管路阻力实验报告.docx
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管路阻力实验报告
实验三管路阻力的测定
一、实验目的
1.学习管路阻力损失hf，管子摩擦系数λ及管件、阀门的局部阻力系数ζ的测定方法，并通过实验了解它们的变化，巩固对流体阻力基本理论的认识；
2.测定直管摩擦系数λ与雷诺数Re的关系；
3.测定管件、阀门的局部阻力系数。
二、基本原理
流体在管路中流动时，由于粘性剪应力和涡流的存在，不可避免地会产生流体阻力损失。
流体在流动时的阻力有直管摩擦阻力（沿程阻力）和局部阻力（流体流经管体、阀门、流量计等所造成的压力损失。
1.λ－Re关系的测定：
流体流经直管时的阻力损失可用下式计算：
L－直管长度，m；
d－直管内径，m；u－流体的流速，m/s；
λ－摩擦系数，无因次。
已知摩擦系数λ是雷诺数与管子的相对粗糙度（△/d）的函数，即
λ＝（Re,△/d）。
为了测定λ－Re关系，可对一段已知其长度、管径及相对粗糙度的直管，在一定流速（也就是Re一定）下测出阻力损失，然后按下式求出摩擦系数λ：
J/kg
其中，
为截面1与2间的压力差，Pa；ρ流体的密度，kg/m3。
用U形管压差计测出两截面的压力，用温度计测水温，并查出其ρ、μ值，即可算出hf，并进而算出λ。
由管路上的流量计可知当时的流速，从而可计算出此时的Re数；得到一个λ－Re对应关系，改变不同的流速，有不同的Re及λ，可得某相对粗糙度的管子的一组λ－Re关系。
以λ为纵坐标，Re为横坐标，在双对数坐标纸上作出λ－Re曲线，与教材中相应曲线对比。
2.局部阻力系数ζ的测定
流体流经阀门、管件（如弯头、三通、突然扩大或缩小）时所引起的阻力损失可用下式计算：
J/kg
式中ζ即为局部阻力系数。
只要测出流体经过管件时的阻力损失hf以及流体在相同直径的导管中的流速u，即可算出阻力系数ζ。
三、实验装置和流程
本实验装置主要设备有水箱和离心泵，离心泵1从水槽15吸入水，经调节阀3送到管路阻力测量系统。
经直管的压口10、弯头11、涡轮测量计13后送回水槽15。
测定管子摩擦系数和阀件阻力系数时，打开离心泵进口阀2、出口阀3.直管阻力损失和弯头阻力损失用U形压差计测定其压差，指示液为水。
管内水的流量由涡轮流量计测定。
用调节阀3可以改变流体通过管内的流速，从而计算出不同流动状态下的摩擦系数和弯头阻力系数。
1-离心泵2-泵进口阀3泵出口阀4-真空表5-压力表6-转速表7转速传感器8-冷却风扇
9-加水旋塞10-测压法兰11-弯头12-流量显示表13-透明涡轮流量变送器14-计量槽15-水槽
16-马达天平测功机
四、操作步骤
1.熟悉流程及使用的仪表；
2.实验前将水槽充满水，以后水可循环使用。
3.启动离心泵，使用离心泵时注意：
（1）离心泵在启动前要灌水排气；
（2）离心泵要在出口阀关闭的情况下启动；
（3）关闭前要先关出口阀。
4.排气：
为了减少实验误差，实验前应进行排气。
（1）管路排气；
（2）测压导管排气；
5.调节流量测取数据。
调节时可在流量变化的整个幅度内取8~10个读数。
每调一次流量后，应等稳定后同时读取各测定点的数据。
6.局部阻力的测定步聚与直管阻力相同，记录6~8组数据即可。
7.测定完毕，关闭出口阀，然后拉开电闸，停泵。
本实验的主要误差是压差计的读数，故每个点要多读几次数据，取其平均值。
五、实验结果以及数据处理
直管阻力数据表
序号
涡轮流量
计示值（L/s）
流量
Q
（m3/s）
流速（m/s）
直管压力（mmH2O）
h（J/Kg）
λ
Re
左
右
ΔR
1
4.19
0.00419
3.1984733
143.4
733.3
589.9
5.78102
0.0255987
148869.3
2
3.9
0.0039
2.9770992
165.2
678.1
512.9
5.02642
0.0256904
138565.7
3
3.66
0.00366
2.7938931
177.2
631.3
454.1
4.45018
0.0258259
130038.5
4
3.36
0.00336
2.5648855
190.3
573.4
383.1
3.75438
0.0258524
119379.6
5
3.07
0.00307
2.3435115
197.8
523.4
325.6
3.19088
0.0263193
109076
6
2.74
0.00274
2.0916031
201.5
470.6
269.1
2.63718
0.0273073
97351.25
7
2.4
0.0024
1.8320611
207.5
418.2
210.7
2.06486
0.0278682
85271.17
8
2.12
0.00212
1.6183206
208.8
376.4
167.6
1.64248
0.0284099
75322.87
9
1.72
0.00172
1.3129771
211
326.6
115.6
1.13288
0.0297692
61111.01
10
1.23
0.00123
0.9389313
212.5
273.8
61.3
0.60074
0.0308686
43701.48
图1λ——Re双对数图
计算范例：
涡轮流量计显示值×0.001=流量4.19（L/s）×0.001=0.00419（m3/s）
流量÷面积=流速0.00419÷3.14（0.0408/2）2=3.198473（m/s）
J/kg589.9×0.001/996.7=5.78102（J/Kg）
5.78102×0.0408×2÷1.8÷3.1984732=0.0255987
Re=duρ/μ0.0408m×3.198473×996.7÷0.8737=148869.3
管件阻力数据表
序号
涡轮流量
计示值（L/s）
流量
Q
（m3/s）
流速（m/s）
管件压力（mmH2O）
h（J/Kg）
ζ
Re
左
右
ΔR
1
4.19
0.00419
3.1984733
233.5
738
504.5
4.9441
0.966567
148869.3
2
3.9
0.0039
2.9770992
243.5
704.2
460.7
4.51486
1.018797
138565.7
3
3.66
0.00366
2.7938931
272.2
649.5
377.3
3.69754
0.947378
130038.5
4
3.36
0.00336
2.5648855
284.2
600.8
316.6
3.10268
0.943259
119379.6
5
3.07
0.00307
2.3435115
293.5
558.7
265.2
2.59896
0.946445
109076
6
2.74
0.00274
2.0916031
298.2
513.2
215
2.107
0.963243
97351.25
7
2.4
0.0024
1.8320611
303.5
470.1
166.6
1.63268
0.972862
85271.17
8
2.12
0.00212
1.6183206
305
436.2
131.2
1.28576
0.981885
75322.87
9
1.72
0.00172
1.3129771
308.5
398.1
89.6
0.87808
1.018708
61111.01
10
1.23
0.00123
0.9389313
309
356.5
47.5
0.4655
1.056044
43701.48
图2管件阻力图
计算范例：
涡轮流量计显示值×0.001=流量4.19（L/s）×0.001=0.00419（m3/s）
流量÷面积=流速0.00419÷3.14（0.0408/2）2=3.198473（m/s）
J/kg589.9×0.001÷996.7=5.78102（J/Kg）
Re=luρ/μ1.8m×3.198473×996.7÷0.8737=148869.3
ξ=2hf/u22×5.78102÷3.1984732=0.966567
讨论与分析：
1.从图1上所绘的图线可得随着lnRe的增大，lnλ随之减少。
对于本实验的讨论，从
以及Re=luρ/μ来验证，得到管路中的流动情况并不是呈现为层流状态。
从实验数据Re中可以得知，同时，图线也证实这一结论，假如流体的流动状态是层流，那么λ=64/Re那么取对数后的就会是lnλ=-lnRe+Ln64在图线呈现的图线为直线，而图上的线段为高次的曲线，从而驳斥了层流的假设，一次流体的流动情况为非层流的论点得以证实。
与此同时，从粗糙管紊流区的经验公式
可以推断，本实验的流体流动情况也不是粗糙管紊流，因为在这种情况下，雷洛数Re与λ没有联系，图线会呈现为水平线，而从图线可知雷洛数Re与λ存在联系，从而观点得证。
并且从无缝钢管的相对粗糙度为0.04～0.17以及Re的数量级可以确定为非粗糙湍流区。
2.对于图2，我们可以从实验中得到的图线为一段水平线，也就是随着lnRe的变化
lnξ的变化极不明显，在考虑到有实验误差的情况下，我们可以进一步得出，管件阻力ξ与雷洛系数Re不存在必然的联系。
而在本次实验当中阻力系数的值都比较接近于1，这可能跟管件材料很有关系。
3.综上所述，直管管路的阻力与雷洛数Re，可能有关也可能无关，要对Re进行分类讨论，而本次实验得出的数据就在Re与λ存在联系的区间内。
而同时，实验可得出管件阻力ξ与雷洛数Re不存在联系，而跟它本身的材料有关系。
所以，在设计管路的时候，我们因该考虑到这几个参考数的决定因素，从而更加合理地进行设计。
思考题：
1.测压孔的大小和位置，测压导管的粗细和长短对实验无影响，为什么？
答：
因为孔板式测压计的的测量原理只涉及到流量的密度、液柱差、孔板的面积，以及管道内径，与测压孔的大小和位置，测压导管的粗细和长短无关，公式Q=C0A0
中可以看出与题目的量无。
2.将实验曲线与教材上相应曲线比较。
分析其误差及误差产生的原因。
λ——Re双对数图
λ——Re莫迪图
分析：
从总体趋势上讲，曲线都有下降的趋势，并且随着趋势的下降曲线渐渐趋于平缓。
成因是由于随着雷洛数的增大流动，管内的流动情况就转变为粗糙管的湍流，即雷洛数与直管阻力无关，所以两个图像在尾端都成趋于平缓的势头。
而两图在前端的趋势有所区别，莫迪图的在前端随着雷洛数的减少，越接近层流，就越接近直线而且斜率为64/Re，但是双对数图是因为雷洛数越少，就越接近hf=
方程，即入=64/Re,取了对数后，就越接近水平线，所以比起莫迪图，双对数图在前端成较平缓的走势。
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