壓縮流體穩(wěn)定流動，當流量一定時，管徑粗的地方流速小，細的地方流速大。2）測速能量方程試驗管上的四組測壓管的任一組都相當于一個皮托管，可測得管內的流體速度。由于本試驗將總測壓管置于能量方程實驗管的軸線，所以測得的動壓頭代表了軸心處的最大流速。皮托管求點速度公式為：測點編號液柱高或差工況序號IIIIIIIV流量左右左右左右左右m3/s1總壓頭靜壓頭動壓頭壓頭損失2總壓頭靜壓頭動壓頭壓頭損失能量方程管斷面的中心線距基準線高度(實測)(mm)能量方程管內徑(mm)靜壓頭(mm)Q 圖5-4 的關系曲線而管內的平均流速可以通過流量來確定，平均流速公式為：在進行能量方程實驗的同時，就可以測

13、定出各點的軸心速度和平均速度。測試結果可記入表中測點號流速數(shù)項目I管徑d1= mmII管徑d2= mmIII管徑d3= mmIV管徑d4= mm軸心速度ub（m/s）平均速度(m/s）如果用皮托管求出所在截面的理論平均流速，可根據(jù)該截面中心處的最大流速、雷諾數(shù)與平均流速的關系，參考有關流體力學資料求出。（三）管道阻力實驗1、實驗目的1）觀察和測試流體在等徑直管中作穩(wěn)定流動及通過閥門時的能量損失情況。2）掌握管道沿程阻力系數(shù)和局部阻力系數(shù)的測定方法。3）了解阻力系數(shù)在不同流態(tài)、不同雷諾數(shù)下的變化情況。2、實驗裝置綜合試驗中涉及管道阻力實驗的部件有泵17，水箱18，實驗管道1、2、4、5，計量水箱

14、20，泵上水管及閥門13，和測壓板等。3、實驗前準備工作將實驗裝置各閥門置于關閉狀態(tài)，開啟上水閥門及各實驗管道閥門，將泵做瞬時啟動，檢驗系統(tǒng)是否有泄漏，排盡導壓膠管中的空氣。4、實驗方法1）等直徑管道沿程阻力實驗開啟上水閥13及管道1的各閥門及管道4的右側閥門。開啟水泵，待壓差穩(wěn)定后，讀取有關數(shù)據(jù)，填入下表中。如此，調節(jié)不同的流量，進行不同流量下的測試。實驗數(shù)據(jù)處理和分析根據(jù)沿程阻力損失hf計算沿程阻力系數(shù)：hf=式中：d實驗管道內徑，m L實驗管道試驗段長度，m Vs實驗時的體積流量，m3/s hf實驗段的阻力損失，m計算相應的雷諾數(shù)；式中：實驗工況下水的運動粘度 m2/s實驗工況下水流的平

15、均流速 m/s將實驗結果繪制在圖5-5的座標系中，可以看出，在Re2000（1gRe=3.3）時，所得實驗數(shù)據(jù)均落在直線=64/Re附近，此時僅與Re有關，而與管壁的粗糙度無關，這與理論的推導結果一致。圖5-5 項目測試結果序號流量測壓管指示(H2Omm)沿程阻力系數(shù)雷諾數(shù)Re水量(m3)時間(s)體積流量×10-5(m3/s)平均流速(m/s)左側右側沿程阻力hf12345678910111213141516 在2000<Re<4000（3.3<1gRe<3.6）范圍內，值很不穩(wěn)定。因為在此區(qū)間，流態(tài)可能是層流，也可能是湍流，是個過渡區(qū)，從而出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

16、當4000<Re<8000（3.6<1gRe<3.9）時，大部分實驗數(shù)據(jù)落在直線=0.3164/Re0.25附近，這與柏拉修斯（H·Bla Sius）給出的計算公式相吻合，這是因為實驗管段采用的是焊接鋼管，當量粗糙度為0.040.1。 由于水泵及試驗臺結構的限制，不能作出高雷諾數(shù)Re與不同粗糙度管子阻力系數(shù)的關系。 2）閥門阻力實驗 試驗管5上的閥門為被測閥門，壓力損失信號由導壓管引入壓差板。 進行此項實驗時，水泵的出水經(jīng)過試驗管道2再進入試驗管道5。被測閥門兩側的壓力信號在測壓板所指示的液柱差h，即表示出流體流經(jīng)閥門時的能量損失，由此，即可確定該閥門的局部阻

17、力系數(shù)：=2gh/u2調節(jié)不同流量，把測量不同流量下的能量損失及有關數(shù)據(jù)記入下表中。進行計算后，即可獲得閥門的阻力系數(shù)及其與雷諾數(shù)的關系。 注意：1）用水柱壓差計測量能量損失時，由于壓差不穩(wěn)定而容易產(chǎn)生誤差，特別是在小流量、小壓差下，誤差會更大，因此要多做幾個工況才能準確。2）實驗時，開關閥門要緩慢，否則會使湍流狀態(tài)提前出現(xiàn)，從而影響實驗效果。項目測試結果序號流量及流速壓差指示mmH2O阻力系數(shù)雷諾數(shù)Re水量m3時間s體積流量Vsm3/s平均流速m/s左側右側阻力損失h12345678（四）流量計流量系數(shù)的測定方法 1、實驗目的 測定文丘里及孔板流量計的流量系數(shù) 2、實驗裝置 在綜合試驗中，涉

18、及的部分有泵16，上水管及閥門13，文丘里實驗管道2，孔板實驗管道4，和計量水箱20。 3、實驗方法 文丘里和孔板流量計的流量系數(shù)測定可同時進行，水經(jīng)上水管流進管道2，再流經(jīng)管道4后，流回水箱。要關閉管道4的左端閥門23，其它無關的閥門都要關閉，以免分流。 檢查各閥門的開閉狀態(tài)無誤后，即可啟動水泵，使水循環(huán)。同時，調節(jié)流量，把導壓管中的氣體排出，以保證測壓準確。待液體流動平穩(wěn)后，方能進行測壓和流量計量。調節(jié)流量，進行不同流量工況下的測試，將測試的數(shù)據(jù)記入下表中。項目測試結果序號 液體總量V（m3）計時時間(s)單位時間流量qv1(m3/s)壓差h(m)計算流量qv2(m3/s)流量系數(shù)Co備注123456VS2= m3/s=KK= m2.5/s文丘里管： d2= m d1= m孔板流量計：d2= m d1= m流量系數(shù) ：Co=Vs1/Vs2孔板流量計、文丘里流量計，流量測量采用電測數(shù)顯法，計算機采集和處理數(shù)據(jù)。（五）皮托管測流速及流量的方法1、實驗目的學習用皮托管測流速及流量的方法2、實驗裝置實驗可以與流量計流量系數(shù)測定方法實驗同時進行，所以，所用裝置相同。3、實驗方法在記下孔板流量計和文丘里管的流量和壓差后，即可以讀取皮托管的測試數(shù)據(jù)。 計算流速的公式：u=式中：C皮托管修正系數(shù)； g重力加速度； h壓差板上顯示的液柱高差； PA靜壓；PB總壓；測壓管中流體密度皮托