流体阻力实验装置使用说明

阻力实验

一、实验目的

1、了解实验所用到的实验设备、流程、仪器仪表；

2、了解并掌握流体（水）流经直管和阀门引起的阻力损失及阻力系数（直管摩擦系数λ与局部阻力系数ξ）的测定方法及变化规律。并将λ(ξ)与Re的关系标绘在双对数坐标上。

3、掌握倒U形压差计的正确应用。

二、实验基本原理

1、流体在管内流量及Re的测定：

3

本实验采用涡轮流量计直接测出流量q[m/h]：

u4q/(3600*d2)Redu

[m/s]

 式中：d、ρ、μ— 管内径[m]、流体在测量温度下的密度和粘度 [Kg/m]、[PaS] 2、直管摩擦阻力损失ΔP0Af及摩擦阻力系数λ的测定

流体在管路中流动，由于粘性剪应力的存在，不可避免的会产生机械能损耗。根据范宁（Fanning）公式，流体在圆形直管内作定常稳定流动时的摩擦阻力损失为：

3

lu2p0Af[Pa]

d2式中：l——沿直管两测压点间距离，m；

λ——直管摩擦系数，无因次；

由上可知，只要测得ΔP0f即可求出直管摩擦系数。根据柏努里方程和U型管压差计对等径管读数的特性知：当两测压点处管径一样，且保证两测压点处速度分布正常时，U型管中所示压差读数ΔP既为流体流经两测压点处的直管阻力损失ΔP0f。

2pd 2ul式中：Δp——倒U管压差计读数，[Pa]

以上既是无论对粗糙管、近似光滑管以及不同相对粗糙度的直管，其阻力损失Δp、阻力系数λ的测定，以及随Re的变化规律的方法。

3、阀门局部阻力损失ΔPf、及其阻力系数ζ的测定

流体流经阀门时，由于速度的大小和方向发生变化，流动受到阻碍和干扰，出现涡流而引起的局部阻力损失为：

[Pa] 2式中：ζ――局部阻力系数，无因次。

对于测定局部管件的阻力如阀门，其方法是在管件前后的稳定段内分别有两个测压点。按流向顺序分别为1、2、3、4点，在1-4点和2-3点分别连接两个U形管，分别测出压差为ΔP14、ΔP23。

P'fu2 1

在2-3列BNL方程（2-3间直管长为L）

p2p3(gz22u22)(gz32u32)pf23

上式中，由于2、3点管径一样，管子水平放置，位能与动能项可消除；而总能耗可分为直管段阻力损失ΔPF23和阀门局部阻力损失ΔPF’，因此上式可简化为：

p23pf23p'f *

同理在1-4列BNL方程（1-4间直管长为2L）

p14pf14p'f2pf23p'f ** 以上*和**式联立解得： p'f2p23p14 则局部阻力系数为： 2(2p23p14) 2u三、实验装置流程 实验装置示意图如下。离心泵、循环水池、管道及架子等均为不锈钢材质。工作流体为水。其流程为：循环水池—离心泵—涡轮流量计—（调节阀—各测量管段）—上弯管—导流管—循环水池。 粗糙管光滑管4321局部阻力循环泵涡轮流量计循环槽 2

有关参数：

离心泵：材质为全不锈钢，型号：ISW40—125型，1.5Kw，H=20m 循环水池：700×440×400 （长×宽×高） 涡轮流量计：LWGY-15 0.6-6m3/h 液晶显示 压差计：±5000 Pa U型管（4个）

粗糙管测量段尺寸：φ26×2 内径φ22镀锌管 测点长1000 mm

相对光滑管段尺寸：φ25×1.5内径φ22不锈钢抛光管 测点长1000 mm

阀门测量段尺寸： φ25×1.5内径φ22 测点长a=100 b=400 mm 全开铜闸阀 总尺寸：2300×440×1750 （长×宽×高）

本实验消耗和水电配置设施：

自来水、红墨水；不需专门配置上下水，可用软管临时连接；

电负荷：1.5 Kw 配220三孔10A插座和380V四孔16A插座各一个

四、实验方法步骤与注意事项

1、熟悉：按事先（实验预习时）分工，熟悉流程，搞清各压差计的作用。

2、检查：检查各调节阀是否关闭，各压差计的三通球阀应处于 ┫、┣ 状态。 3、开车：启动离心泵（检查三相电及泵是否正转动）。开启流量计电源。

4、排气：(1) 打开各测定管路的调节阀到最大，让连接的所有的倒U管的三通球阀处于

┫、┣状态，让水从引压管排出以带走管内气体。当观察引压管内无气体时，关闭上面两根管路调节阀。关小最下边管路的调节阀，使管路内流量在涡轮流量计上维持在0.7[m3/h]左右。

(2) 双手分别握住某个倒U管下的左右两个三通球阀的阀柄，眼睛注视玻璃管。

将左边（或右边）的三通球阀调到┻状态，当看到左边（或右边）玻璃管内水上升到倒U管顶部时，将右边（或左边）的三通球阀迅速调到┻状态。此时两玻璃管内液面是不平齐的，因为有一定流量，所以存在一定液面差。同样方法操作其它三个倒U管。

⑶ 将下边管路阀门关闭，管路流量为0，观察各U形管内液面是否平齐，若不

平齐，说明引压管内气体没有排净，需重新排气操作。 注意：系统内空气是否排尽是正确进行本实验的关键操作。

液面平齐处不一定刚好处于中间0刻度，但测量时应会读数。这也是基本功。

5、测量：为了取得满意的实验结果，必须考虑实验点的布置和读数精度。

（1）在每定常流量下，应尽量同步地读取各测量值读数。包括流量、压差读数。 （2）每次改变流量，应以直管压差计读数ΔP0变化一倍左右为宜（既每次大约控制在100、200、400、800、1600、3200、最大）。为减小读数误差，直管最小压差读数ΔP0应≥Δ100Pa(既第一个实验点)。

说明：●这里说的控制在100、200等，指的是倒U管内的压差Pa，由于倒

U管内水液面不一定在刻度0处，因此应该会读压差；

●这里说的控制在100、200等，并不是一定在这个值，只要在此附近

就可以，如第1点在80—120，第2点在180—220之间就可以；

●最后一点是最大，对直管测定（粗糙管和光滑管）指的是阀门开到

最大，流量到最大，压差按实际压差记录即可；但对局部阻力测定，若将流量调到最大，由于压差较大，倒U管内将无法显示，因此这

3

里的最大指的是压差显示最大，大约在9000—10000之间。建议局部阻力测定按100、200、400、1600、3200、6400、最大进行。

●无论先作那个管段均可。

●作那根管，只开该管段阀门，其它两根阀门应关闭。

（3）当读取小流量下压差计读数时，宜稍等稳定后再读数。

（4）在调节流量时，应徐徐开启阀门，以压差计读数为调节依据。

6、停车：实验完毕，关闭三个调节阀，停泵即可。

友情提示：

1、在测取每个定常状况下，数据需同时测取，因此需要分工。最后数据进行汇总处理。 2、启动泵前检查相线和正倒转，是指长时间停用后，在启动前需检查；另在长时间不用

时，开启泵时注意观察泵启动声音和是否正常转动，以防止泵内异物卡住而烧坏电机，若连续使用可省去此步骤。

3、测量压差计的液面时，小流量时，波动小但液面要读准确；大流量时，液面波动大，

从中间估读注意上下波动位置。

4、实验的成功与否与实验者的测量读数精度有很大关系，因此要求同组同学必须认真对

待，精心操作。具体要求读数精度必须精确到仪表最小刻度的估读值，如本实验液面应精确到0.1mm，压差计读数精确到1 Pa。

特别注意：

1、因为泵是机械密封，必须在泵有水时使用，若泵内无水空转，易造成机械密封件升温损坏而导致密封不严，需专业厂家更换机械密封。因此，严禁泵内无水空转！！！！ 2、在启动泵前，应检查三相动力电是否正常，若缺相，及易烧坏电机；为保证安全，

检查接地是否正常；准备好上面工作后，在泵内有水情况下检查泵的转动方向，若反转流量达不到要求，对泵不利。

3、在调节流量时，泵出口调节阀应徐徐开启，严禁快开快关。

4、长期不用时，应将槽内水放静，并用湿软布擦拭水箱，防止水垢等杂物粘在上面。 5、严禁学生进入操作面板后，以免发生触电。

6、在冬季造成室内温度达到冰点时，设备内严禁存水。

7、操作前，必须将水箱内异物清理干净，需先用抹布搽干净，再往循环水槽内放水，启

动泵让水循环流动冲刷管道一段时间，再将循环水槽内水放净。再注入水以准备实验。 8、在实验过程中，严禁异物掉入循环水槽内，以免被泵吸入泵内损坏泵、堵塞管路和损

坏涡轮流量计。

五、调试记录与计算示例

本实验在厂内经过调试数据见附页，现以第1组数据为计算示例：

-3

水温25℃ 水密度=998.4 粘度=0.902×10 Pa 1、镀锌管：d=22 L=1000

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管内流速：u=q/3600/(1/4πd)= 0.464/3600/(1/4*3.14*0.022)=0.3392 [m/s] 管内Re： Re=duρ/μ=0.022*0.3392*998.4/0.902/1000=8302

22

阻力系数：λ=2Δpd/(ρul)=2*80*0.022/(998.4*0.3392*1)=0.03066 2、相对光滑管计算方法同上 3、局部阻力系数ζ的测定

22

管内流速： u=q/3600/(1/4πd)= 0.307/3600/(1/4*3.14*0.022)=0.2246 [m/s] 管内Re： Re=duρ/μ=0.022*0.2246*998.4/0.902/1000=5469

4

局部阻力系数ζ： 

2(2p23p14)2*(2*130120)5.560 22u998.4*0.2246 5