实验一 流体流动阻力的测定

1.1实验目的

(1) (2) (3)

熟悉测定流体流经直管和管件时的阻力损失的实验组织方法及测定摩擦系数的工程意义；

学会用量纲分析方法解决工程实际问题；

学会压差计、流量计的使用方法以及识别管路中各个管件、阀门的作用。

1.2基本原理

由于流体粘性的存在，流体在流动的过程中会发生流体间的摩擦，从而导致阻力损失。层流时阻力损失的计算式是由理论推导得到的；湍流时由于情况复杂得多，未能得出理论式，但可以通过实验研究，获得经验的计算式。其研究的基本步骤如下：

2. 寻找影响过程的主要因素

对所研究的过程作初步的实验和经验的归纳，尽可能地列出影响过程的主要因素。对湍流时直管阻力损失hf与诸多影响因素的关系式应为：

h f =f (d, u,ρ,μ,l,ε) (1)

2. 量纲分析法规划实验

当一个过程受多个变量影响时，通常用网络法通过实验以寻找自变量与因变量的关系，以（1）式为例，若每个自变量的数值变化10次，测取hf的值而其他自变量保持不变，6个自变量，实验次数将达106。为了减少实验工作量，需要在实验前进行规划，以尽可能减少实验次数。量纲分析法是通过将变量组合成无量纲数群，从而减少实验自变量的个数，大幅度地减少实验次数，其可以由π定理加以证明：

在物理方程量纲一致性的条件下，任何一个方程都可化为无量纲方程，无量纲方程的变量总数=原方程变量总数—基本量纲数,（1）式共有7个变量总数，在流体力学范畴，基本量纲共有3个，它们是[L]、[M]、[T], π定理告诉我们：

无量纲数群的个数π=7-3=4 则： π1=

[L]d

π2=

ll [L]dπ3=

[MLT]11[ML][L][LT]

31Re1

π4=

hf[LT]22hfu2 量纲分析法可以将对（1）式的研究转变成对以下（2）式的4个无量纲数之间的关系的研究。 即：

hfu2f'(dul,,) （2） dd由于

hfl与2成正比，那么以上（2）式可写为： dudulu2,) hff( （3） dd2若实验设备是水平直管，以上（3）式可写为：

Pdulu2f(,) （4） dd2lu2 （5）所以： d2P即： f(du,) （6） dPu2局部阻力： （7） 2由（5）式可知，为了要测定（6）式的曲线关系，若装置已经确立，物系也已确定，那

么λ只随Re而变，实验操作变量仅是流量，改变流量的手段是阀门的开度，由阀门开度的变化达到改变流速u的目的，因此在管路中需要安装一个流量计；在直径为d、长度为l的水平直管上，引出二个测压点，并接上一个压差计；现测2根直管，切换实用1个压差计；同时测定2种局部阻力系数，切换使用再需要1个压差计；实验体系确定后，ρ、μ是物性参数，它们只取决于实验温度，所以，在实验装置中需要安装测流体的温度计；再配上变频器、水槽、泵、阀门、管件等组建成以下循环管路，见如下实验装置流程图。

1.3 实验流程图

图1 流体流动阻力实验流程图

1.4 实验步骤

1. 关闭出口控制阀，打开平衡阀，打开光滑管引压阀、光滑管切换阀、弯头引压阀，关

闭其它所有阀；打开引水阀，灌泵，放气，然后关闭这2个阀；打开总电源；启动泵。 2. 系统排气

（1） 总管排气：先将控制阀开足然后再关闭，重复三次，目的为了使总管中的大部

分气体被排走，然后打开总管排气阀，开足后再关闭，重复三遍。

（2） 引压管排气：依次对4个放气阀进行排气，将阀门开、关重复三次。 （3） 压差计排气：关闭2个平衡阀，重复上述（2）步骤。

3. 检验排气是否彻底是将控制阀开至最大，再关至为零，看压差变送器计读数，若前后

读数相等，则判断系统排气彻底；若前后读数不等，则重复上述（2）、（3）步骤。 4. 由于系统的流量计量采用涡轮流量计，其小流量受到结构的限制，因此，从大流量做

起，实验数据比较准确。 5. 实验布点

先将控制阀开至最大，读取流量显示仪读数qv大，在qv大和流量为0.2或0.1之间布15个点，考虑实验的合理布点，遵从大流量时少布点，小流量时多布点的原则。 6. 光滑管阻力和弯头局部阻力的实验结束后，打开平衡阀，关闭阻力控制阀；

7. 切换流体至粗糙管和阀门，即打开粗糙管引压阀、粗糙管切换阀、阀门引压阀，关闭

其它所有阀；

8. 重复步骤5，得到粗糙管阻力和弯头局部阻力的实验数据。

9. 实验结束后，打开平衡阀，关闭阻力控制阀，打开离心泵控制阀，进行离心泵特性曲

线测定，实验结束，上机数据处理。

1.5 阻力原始数据和运算结果

1、一次性原始数据记录

装置号 ，水温 ℃，光滑管管长 m，光滑管管径 mm，粗糙管管长 m，粗糙管管径 mm，弯头管径 mm，阀门管径 mm 2、原始数据表 No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 流量 qv(L/s) 光滑管压差 异径弯头压差 Δp光（kPa） Δp异（kPa） No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 流量 qv(L/s) 粗糙管压差 阀门压差 Δp粗（kPa） Δp阀（kPa） 15 15 1.6数据处理

1. 上机处理数据或手工绘图，绘制λ～Re曲线图形； 2. 测定局部阻力系数；

3. 选择一组数据进行计算，并与上机结果比较。

1.7思考题

1. 实验布点服从什么规则？为什么？

2. “平衡阀”有何作用？在什么情况下它是开着的？又在什么情况下它应该是关闭的？

3. 为什么本实验数据必须在对数坐标纸上进行标绘？ 4. 总结实验注意事项，分析实验结果。 5.