一、实验目的
1．掌握测定流体流经直管、管件和阀门时阻力损失的一般实验方法。
2．测定直管摩擦系数λ与雷诺准数Re的关系，验证在一般湍流区内λ与Re的关系曲线。
3．测定流体流经管件、阀门时的局部阻力系数x。
4．学会倒U形压差计和涡轮流量计的使用方法。
5．识辨组成管路的各种管件、阀门，并了解其作用。
二、基本原理
流体通过由直管、管件（如三通和弯头等）和阀门等组成的管路系统时，由于粘性剪应力和涡流应力的存在，要损失一定的机械能。流体流经直管时所造成机械能损失称为直管阻力损失。流体通过管件、阀门时因流体运动方向和速度大小改变所引起的机械能损失称为局部阻力损失。
1．直管阻力摩擦系数λ的测定
流体在水平等径直管中稳定流动时，阻力损失为：
（1）
即， 
（2）
式中： λ —直管阻力摩擦系数，无因次；
d —直管内径，m；
—流体流经l米直管的压力降，Pa；
—单位质量流体流经l米直管的机械能损失，J/kg；
ρ —流体密度，kg/m3；
l —直管长度，m；
u —流体在管内流动的平均流速，m/s。
滞流(层流)时，
（3）
（4）
式中：Re —雷诺准数，无因次；
μ —流体粘度，kg/(m·s)。
湍流时λ是雷诺准数Re和相对粗糙度（ε/d）的函数，须由实验确定。
由式（2）可知，欲测定λ，需确定l、d，测定、u、ρ、μ等参数。 l、d为装置参数（装置参数表格中给出）， ρ、μ通过测定流体温度，再查有关手册而得， u通过测定流体流量，再由管径计算得到。
例如本装置采用涡轮流量计测流量，V，m3/h。
(5)
可用U型管、倒置U型管、测压直管等液柱压差计测定，或采用差压变送器和二次仪表显示。
（1）当采用倒置U型管液柱压差计时
(6)
式中：R－水柱高度，m。
（2）当采用U型管液柱压差计时
(7)
式中：R－液柱高度，m；
－指示液密度，kg/m3。
根据实验装置结构参数l、d，指示液密度，流体温度t0(查流体物性ρ、μ)，及实验时测定的流量V、液柱压差计的读数R，通过式(5)、(6)或(7)、(4)和式(2)求取Re和λ，再将Re和λ标绘在双对数坐标图上。
2．局部阻力系数x 的测定
局部阻力损失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造成的机械能损失看作与某一长度为
的同直径的管道所产生的机械能损失相当，此折合的管道长度称为当量长度，用符号表示。这样，就可以用直管阻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，则流体在管路中流动时的总机械能损失
为：
(8)
(2) 阻力系数法
流体通过某一管件或阀门时的机械能损失表示为流体在小管径内流动时平均动能的某一倍数，局部阻力的这种计算方法，称为阻力系数法。即：
(9)
故 
(10)
式中：x —局部阻力系数，无因次；
－局部阻力压强降，Pa；（本装置中，所测得的压降应扣除两测压口间直管段的压降，直管段的压降由直管阻力实验结果求取。）
ρ —流体密度，kg/m3；
g —重力加速度，9.81m/s2；
u —流体在小截面管中的平均流速，m／s。
待测的管件和阀门由现场指定。本实验采用阻力系数法表示管件或阀门的局部阻力损失。
根据连接管件或阀门两端管径中小管的直径d，指示液密度，流体温度t0(查流体物性ρ、μ)，及实验时测定的流量V、液柱压差计的读数R，通过式(5)、(6)或(7)、(10)求取管件或阀门的局部阻力系数x。
1． 实验装置
实验装置如图1所示：
图1 实验装置流程示意图
2.实验流程
实验对象部分是由贮水箱，离心泵，不同管径、材质的水管，各种阀门、管件，涡轮流量计和倒U型压差计等所组成的。管路部分有三段并联的长直管，自上而下分别为用于测定局部阻力系数，光滑管直管阻力系数和粗糙管直管阻力系数。测定局部阻力部分使用不锈钢管，其上装有待测管件(闸阀)；光滑管直管阻力的测定同样使用内壁光滑的不锈钢管，而粗糙管直管阻力的测定对象为管道内壁较粗糙的镀锌管。
水的流量使用涡轮流量计测量，管路和管件的阻力采用各自的倒U形压差计测量，同时差压变送器将差压信号传递给差压显示仪。
3．装置参数
装置参数如表1所示。
表1
| 装置1 |
名称 |
材质 |
管内径（mm） |
测量段长度（cm） |
| 管路号 |
管内径 |
| 局部阻力 |
闸阀 |
1A |
21.1 |
100 |
| 光滑管 |
不锈钢管 |
1B |
21.1 |
100 |
| 粗糙管 |
镀锌铁管 |
1C |
21.1 |
100 |
| 装置2 |
名称 |
材质 |
管内径（mm） |
测量段长度（cm） |
| 管路号 |
管内径 |
| 局部阻力 |
闸阀 |
2A |
21.1 |
100 |
| 光滑管 |
不锈钢管 |
2B |
21.1 |
100 |
| 粗糙管 |
镀锌铁管 |
2C |
21.1 |
100 |
其中，管路号及管内径也已分别标识于管路上。
1．首先对水泵进行灌水，然后关闭出口阀，启动水泵电机，待电机转动平稳后，把泵的出口阀缓缓开到最大。
2．采用手动方法测量时，对倒U型压差计进行排气和调零，使压差计两端在带压且零流量时的液位高度相等。由于本流体力学综合装置中，选用的为经典离心泵，扬程较高，故倒U型压差计的量程只能做到一定程度，大流量数据应取差压变送器测得的压差。
3．实验时可以分别使用自动或手动方法。手动方法时，先缓缓开启调节阀，调节流量，让流量从0.8到5m3/h范围内变化，建议每次实验变化0.3m3/h左右。每次改变流量，待流动达到稳定后，分别记下压差计左右两管的液位高度，两高度相减的绝对值即为该流量下的差压。注意正确读取不同流量下的压差和流量等有关参数。使用自动方法时，流量值可以由无纸记录仪的流量通道显示，改变流量时只需改变流量控制通道的设定即可，同理，差压值可以直接由无纸记录仪的压差显示通道读取。
4．装置确定时，根据
和u的实验测定值，可计算λ和ξ，在等温条件下，雷诺数Re=duρ/μ=Au，其中A为常数，因此只要调节管路流量，即可得到一系列λ～Re的实验点，从而绘出λ～Re曲线。
5．实验结束，关闭出口阀，停止水泵电机，清理装置。
根据上述实验测得的数据填写到下表：
实验日期： 实验人员： 学号： 温度： 装置号：
直管基本参数： 光滑管径 粗糙管径 局部阻力管径
| 序号 |
流量(m3/h) |
光滑管mmH2O |
粗糙管mmH2O |
局部阻力mmH2O |
| 左 |
右 |
压差 |
左 |
右 |
压差 |
左 |
右 |
压差 |
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1．根据粗糙管实验结果，在双对数坐标纸上标绘出λ～Re曲线，对照化工原理教材上有关曲线图，即可估算出该管的相对粗糙度和绝对粗糙度。
2．根据光滑管实验结果，对照柏拉修斯方程，计算其误差。
3．根据局部阻力实验结果，求出闸阀全开时的平均ξ值。
4．对实验结果进行分析讨论。
1．在对装置做排气工作时，是否一定要关闭流程尾部的出口阀?为什么?
2．如何检测管路中的空气已经被排除干净?
3．以水做介质所测得的λ～Re关系能否适用于其它流体?如何应用?
4．在不同设备上(包括不同管径)，不同水温下测定的λ～Re数据能否关联在同一条曲线上?
5．如果测压口、孔边缘有毛刺或安装不垂直，对静压的测量有何影响?
