流體阻力實(shí)驗(yàn)

1、流體阻力實(shí)驗(yàn)一、流體阻力實(shí)驗(yàn)（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)習(xí)直管摩擦阻力pf，直管摩擦系數(shù)的測(cè)定方法。2、掌握直管摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)Re和相對(duì)粗糙度之間的關(guān)系及其變化規(guī)律。3、掌握局部阻力的測(cè)量方法。4、學(xué)習(xí)壓強(qiáng)差的幾種測(cè)量方法和技巧。5、掌握坐標(biāo)系的選用方法和對(duì)數(shù)坐標(biāo)系的使用方法。（二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、測(cè)定實(shí)驗(yàn)管路內(nèi)流體流動(dòng)的阻力和直管摩擦系數(shù)。2、測(cè)定實(shí)驗(yàn)管路內(nèi)流體流動(dòng)的直管摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)Re和相對(duì)粗糙度之間的關(guān)系曲線。3、在本實(shí)驗(yàn)壓差測(cè)量范圍內(nèi)，測(cè)量閥門的局部阻力系數(shù)。（三）實(shí)驗(yàn)原理1、直管摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)Re的測(cè)定流體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于流體的粘性作用和渦流的影響會(huì)產(chǎn)生阻力，流體在直管內(nèi)流動(dòng)阻力的大

2、小與管長(zhǎng)、管徑、流體流速和管道摩擦系數(shù)有關(guān)，它們之間存在如下關(guān)系： （4-7） （4-8） （4-9）式中： d 管徑，m；直管阻力引起的壓強(qiáng)降，Pa；l 管長(zhǎng)，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(guān)系，這個(gè)關(guān)系一般用曲線來(lái)表示。在實(shí)驗(yàn)裝置中，直管段管長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)實(shí)質(zhì)上是測(cè)定直管段流體阻力引起的壓強(qiáng)降與流速u（流量V）之間的關(guān)系。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和式（4-8）可計(jì)算出不同流速下的直管摩擦系數(shù)，用式（4-9）計(jì)算對(duì)應(yīng)的Re，從而整理出直管摩擦系數(shù)和雷諾數(shù)的關(guān)

3、系，繪出與Re的關(guān)系曲線。 （4-10） （4-11）式中： 局部阻力系數(shù)，無(wú)因次；局部阻力引起的壓強(qiáng)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(qiáng)降可用下面的方法測(cè)量：在一條各處直徑相等的直管段上，安裝待測(cè)局部阻力的閥門，在其上、下游開兩對(duì)測(cè)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(shí)驗(yàn)方便，稱(pb-pb)為近點(diǎn)壓差，稱(pa-

4、pa)為遠(yuǎn)點(diǎn)壓差。（三）實(shí)驗(yàn)裝置 本實(shí)驗(yàn)裝置及流程如圖4-11所示。測(cè)量直管阻力的管道16×1.5mm的鎳黃銅管，水平位置。兩側(cè)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(cè)量誤差。測(cè)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(diǎn)和F點(diǎn)的兩塊壓力表（單位為MPa）來(lái)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)用水是由離心泵自水槽輸給管道，經(jīng)轉(zhuǎn)子計(jì)流回水槽，循環(huán)使用。（四）實(shí)驗(yàn)方法 （1）熟悉實(shí)驗(yàn)裝置及流程。關(guān)閉泵的出口閥，啟動(dòng)離心泵。 （2）打開管道上的出口閥門；再慢慢打開進(jìn)口閥門，讓水流經(jīng)管道，以排出管道中的氣體。 （3）在進(jìn)口閥全開的條件下，調(diào)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(jì)，超過(guò)量程時(shí)切換至U形壓差計(jì)。注意流量的變更，應(yīng)使實(shí)驗(yàn)點(diǎn)在Re圖上分布比較均勻。 （4）數(shù)據(jù)取完后，關(guān)閉進(jìn)、出口閥，停止實(shí)驗(yàn)。（五）數(shù)據(jù)處理 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算Re及，在雙對(duì)數(shù)座標(biāo)紙上標(biāo)繪二者的關(guān)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(jì)及轉(zhuǎn)子流量計(jì)，試設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)量某段直管阻力的流程圖。圖 管道流體阻力實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)子流量計(jì)；7、回水槽；8、排水閥數(shù)據(jù)記錄及整理表管內(nèi)徑 mm； 管長(zhǎng)EF= m水 溫 水粘度 Pas序號(hào)轉(zhuǎn)子流量計(jì)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(xué)綜合實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)綜合試驗(yàn)為多個(gè)實(shí)驗(yàn)組合，裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖5-2所示?？蛇M(jìn)行下列實(shí)驗(yàn)：(一)雷諾試驗(yàn)(二)能量方程實(shí)驗(yàn)(三)管路阻力實(shí)驗(yàn)1、沿程阻力實(shí)驗(yàn)2、閥門局部阻力實(shí)驗(yàn)(四)孔板流量計(jì)流量系數(shù)和文丘里流量計(jì)流量系數(shù)的測(cè)定方法(五)皮托管測(cè)流速和流量的方法（一）雷諾試驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?）觀察流體在管道中的流動(dòng)狀態(tài)；2）測(cè)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(guān)系；4）測(cè)定臨界雷諾數(shù)2、實(shí)驗(yàn)裝置在流體力學(xué)綜合試驗(yàn)中，雷諾試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)管道3，孔板流量計(jì)實(shí)驗(yàn)管道4，閥門27和28，顏料水（蘭墨水

7、）瓶（及其開關(guān)）10，上水閥13，水泵17，和計(jì)量水箱20等，并自備秒表及溫度計(jì)。3、實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備1）將試驗(yàn)臺(tái)的各個(gè)閥門置于關(guān)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(diào)節(jié)上水閥門13，使水箱的水位保持不變。（調(diào)節(jié)閥門13時(shí)，同時(shí)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(jì)測(cè)量水溫4、實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)管中的水將迅速混合成均勻的淡顏色水，此時(shí)，雷諾實(shí)驗(yàn)管中的水為湍流；隨著出水閥門的不斷關(guān)小，顏料水與雷諾實(shí)驗(yàn)管中水的混合程度逐漸減弱，直至顏料水在雷

8、諾實(shí)驗(yàn)管中成一條清晰的線流，此時(shí)，雷諾試驗(yàn)管中的水為層流流動(dòng)，稱為層流。2）測(cè)定幾種狀態(tài)下的雷諾數(shù)全開出水閥門，再逐漸關(guān)閉出水閥門，直至能開始保持雷諾實(shí)驗(yàn)管內(nèi)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(jìn)行試驗(yàn)，在每一狀態(tài)下測(cè)量體積流量和水溫，并求出相應(yīng)的雷諾數(shù)。試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)管內(nèi)徑d=0.014m，試驗(yàn)時(shí)的水溫為5，查出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果，可繪制出雷諾數(shù)與流量的關(guān)系曲線（圖5-3）。不同溫度，其曲線的斜率不同。3）測(cè)定下臨界雷諾數(shù)調(diào)整出水閥門，使雷諾實(shí)驗(yàn)管的水流處于湍流狀態(tài)，然后緩緩地逐漸關(guān)小出水閥門，觀察管內(nèi)顏色水流的變動(dòng)情況，當(dāng)關(guān)小到某一開度時(shí)，管內(nèi)的顏料水流開始成為一條直的線流，此時(shí)，即為由湍流轉(zhuǎn)變成層流的下臨界狀態(tài)。記下此時(shí)的相應(yīng)數(shù)據(jù)，便可求出下臨界雷諾數(shù)。圖5-2 流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖圖5-3 Re=Q關(guān)系曲線4）觀察層流狀態(tài)下的速度分布關(guān)閉出水閥門，用手?jǐn)D壓顏料水開關(guān)下的膠管二到三下，使顏色水在一小段管內(nèi)擴(kuò)散到整個(gè)

10、斷面，然后，再微微打開出水閥門，使管內(nèi)呈層流狀態(tài)流動(dòng)，這時(shí)，就可以看到水在層流流動(dòng)時(shí)呈拋物線狀，演示出管內(nèi)水流流速的分布。（二）能量方程實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?）觀察流體流經(jīng)能量方程實(shí)驗(yàn)管時(shí)的能量轉(zhuǎn)化情況，并對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行分析，從而加深對(duì)能量方程的理解。2）掌握測(cè)量流體流速的原理。2、實(shí)驗(yàn)裝置流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)中，能量方程實(shí)驗(yàn)部分涉及的有高位水箱9，能量方程實(shí)驗(yàn)管3，雷諾實(shí)驗(yàn)管6，孔板流量計(jì)實(shí)驗(yàn)管4，閥門14、27、28，上水閥門13，水泵17，測(cè)壓板（圖中未繪出）和計(jì)量水箱20等。3、實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)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(diào)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(shí)驗(yàn)方法1）能量方程實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)閥門28至一定開度，測(cè)定能量試驗(yàn)管3的四個(gè)斷面四組測(cè)壓管的液柱高度，并利用計(jì)量水箱和秒表測(cè)定流量。改變閥門28的開度，重復(fù)上述方法進(jìn)行測(cè)試。將這些數(shù)據(jù)記入表中。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果，繪出某一流量下的各種壓頭線（如圖5-4），并運(yùn)用能量方程進(jìn)行分析，解釋各測(cè)點(diǎn)各種壓頭的變化規(guī)律?？梢钥闯觯芰繐p失沿著流體流動(dòng)方向是增大的；與比較，兩點(diǎn)管徑相同，所以動(dòng)壓頭基本相同，但點(diǎn)的靜壓頭比I增大了，這是由于管徑變粗，速度減慢，動(dòng)壓頭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為動(dòng)壓頭了。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還清楚地說(shuō)明了連

12、續(xù)方程，對(duì)于不可壓縮流體穩(wěn)定流動(dòng)，當(dāng)流量一定時(shí)，管徑粗的地方流速小，細(xì)的地方流速大。2）測(cè)速能量方程試驗(yàn)管上的四組測(cè)壓管的任一組都相當(dāng)于一個(gè)皮托管，可測(cè)得管內(nèi)的流體速度。由于本試驗(yàn)將總測(cè)壓管置于能量方程實(shí)驗(yàn)管的軸線，所以測(cè)得的動(dòng)壓頭代表了軸心處的最大流速。皮托管求點(diǎn)速度公式為：測(cè)點(diǎn)編號(hào)液柱高或差工況序號(hào)IIIIIIIV流量左右左右左右左右m3/s1總壓頭靜壓頭動(dòng)壓頭壓頭損失2總壓頭靜壓頭動(dòng)壓頭壓頭損失能量方程管斷面的中心線距基準(zhǔn)線高度(實(shí)測(cè))(mm)能量方程管內(nèi)徑(mm)靜壓頭(mm)Q 圖5-4 的關(guān)系曲線而管內(nèi)的平均流速可以通過(guò)流量來(lái)確定，平均流速公式為：在進(jìn)行能量方程實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，就可以測(cè)

13、定出各點(diǎn)的軸心速度和平均速度。測(cè)試結(jié)果可記入表中測(cè)點(diǎn)號(hào)流速數(shù)項(xiàng)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(guān)系，參考有關(guān)流體力學(xué)資料求出。（三）管道阻力實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?）觀察和測(cè)試流體在等徑直管中作穩(wěn)定流動(dòng)及通過(guò)閥門時(shí)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(cè)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(shí)驗(yàn)裝置綜合試驗(yàn)中涉及管道阻力實(shí)驗(yàn)的部件有泵17，水箱18，實(shí)驗(yàn)管道1、2、4、5，計(jì)量水箱

14、20，泵上水管及閥門13，和測(cè)壓板等。3、實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備工作將實(shí)驗(yàn)裝置各閥門置于關(guān)閉狀態(tài)，開啟上水閥門及各實(shí)驗(yàn)管道閥門，將泵做瞬時(shí)啟動(dòng)，檢驗(yàn)系統(tǒng)是否有泄漏，排盡導(dǎo)壓膠管中的空氣。4、實(shí)驗(yàn)方法1）等直徑管道沿程阻力實(shí)驗(yàn)開啟上水閥13及管道1的各閥門及管道4的右側(cè)閥門。開啟水泵，待壓差穩(wěn)定后，讀取有關(guān)數(shù)據(jù)，填入下表中。如此，調(diào)節(jié)不同的流量，進(jìn)行不同流量下的測(cè)試。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析根據(jù)沿程阻力損失hf計(jì)算沿程阻力系數(shù)：hf=式中：d實(shí)驗(yàn)管道內(nèi)徑，m L實(shí)驗(yàn)管道試驗(yàn)段長(zhǎng)度，m Vs實(shí)驗(yàn)時(shí)的體積流量，m3/s hf實(shí)驗(yàn)段的阻力損失，m計(jì)算相應(yīng)的雷諾數(shù)；式中：實(shí)驗(yàn)工況下水的運(yùn)動(dòng)粘度 m2/s實(shí)驗(yàn)工況下水流的平

15、均流速 m/s將實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制在圖5-5的座標(biāo)系中，可以看出，在Re2000（1gRe=3.3）時(shí)，所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均落在直線=64/Re附近，此時(shí)僅與Re有關(guān)，而與管壁的粗糙度無(wú)關(guān)，這與理論的推導(dǎo)結(jié)果一致。圖5-5 項(xiàng)目測(cè)試結(jié)果序號(hào)流量測(cè)壓管指示(H2Omm)沿程阻力系數(shù)雷諾數(shù)Re水量(m3)時(shí)間(s)體積流量×10-5(m3/s)平均流速(m/s)左側(cè)右側(cè)沿程阻力hf12345678910111213141516 在2000<Re<4000（3.3<1gRe<3.6）范圍內(nèi)，值很不穩(wěn)定。因?yàn)樵诖藚^(qū)間，流態(tài)可能是層流，也可能是湍流，是個(gè)過(guò)渡區(qū)，從而出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

16、當(dāng)4000<Re<8000（3.6<1gRe<3.9）時(shí)，大部分實(shí)驗(yàn)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(jì)算公式相吻合，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)管段采用的是焊接鋼管，當(dāng)量粗糙度為0.040.1。 由于水泵及試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)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(guān)系。 2）閥門阻力實(shí)驗(yàn) 試驗(yàn)管5上的閥門為被測(cè)閥門，壓力損失信號(hào)由導(dǎo)壓管引入壓差板。 進(jìn)行此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，水泵的出水經(jīng)過(guò)試驗(yàn)管道2再進(jìn)入試驗(yàn)管道5。被測(cè)閥門兩側(cè)的壓力信號(hào)在測(cè)壓板所指示的液柱差h，即表示出流體流經(jīng)閥門時(shí)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(diào)節(jié)不同流量，把測(cè)量不同流量下的能量損失及有關(guān)數(shù)據(jù)記入下表中。進(jìn)行計(jì)算后，即可獲得閥門的阻力系數(shù)及其與雷諾數(shù)的關(guān)系。 注意：1）用水柱壓差計(jì)測(cè)量能量損失時(shí)，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(huì)更大，因此要多做幾個(gè)工況才能準(zhǔn)確。2）實(shí)驗(yàn)時(shí)，開關(guān)閥門要緩慢，否則會(huì)使湍流狀態(tài)提前出現(xiàn)，從而影響實(shí)驗(yàn)效果。項(xiàng)目測(cè)試結(jié)果序號(hào)流量及流速壓差指示mmH2O阻力系數(shù)雷諾數(shù)Re水量m3時(shí)間s體積流量Vsm3/s平均流速m/s左側(cè)右側(cè)阻力損失h12345678（四）流量計(jì)流量系數(shù)的測(cè)定方法 1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?測(cè)定文丘里及孔板流量計(jì)的流量系數(shù) 2、實(shí)驗(yàn)裝置 在綜合試驗(yàn)中，涉

18、及的部分有泵16，上水管及閥門13，文丘里實(shí)驗(yàn)管道2，孔板實(shí)驗(yàn)管道4，和計(jì)量水箱20。 3、實(shí)驗(yàn)方法 文丘里和孔板流量計(jì)的流量系數(shù)測(cè)定可同時(shí)進(jìn)行，水經(jīng)上水管流進(jìn)管道2，再流經(jīng)管道4后，流回水箱。要關(guān)閉管道4的左端閥門23，其它無(wú)關(guān)的閥門都要關(guān)閉，以免分流。 檢查各閥門的開閉狀態(tài)無(wú)誤后，即可啟動(dòng)水泵，使水循環(huán)。同時(shí)，調(diào)節(jié)流量，把導(dǎo)壓管中的氣體排出，以保證測(cè)壓準(zhǔn)確。待液體流動(dòng)平穩(wěn)后，方能進(jìn)行測(cè)壓和流量計(jì)量。調(diào)節(jié)流量，進(jìn)行不同流量工況下的測(cè)試，將測(cè)試的數(shù)據(jù)記入下表中。項(xiàng)目測(cè)試結(jié)果序號(hào) 液體總量V（m3）計(jì)時(shí)時(shí)間(s)單位時(shí)間流量qv1(m3/s)壓差h(m)計(jì)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(jì)：d2= m d1= m流量系數(shù) ：Co=Vs1/Vs2孔板流量計(jì)、文丘里流量計(jì)，流量測(cè)量采用電測(cè)數(shù)顯法，計(jì)算機(jī)采集和處理數(shù)據(jù)。（五）皮托管測(cè)流速及流量的方法1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)習(xí)用皮托管測(cè)流速及流量的方法2、實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)可以與流量計(jì)流量系數(shù)測(cè)定方法實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，所以，所用裝置相同。3、實(shí)驗(yàn)方法在記下孔板流量計(jì)和文丘里管的流量和壓差后，即可以讀取皮托管的測(cè)試數(shù)據(jù)。 計(jì)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(cè)壓管中流體密度皮托