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实验二 管路流体阻力实验 一、实验目的 研究管路系统中的流体流动和输送，其中重要的问题之一，市确定流体在流动过程中的能量损耗。 流体流动时的能量损耗（压头损失），主要由于管路系统中存在的各种阻力。管路中的各种阻力可分为沿程阻力（直管阻力）和局部阻力两大类。 本实验的目的，是以实验方法直接测定摩擦系数λ和局部阻力系数ζ。 二、实验原理 当不可压缩流体在圆形导管中流动时，在管路系统内任意二个截面之间列出机械能衡算方程为 或 式中： Z ：流体的位压头，m液柱； P ：流体的压强，Pa； u ：流体的平均流速，m×s-1； Wf：单位质量流体因流体阻力所造成的能量损失，J×Kg-1； Hf ：单位重量流体因流体阻力所造成的能量损失，即所谓压头损 失，m液柱； 符号下标1和2分别表示上游和下游的截面上的数值。 假如： （1）水作为试验物系，则水可视为不可压缩流体； （2）试验导管是水平装置的，则Z1=Z2； （3）试验导管上下游截面上的横截面积相同，则u1=u2； 因此（1）和（2）两式分别可简化为 m水柱 由此可见，因阻力造成的能量损失（压头损失），可由管路系统的两截面之间的压力差（压头差）来测定。 当流体在圆形直管内流动时，流体因摩擦阻力所造成的能量损失（压头损失），有以下一般形式： 或 m水柱 式中： d ——圆形直管的直径，m； L ——圆形台直管的长度，m； ——摩擦系数，（无单位）。 大量实验研究表明：摩擦系数λ与流体的密度ρ和粘度μ，管径d，流速u和管壁粗糙度ε有关。应用因次分析的方法，可以得出摩擦系数与雷诺数和管壁相对粗糙度ε/d存在的函数关系，即 λ=f（Re，ε/d） 通过实验测得λ和Re数据，可以在双对数坐标上标绘出实验曲线。当Re＜2000时，摩擦系数λ与管壁相对粗糙度无关。当流体在直管中呈湍流时，λ不仅与雷诺数有关，而且与管壁相对粗糙度有关。 当流体流过管路系统时，因遇各种管件、阀门和测量仪表等而产生局部阻力，所造成的能量损失（压头损失），有如下一般关系式： 或 m液柱 式中： u ——连接管件等的直管中流体的平均流速，m×s-1； ——局部阻力系数（无单位）。 由于造成局部阻力的原因和条件极为复杂，各种局部阻力系数的具体数值，都需通过实验直接测定。 三、实验装置及流程 本实验装置主要是由低位水槽、循环水泵、试验管路系统和高位稳压水槽串联组合而成。每条测试管的测压口通过转换阀组与压差计连通。转换阀组由数对旋塞组成，压差计为一倒置U形水柱压差计。孔板流量计直接与倒置U形水柱压差计相连。该装置的流程图所示 管路的流体阻力实验装置流程 1、光滑试验管 2、粗糙试验管 3、渐扩渐缩试验管 4、孔板流量计 5、旋塞 6、倒置U形水柱压差计 7、转换阀组 8、流量调节阀 9、高位稳压水槽 试验管路系统是由五条玻璃直管平行排列，经U形弯管串联连接而成，每条直管上分别配置光滑管、粗糙管、渐扩渐缩管、孔板流量计和旋塞。每根试验管测试段长度，即两测压口距离均为0.6m，流程图中标出符号G和D分别表示上游测压口（高压侧）和下游测压口（低压侧），测压口位置的配置，以保证上游测压口距U形弯管接口的距离，以及下游测压口距造成局部阻力处的距离，均大于50倍管径。 作为试验用水，用循环水泵由低位水槽直接压送进入试验管路系统，由下而上依次流经各种流体阻力试验管，最后流入高位稳压水槽。由高位稳压水槽流出的水，返回低位水槽。整个系统构成闭路循环系统。水在试验管路中的流速，通过出口阀加以调节，流量由试验管路中的孔板流量计测量，并由汞柱压差计显示读数。 主要设备规格 (1)低位水槽 容积：0.02m3 尺寸：方形400×270×250mm 材质：硬聚氯已烯塑料 (2)循环水泵 型号：AB—25型 流量：25L×min-1，扬程：4m (3)试验导管 每支管径：φ22×1mm 每支管长：900mm 测试段长度：600mm 光滑玻璃管：φ22×1mm 粗糙玻璃管：φ22×1mm，ε=0.03mm 渐扩渐缩管：扩大管φ40mm，缩小管φ22×1mm 孔板流量计：孔径8mm 玻璃旋塞：孔径18~20mm (4)转换阀组 规格：φ6mm玻璃旋塞10个组合 (5)倒置U形水柱压差计 刻度：300mm 四、实验方法 实验前准备工作须按如下步骤顺序进行操作： (1)先将水灌满低位水槽，然后关闭泵出口阀，再启动循环水泵，待泵运转正常后，先将试验导管中的旋塞全部打开，并关闭转换阀组中的全部旋塞，然后缓慢开启泵的出口阀 。当水流满整个试验导管，并在高位稳压水槽中有溢流水排出时，