(A-4)单相流动阻力测定实验
单向流动阻力测定实验
装置说明书
天津大学化工基础实验中心
2012．09
一、实验目的：
1. 学习直管摩擦阻力△P f 、直管摩擦系数λ的测定方法。
2. 掌握直管摩擦系数λ与雷诺数Re 和相对粗糙度之间的关系及其变化规律。 3. 掌握局部摩擦阻力△P f 、局部阻力系数ζ的测定方法。 4. 学习压强差的几种测量方法和提高其测量精确度的一些技巧。
二、实验内容：
1. 测定实验管路内流体流动的阻力和直管摩擦系数λ。
2. 测定并绘制实验管路内流体流动的直管摩擦系数λ与雷诺数Re 和相对粗糙度之间的关系曲线。
3. 测定管路部件局部摩擦阻力△P f 和局部阻力系数ζ。
三、实验原理：
1. 直管摩擦系数λ与雷诺数Re 的测定
流体在管道内流动时，由于流体的粘性作用和涡流的影响会产生阻力。流体在直管内流动阻力的大小与管长、管径、流体流速和管道摩擦系数有关，它们之间存在如下关系： h f = λ=
∆P f
l u 2
=λ （1-1）
d 2
2d ∆P f
⋅2 （1-2）ρ⋅l u
Re =
d ⋅u ⋅ρ
μ
（1-3）
式中：d -管径，m ； ∆P f -直管阻力引起的压强降，Pa ；
l -管长，m ； ρ-流体的密度，kg / m3；
u -流速，m / s； μ-流体的粘度，N ·s / m2。
直管摩擦系数λ与雷诺数Re 之间有一定的关系，这个关系一般用曲线来表示。在实验装置中，直管段管长l 和管径d 都已固定。若水温一定，则水的密度
ρ和粘度μ也是定值。所以本实验实质上是测定直管段流体阻力引起的压强降
∆P f 与流速u （流量V ）之间的关系。
根据实验数据和式（1-2）可计算出不同流速下的直管摩擦系数λ，用式（1-3）计算对应的Re ，从而整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系，绘出λ与Re 的关系曲线。
2. 局部阻力系数ζ的测定: h 'f =
∆P ' f
ρ
u 2
（1-4） =ζ2
⎛2⎫∆P ' f
ζ= ρ⎪⎪⋅u 2 （1-5）
⎝⎭
式中：ζ-局部阻力系数，无因次；
∆P f ' -局部阻力引起的压强降，Pa ；
h ' f -局部阻力引起的能量损失，J ／kg 。
图-1 局部阻力测量取压口布置图
局部阻力引起的压强降∆P f ' 可用下面的方法测量：在一条各处直径相等的直管段上，安装待测局部阻力的阀门，在其上、下游开两对测压口a-a' 和b-b ＇，见图1-1，使ab ＝bc a＇b ＇＝b ＇c ＇ 则 △P f ，a b ＝△P f ，bc ； △P f ，a ＇b ＇= △P f ，b ＇c ＇
在a~a＇之间列柏努利方程式： Pa －P a ＇ =2△P f ，a b +2△P f ，a ＇b ＇+△P ＇f （1-6） 在b~b＇之间列柏努利方程式： Pb －P b ＇ = △P f ，bc +△P f ，b ＇c ＇+△P ＇f
= △P f ，a b +△P f ，a ＇b ＇+△P ＇f （1-7） 联立式（1-6）和（1-7），则：∆P f ' ＝2（P b －P b ＇）－（P a －P a ＇）
为了便于区分，称（P b －P b ＇）为近点压差，（P a －P a ＇）为远点压差。其数值通过差压传感器来测量。 四、实验装置基本情况: 1. 实验装置技术参数
离心泵：型号WB 70/055 流量8m 3／h 扬程:12m 电机功率550W 被测直管段：光滑管管径d=0.0078 (m) 管长L-1.70 (m) 材料不锈钢
粗糙管管径d=0.01 (m) 管长L-1.70(m) 材料不锈钢
被测局部阻力直管:管径d=0.015(m) 管长L-1.70(m) 材料不锈钢 玻璃转子流量计： 型号LZB —25 测量范围100~1000（L/h）
型号 LZB—10 测量范围10~100（L/h）
压差传感器： 型号LXWY 测量范围200 KPa 数字显示仪表: 温度测量 Pt100 数显仪表：AI501B
压差测量 压差传感器 数显仪表：AI501BV24
2. 单相流动阻力测定实验装置流程示意图（见图-2）
图-2 单相流动阻力测定实验装置流程示意图
1-水箱；2-离心泵；3、4-放水阀；5、13-缓冲罐；6-局部阻力近端测压阀； 7、15-局部阻力远端测压阀；8、20-粗糙管测压阀；9、19-光滑管测压阀； 10-局部阻力管阀；11-U 型管进出水阀；12-压力传感器；14-大流量调节阀； 15、16-水转子流量计；17-光滑管阀；18-粗糙管阀；21-倒置U 型管放空阀； 22-倒置U 型管；23-水箱放水阀；24-放水阀；
3. 单相流动阻力测定实验装置面板示意图见图-3
图3 实验装置面板示意图
五、实验方法及步骤：
（1）向储水槽内注水至水满为止。(最好使用蒸馏水，以保持流体清洁) （2）光滑管阻力测定：
·关闭粗糙管路阀门，将光滑管路阀门全开，在流量为零条件下，打开通向倒置U 型管的进水阀，检查导压管内是否有气泡存在。若倒置U 型管内液柱高度差不为零，则表明导压管内存在气泡。需要进行赶气泡操作。导压系统如图三所示。操作方法如下：
加大流量，打开U 型管进出水阀门11，使倒置U 型管内液体充分流动，以赶出管路内的气泡；若观察气泡已赶净，将流量调节阀24关闭，U 型管进出水阀11关闭，慢慢旋开倒置U 型管上部的放空阀26后，分别缓慢打开阀门3、4，使液柱降至中点上下时马上关闭，管内形成气—水柱，此时管内液柱高度差不一定为零。然后关闭放空阀26，打开U 型管进出水阀11，此时U 型管两液柱的高度差应为零（1—2mm 的高度差可以忽略），如不为零则表明管路中仍有气泡存在，需要重复进行赶气泡操作。
· 该装置两个转子流量计并联连接，根据流量大小选择不同量程的流量计测量流量。
· 差压变送器与倒置U 型管亦是并联连接，用于测量压差，小流量时用∪型管压差计测量，大流量时用差压变送器测量。应在最大流量和最小流量之间进行实验操作，一般测取15～20组数据。
注：在测大流量的压差时应关闭U 型管的进出水阀11，防止水利用U 型管形成
回路影响实验数据。
图-4 导压系统示意图
3、4-排水阀；11-U 型管进水阀；12-压力传感器；26-U 型管放空阀；27-U 型管
(3) 粗糙管阻力测定：关闭光滑管阀，将粗糙管阀全开，从小流量到最大流量，测取15~20组数据。
(4) 测取水箱水温。待数据测量完毕，关闭流量调节阀，停泵。 (5) 粗糙管、局部阻力测量方法同前。
六、实验操作注意事项：
1．启动离心泵之前以及从光滑管阻力测量过渡到其它测量之前，都必须检查所有流量调节阀是否关闭。
2．利用压力传感器测量大流量下△P 时, 应切断空气—水倒置∪型玻璃管的阀门否则将影响测量数值的准确。
3．在实验过程中每调节一个流量之后应待流量和直管压降的数据稳定以后方可记录数据。
七、附数据处理过程举例： 计算过程 1. 流体阻力测量
(1) 直管摩擦系数λ与雷诺数Re 的测定
①光滑管、小流量数据：Q ＝60(L／h) h ＝67(ｍｍH 2O)( 表一第17组数据)
实验水温t =27.7℃ 粘度μ＝0.85×10-3 (Pa.s) 密度ρ＝995.81（kg ／m 3）
管内流速 u =
Q (d 2) 4
=
60/3600/1000
=0. 35（m/s） 2
(π/4) ⨯0. 0078
阻力降 ∆P f =ρ⋅g ⋅h =995.81⨯9. 81⨯67/1000=656(Pa) 雷诺数 Re =
d ⋅u ⋅ρ
μ
0. 0078⨯0. 35⨯995.81==3.19×103 -3
0. 85⨯10
2d ∆P f 2⨯0. 0078656λ=⨯=⨯=4.97×10-2 阻力系数 22
ρ⋅L u 995.81⨯1.700. 35
②粗糙管、大流量数据：Q ＝300(L／h) △P ＝24.7(kPa)(表二第13组数据) 实验水温t =27.7℃ 粘度μ＝0.85×10-3 (Pa.s) 密度ρ＝995.81（kg ／m 3） 管内流速 u =
Q () d 24
=
300/3600/1000
=1.06 （m/s） 2
(π/4) ⨯0. 01
阻力降 ∆P f =24.7×1000 = 24700（Pa) 雷诺数 Re =
d ⋅u ⋅ρ
μ
=
0. 01⨯1. 06⨯995.81
=1.24×104 -3
0. 85⨯10
2d ∆P f 2⨯0. 0124700
⨯2=⨯阻力系数 λ== 0.26 ρ⋅L u 995.81⨯1. 701. 062
2. 局部阻力系数ζ的测定
局部阻力实验数据：Q ＝800(L／h) 近端压差＝49.6(kPa) 远端压差＝50.1(kPa) 实验水温t =29.2℃ 粘度μ＝0.82×10-3 (Pa.s) 密度ρ＝995.40（kg ／m 3） 管内流速： u =
Q (d 2)
4
=
800/3600/1000
=1. 26（m/s） 2
(π/4) ⨯0. 0015
局部阻力： ∆P f ' ＝2(Pb －P b ＇) －(Pa －P a ＇)
=（2×49.6-50.1）×1000=49100（Pa)
⎛2⎫∆P ' f ⎛2⎫49100
局部阻力系数： ζ= ρ⎪⎪⋅u 2= 995.40⎪⨯1. 262=62. 3
⎝⎭⎝⎭
3. 单相流动阻力实验数据记录表（光滑管）见表一 表一 单相流动阻力实验数据记录表（光滑管）
4. 单相流动阻力实验数据记录（粗糙管）见表二 表二 单相流动阻力实验数据记录表（粗糙管）
5. 单相流体阻力实验装置数据记录（局部阻力）见表三 表三 流体阻力实验数据记录表（局部阻力） 6. 直管摩擦阻力系数与雷诺准数关系图见图5
图5 直管摩擦阻力系数与雷诺准数关系图