管路阻力测定实验：方法与结果

一、实验目的

（1）测定实验管路内流体流动的阻力ΔP_f和直管摩擦系数λ。确定两者之间的关系。

（2）根据实验数据，确定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ΔP_f并求出局部阻力系数ζ。

二、实验原理

1.直管摩擦因数λ与雷诺数Re的测定

流体在管道内流动时，由于流体的黏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因数有关，它们之间存在如下关系，如式（3-1）～式（3-3）所示。

式中 d——管径，m；

ΔP_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——流体的黏度，N·s/m²。

直管摩擦因数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和黏度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ΔP_f与流速μ（流量q_V）之间的关系。并将此关系用曲线图的方式表示。

根据实验数据和式（3-2）可计算出不同流速下的直管摩擦因数λ，用式（3-3）计算对应的Re，从而整理出摩擦因数和雷诺数的关系，绘出λ与Re的关系曲线。

2.局部阻力系数ζ的测定

式中 ζ——局部阻力系数，量纲为一；

ΔP_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。

局部阻力引起的压强降ΔP′_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′，作为近端和远端测压口（图3-1），使ab=bc，a′b′=b′c′，则ΔP_f，ab=ΔP_f，bc，ΔP_f，a′b′=ΔP_f，b′c′。

在a—a′之间列柏努利方程式：

在b—b′之间列柏努利方程式：

联立式（3-6）和式（3-7），则：

ΔP′_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。

图3-1 局部阻力测量取压口布置图

三、实验装置

1.实验装置流程示意图

实验装置流程示意图见图3-2，实验装置技术参数如下所示：

离心泵：型号WB 70/055，流量8m³/h，扬程12m，电机功率550W。

被测直管段：光滑管管径d=0.0078m，管长L=1.70m，材料不锈钢；粗糙管管径d=0.01m，管长L=1.70m，材料不锈钢。

被测局部阻力直管：管径d=0.015m，管长L=1.70m，材料不锈钢。

转子流量计：型号LZB-25测量范围100～1000L/h；型号LZB-10测量范围10～100（L/h）。

图3-2 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形管进出水阀 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形管放空阀

22—倒置U形管 23—水箱放水阀 24—放水阀

压差传感器：型号LXWY，测量范围200kPa。

数字显示仪表：温度测量：Pt100，数显仪表型号AI501B；压差测量：压差传感器，数显仪表型号AI501BV24。

2.实验装置控制面板示意图

实验装置控制面板示意图如图3-3所示。

四、实验步骤

（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）。检查管路阀门情况（设备启动之前，各管路阀门应该处于关闭状态）。(www.xing528.com)

（2）测压系统的调试（见附录二）测压系统调整好以后，应将图3-2中阀门14、17、18、10关闭，使系统处于待用状态。

（3）光滑管阻力测定 通过前面的预习，小组成员一起讨论，确定实验点的设置，组员的分工，熟悉实验方法后，开始实验。

图3-3 实验装置面板示意图

打开阀门17，使之处于全开状态。关闭阀门18、10。使光滑管处于待测状态。

打开阀门9、19，使光滑管两端的测压口与测压系统连接。同时关闭阀门8、20、7、16，使粗糙管、局部阻力管路与测压系统隔断。

根据不同的流量范围，选择适当的测压系统。

确认设备调整好后，按下泵开关，启动水泵。选择好适当的流量计，旋转相应流量计下面的阀门14调节流量。在整个流量范围内，均匀分布实验点，从大到小或从小到大，顺序测取20组数据。每个实验点测量时，调整好实验参数后，要稳定此状态1min的时间，记录实验数据（水温、压差、流量等）。然后按照相同的实验点设置，做重复实验。测量结束后，关闭流量调节阀门，停泵。

（4）粗糙管阻力测定 将粗糙管阀18全开，关闭光滑管路阀门17、局部阻力管路阀门10。然后按照步骤2的顺序，调整测压系统。按照步骤3的方法，测量粗糙管阻力。从小流量到最大流量，顺序测取20组数据。测量结束后，关闭流量调节阀门，停泵。

（5）局部阻力测定 将局部阻力阀门10打开（即待测的阀门），关闭光滑管阀门17、粗糙管管路阀门18。调整阀门10为一定的开度（1/3左右），缓慢调节流量，分别以流量100、400、800L/h为实验点，通过调节阀门7、6、15，测量出远端、近端压差。测量结束后，关闭流量调节阀门，停泵。

五、结果与讨论

（1）实验过程记录。

（2）原始数据记录中应包括水温，环境温度及测定对象的主要尺寸，记录表中要明确数据间的对应关系。如ΔP与q_V（u）的对应关系。测ΔP要有压差计左、右读数和差值、单位。

（3）数据表中应该有下列项目：水温、流量q_V、流速u、雷诺数Re、直管压差ΔP、摩擦因数λ。

（4）在方格纸上做出ΔP-u的曲线图。

（5）在对数坐标纸上做出λ～Re的曲线图，求得λ = f（Re）的经验公式。

（6）计算管件的局部阻力系数，并求出平均值。

（7）综合实验过程和数据处理过程，给出确定的实验结果。

（8）结合课堂上相关部分的理论教学内容，对实验设计及其实验过程进行讨论。

六、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他测量之前，都必须检查所有流量调节阀状态（应处于关闭状态）。

（2）利用压力传感器测量大流量下ΔP时，应切断空气—水倒置U形玻璃管的阀门，否则将影响测量数值的准确度。

（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（大约1min）方可记录数据。

思考题

1.为什么测取数据之前要排净系统中的气体，否则有何影响。

2.直管阻力和局部阻力产生的原因是什么？都与哪些因素有关？

附录一 实验数据记录表（表3-1～表3-3）

表3-1 直管阻力

表3-2 粗糙管阻力

续表

表3-3 局部阻力

附录二 测压系统及调试

测压系统如图3-4所示（结合图3-2）。

操作方法如下：

①关闭粗糙管路阀门18、局部阻力管路阀门10，将光滑管路阀门17全开，在流量为零条件下，打开通向倒置U形管的进水阀，检查导压管内是否有气泡存在。若倒置U形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。

图3-4 测压系统示意图

3、4—放水阀 11—U形管进出水阀

12—压力传感器 26—U形管放空阀 27-U形管

开启总电源，启动泵开关，打开流量调节阀14，调节流体的流量，打开U形管进出水阀门11，使倒置U形管内液体充分流动，以赶出管路内的气泡；若观察气泡已赶净，将流量调节阀14关闭，U形管进出水阀11关闭，慢慢旋开倒置U形管上部的放空阀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，管内形成一段气柱，将液体隔断，形成左右两个液柱。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形管进出水阀11，此时U形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。

②该装置由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。

③差压变送器与倒置U形管亦是并联连接的，用于测量压差，小流量时用U形管压差计测量，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，

注：在测大流量的压差时应关闭U形管的进出水阀11，防止水利用U形管形成回路影响实验数据。

参考文献

李云飞，葛克山．食品工程原理[M].4版．北京：中国农业大学出版社，2018.