贵州理工学院化工原理实验报告
学院：化学工程学院 专业： 班级：
姓名
杨思淋
学号
2013071514
实验组号
实验日期
2015,4,6
指导教师
张妙鹤，罗孜
成绩
实验名称
流体流动阻力的测定
、实验目的
1、了解流体流动阻力的测定方法。
2、测定流体流过直管时的摩擦阻力，并确定摩擦系数 与雷诺数 Re的关系。
3、测定流体流过管件(本实验为截止阀、球阀、突然扩大)时的局部阻力，并求出阻力系数 ξ。
二、实验原理 流体在管路中流动时，由于粘性剪应力和涡流的存在，不可避免的会引起压强损耗。这种损耗 包括流体经过直管的沿程阻力以及因流体运动方向改变或因管子大小形状改变所引起的局部阻 力。
1、沿程阻力
液体在水平均匀管道中稳定流动时，由截面 1 到截面 2，阻力损失表现在压强的降低： P1 P2
影响阻力损失的因素十分复杂，目前尚不能完全用理论方法求解，必须通过实验研究其规律。
为了减少实验工作量，扩大实验结果的应用范围，可采用量纲分析法将各变量综合成准数关系 式。
影响阻力损失的诸因素有： 流体性质：密度 ρ，粘度 μ； 管路的几何尺寸：管径 d，管长 l ，管壁绝对粗糙度 ε； 流动条件：流速 u。
可表示为： P f d,l, , ,u, 。
P du ,l , P l (Re ) u2 组合成如下的无因次式： u d d ， d d 2 ，
Re w f P l u2
引入 d ，则上式变为 d 2 ，式中， λ 称为直管摩擦系数，层流时， λ=64/Re；湍流时 λ 与 Re 的关系受管壁粗糙度的影响，需由实验求得。
根据伯努利方程可知，流体流过直管的沿程阻力损失，可直接由所测得的液柱压差计读数 R算
出： P R 指 空 g 。
其中： ρ 指——压差计中指示液密度， kg/m3。本实验中用水作指示液，另一流体为空气，由于 ρ 空 <<ρ 水，所以 ρ 空可以忽略。
R一一倒 U型管中水位差， m。
g 一一重力加速度， g=9.81m/s 2。
2、局部阻力
局部阻力通常有两种表示方法，即当量长度法和阻力系数法。
（1）当量长度法 流体流过某管件或阀门时，因局部阻力造成的损失，相当于流体通过与其具有相同管径的若干 米长度的直管阻力损失， 这个直管长度称为当量长度，用符号 l e 表示。这样，就可以用直管阻
l le u2d2力的公式来计算局部阻力损失，而且在管路计算时，可将管路中的直管长度与管件，阀门的当 量长度合并在一起计算，如管路中直管长度为 l ，各种局部阻力的当量长度之和为∑
l le u2
d2
2u wpwp 为表示： 2 。wf 体在管路中流动时的总阻力损失∑w f 为： （2）阻力系数法 流体通过某一管件或阀门的阻力损失用流体在管路中的动能系数 式中， ζ——
2
u wp
wp 为表示： 2 。
三、实验装置
图 1. 实验装置
1、离心泵 2 、水箱放净阀 3 水箱 4、总阀门 5 、涡轮流量计 6 、泵入口压力表 7 、泵出口压 力表 8、离心泵实验开关 9、10、11、12 流体阻力实验各管路开关阀 13 、高位槽上水阀 14、高 位槽 15 、球阀 16 、截止阀 17 、流量调节阀 18 、层流管流量调节阀 19 、高位槽液流管 如上图所示，在设备中有 8 条横向排布的管线，自上而下分别为：
No.1 层流管，为 φ6×1.7mm的不锈钢管， 1.2m；
No.2 球阀与截止阀连接管，为 φ27× 3.25mm的不锈钢管；
No.3 光滑管，为 φ27×3.25mm的不锈钢管， 1.5m；
No.4 粗糙管，为 φ27×2.5mm的镀锌管， 1.5m；
No.5 突然扩大管，为 φ22×3mmφ- 48×3mm的不锈钢管；
No.6 离心泵实验管线，为 φ48× 3mm的不锈钢管；
测压口间距： 0.25m
四、实验步骤
1、流程说明 离心泵将水箱里的清水打入系统中，经涡轮流量计计量后，通过管路切换阀（ 8~12）进入相应
的测量管线，在管内的流动压头损失，可由压差传感器（或倒 U型压差计）测量。实验中，可 以通过调节流量调节阀测定不同流量下的压头损失。
2、操作说明 先熟悉流程中的仪器设备及与其配套的电器开关，并检查水箱内的水位，然后开启离心泵，打 开阀门 4。在实验开始前，系统要先排净气体，使液体连续流动。若有变频器，则启动水泵后 还需启动变频器（见本实验最后其他说明）。
3、系统排气
首先，打开被测的管路开关阀（ 8~12 阀门中的一个），关闭其他管路开关阀，并将流量调节阀 17 打开，但流量不要开的太大，将管路内的气体排净；同时，测压管线排气（见 4），排气后，
关闭流量调节阀，检查倒 U 型压差计两边的液面。若相平，则可以开始实验，若不平，则需要 重新排气；
实验中，倒 U型压差计测量数据时， 则将管路开关阀打开， 用阀 17 调节水流量，用涡轮流量计 5计量流量。若只用压力传感器测量数据时，可以用阀门 17 调节水流量，也可以将阀 17 全开， 用管路开关阀（ 8~12 中相应的阀门）调节流量。读取数据时，应注意稳定后再读数。测量局部 阻力系数时，各测取 3 组数据，测量直管摩擦系数时，测取 10 组以上数据，若有变频器，可将 变频器的频率设定为 40-45Hz，这样可以降低离心泵的压力，从而使数据更加稳定。
测完一套管路的数据后，关闭流量调节阀，再次检查倒 U 型压差计的液面是否向平。然后重复 以上步骤，测取管路的数据。
4、测压管线排气说明
图 2 为管路测压联通器与倒 U型压差计的示意图，其中 a1，a2，,, ， f1，f2 ，分别与图 1中 的 a1，a2，,, ， f1 ，f2 相连接，与它们相连接的阀门，为设备操作面板上的测压切换阀，若 要测某管路的压降，即打开与其相连的测压管线上的测压切换阀，关闭其它管线上的阀门，则 压力传感器与倒 U 型压差计上测量的压降即为该管路上的压降。测压管的排气方法：
打开 v3、v4、 v5、v6,10-30 秒（层流实验时 30-60 秒）；
关闭 v3、v4；
打开 v7，将倒 U型压差计中的水排净；
关闭 v5、v6、 v7；
打开 v3、v4，使水进入倒 U型压差计；
关闭流量调节阀 17，此时若倒 U型压差计中的差值为 0，则说明管线中的气已排净。
⑦若只想用压力传感器测量压力不用倒 U 型压差计，可在排净系统中的气之后，关闭 v3、v4， 此时倒 U 型压差计的液位差将不随流量的变化而变化。
图 2. 管路测压联通器与倒 U 型压差计
五、原始数据记录
球阀
序 号
Vs(m3/h )
左（Pa ）
右(Pa )
1
4.51
2950
-2600
2
4.22
3450
-1460
3
3.92
3700
-550
4
3.60
3850
250
5
3.31
3910
820
注释：
d=0.0205m
t=39 ℃
ρ=995.95kg/m3
序号
3
Vs(m3/h )
粗糙管
压力 左（Pa ）
右(Pa )
1
3.18
5180
-3150
2
2.85
4520
-2330
3
2.52
3930
-1500
4
2.23
3440
-850
5
1.90
2940
-220
6
1.56
2500
360
7
1.22
2170
810
8
0.94
1950
1090
9
0.63
1760
1320
10
0.35
1040
1480
注释：
d=0.022m
t=29 ℃ ρ =995.95kg/m3 l=1.5m μ=0.801mPa.s
六、数据处理
粗糙管
压力
序号
3
Vs(m3)
左（Pa ） 右（Pa ） 压降（ Pa ）
流速 u(m/s )
雷诺数
Re
阻力系数 λ
1
3.18
5180 -3150
6700
2.324
63570
0.045
2
2.85
4520 -2330
6000
2.083
56973
0.047
3
2.52
3930 -1500
5280
1.842
50376
0.047
4
2.23
3440 -850
4110
1.630
44579
0.048
5
1.90
2940 -220
3150
1.388
37982
0.048
6
1.56
2500 360
2510
1.140
31185
0.048
7
1.22
2170 810
1890
0.892
24388
0.050
8
0.94
1950 1090
1220
0.687
18791
0.054
9
0.63
1760 1320
780
0.460
12594
0.061
10
0.35
1640 1480
410
0.256
6997
0.072
注释：
d=0.022m
t=29 ℃ ρ =995.95kg/m3 l=1.5m μ=0.801mPa.s
球阀
压力
流速(m/s )
阻力系数
序号
Vs(m3/h )
左（Pa ）
右(Pa ) u
压降（ Pa）
ξ
1
4.51
2950
-2600 3.80
5550
0.773
2
4.22
3450
-1460 3.55
4910
0.781
3
3.92
3700
-550 3.30
4250
0.783
4
3.60
3850
250 3.03
3600
0.787
5
3.31
3910
820 2.78
3090
0.804
注释：
d=0.0205m t=39 ℃ ρ
=995.95kg/m3
1）直管沿程阻力损失（粗糙管）
流速：
u = =4*3.18/3600 *0.022 2=2.325 m/s
阻力系数 ; λ= =2*0.022 (5180+3150)/ (995.95*1.5*2.325 )=0.045
雷诺数： Re = =995.95* 2.324*0.022/0.0801=63570
流速:u = = = 3.80m/s
阻力系数： = =2*( 2950+2900)/995.95*3.80 2=0.773
阻力系数平均值 =( 0.773+0.781+0.783+0.787+0.804 )/5=0.786
阻力系数值 ξ=0.786 七、实验结果及讨论
1. 实验结 论
①绘制出湍流时 Re 关系曲线；②计算出局部阻力系数；
2. 误 差 分 析 讨 论
①给离心泵灌水排气时间不是很充足。②对倒 U 型压差计进行排气和调零时，压差计两端在带 压且零流量时的液位高度并不是完全相等。③每次改变流量后，流动并未彻底达到稳定，记下 了流量和压差读数。④测量仪器自身带来的误差。
八、思考题
1、本实验中的倒 U型压差计的指示剂是何物？为什么选择它？
答：指示剂是水， 因为实验过程中 U形管的液位经常变换 , 若使用其他指示液和很可能因为， 液 位的较大波动甚至流动而影响实验流体 , 另外管道中流体就是水，选择水更加方便！ 2、本实验中，倒 U 型压差计一开始就排了气的，为什么在实验过程中还可以两边示数自由增 大或减小？
答：液体在管道内流动的时候， 由于直管阻力和局部阻力因素的影响， 造成两边机械能不相等， 只有扣除以后才能利用伯努利方程。而位能项没变，动能项也没变，故静压能发生变化，导致 两边压强不相等，造成了 Δp 的存在，故两边示数会自由增大或减小。
3、在做各实验时，如何判断流量这一数据是否合理？一般气体流速和流体流速各在什么范围？ 答： 做实验时，先控制阀门开度，取最大和最小流量，观察 Ro的数值。根据其数值范围就 可以划定几组测量了， 这样得出的数比较均匀。一般气体流速为 10~30m/s,液体流速为 0~10m/s。
4、如何检验系统内的空气已经被排除干净？ 答：可通过观察离心泵进口处的真空表和出口处压力表的读数，在开机前若真空表和压力表的 读数均为零，表明系统内的空气已排干净；若开机后真空表和压力表的读数为零，则表明，系 统内的空气没排干净。
5、为什么本实验数据须在对数坐标纸上进行标绘？ 答：因为对数可以把乘、除变成加、减，用对数坐标既可以把大数变成小数，又可以把小数扩 大取值范围，使坐标点更为集中清晰，作出来的图一目了然。
6、在倒 U 形压差计上装设“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？ 答：用来改变流经阀门的流动阻力以达到调节流量的目的，其作用对象是系统的阻力，平衡阀 能够将新的水量按照设计计算的比例平衡分配，各支路同时按比例增减，仍然满足当前气候需 要下的部份负荷的流量需求，起到平衡的作用。平衡阀在投运时是打开的，正常运行时是关闭 的。
指 导 教 师 意 见
签名：
年月日