化工基础实验讲义2

合肥学院化学与材料工程系

实验五 流体流动阻力测定

一、实验目的

1．掌握流体流经直管和管阀件时阻力损失的测定方法，通过实验了解流体流动中能量损失的变化规律。

2．、测定水流过一段粗糙直管、光滑直管的沿程摩擦阻力损失Δp f ，确定摩擦阻力系数λ和雷诺准数Re 之间的关系。将所得的λ~Re 方程与公认经验关系比较。 3．测定流体流经闸阀等管件时的局部阻力系数ξ。

4．学会压差计和流量计的使用方法，了解差压变送器、功率传感器的工作原理。熟悉测定流体流经直管和管件时的阻力损失的实验组织方法及测定摩擦系数的工程意义。 5．观察组成管路的各种管件、阀件，了解其作用。

二、基本原理

流体在管内流动时，由于粘性剪应力和涡流的存在，不可避免地要消耗一定的机械能，这种机械能的消耗包括流体流经直管的沿程阻力和因流体运动方向改变所引起的局部阻力。 1．沿程阻力

流体在水平均匀管道中稳定流动时，阻力损失表现为压力降低。即

ρρ

p

p p h f ∆=

-=

2

1

影响阻力损失的因素很多，尤其对湍流流体，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，使实验结果具有普遍意义，必须采用因次分析方法将各变量综合成准数关联式。根据因次分析，影响阻力损失的因素有， (1)流体性质：密度ρ，粘度μ；

(2)管路的几何尺寸：管径d ，管长l ，管壁粗糙度ε； (3)流动条件：流速μ。 可表示为：

),,,,,(ερμu l d f p =∆

组合成如下的无因次式：

),,(2

d d l du u

p ε

μρρΦ=∆ 2

),(2

u d l d du p

••=∆εμρϕρ 令

)

(

d du ε

μρ

ϕλ•=

则

22

u d l p

h f λ

ρ=∆=

式中，

P ∆——压降 Pa

h f ——直管阻力损失 J/kg ， ρ——流体密度kg/m 3

λ——直管摩擦系数，无因次 l ——直管长度 m

d ——直管内径 m

u ——流体流速，由实验测定 m/s

λ——称为直管摩擦系数。滞流(层流)时，λ＝64／Re ；湍流时λ是雷诺准数Re 和相对粗糙度的函数，须由实验确定. 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。 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，相当于流体流过与其具有相当管径长度的直管阻力损失，这个直管长度称为当量长度，用符号le 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．可将管路中的直骨长度与管件、阀门的当量长度合并在一起计算，如管路中直管长度为乙各种局部阻力的当量长度之和为

∑le ，则流体在管路中流动时的总阻力损失∑f

h

为

2

2

u d

le l h

f

∑∑+=λ

阻力系数法

流体通过某一管件或阀门时的阻力损失用流体在管路小的动能系数来表示，这种计算局 部阻力的方法，称为阻力系数法。 即

式中，ξ——局部阻力系数，无因次；

u ——在小截面管中流体的平均流速，m ／s 。

由于管件两侧距测压孔问的直管长度很短．引起的摩擦阻力与局部阻力相比，可以忽略不计。因此h f 之值可应用柏努利方程由压差计读数求取。

三、实验装置与流程

1．实验装置

图1-1 实验装置流程图

实验装置如图1-1所示。主要部分由离心泵，不同管径、材质的管子，各种阀门或管件，

22

u h f ξ

='

转子流量计等组成。从上向下第一根为不锈钢光滑管，第二根为镀锌铁管，分别用于光滑管和粗糙管湍流流体流动阻力的测定。第三根为不锈钢管，其上装有待测管件(闸阀)，用于局部阻力的测定。

流体温度有热电阻，流体流量由涡轮流量计测量，压差有压差变送器测量。

本实验的介质为水，由离心泵供给，经实验装置后的水通过管道流入储水箱内循环使用。2．装置结构尺寸

装置结构尺寸如表1-1所示。

表1-1 装置参数

名称材质管内径（mm）测试段长

度（m）装置（1m）装置（2c）

光滑管不锈钢食品管29.5 29.0 1.5

粗糙管镀锌铁管29.9 29.2 1.5

局部阻力闸阀35.86 35.86

图1-2：控制柜面板

1、空气开关

2、

3、4电源指示灯5、流量控制仪6、6路巡检仪（单位m3／h）：第一通道测量离心泵进口压力（单位：kpa），第二通道测量离心泵出口压力（单位：kpa），第三通道测量

离心泵转速（单位：r／min）第四通道测量流体阻力压差（单位：pa）第五通道测量流体温度（单位：摄氏度），第六通道没用，7、功率表（单位：KW）8、仪表电源指示灯、9、仪表电源开关，10、变频器电源指示灯，11、变频器电源开关，12、离心泵电源指示灯、13、离心泵直接或变频器运行转换开关，14、离心泵启动按钮，15、离心泵停止按钮。

四、实验步骤及注意事项

1．灌泵

储水箱中出水到适当位置（大概三分之二处）关闭阀1、阀2、阀3、阀4、阀5、打开离心泵出口排气阀和进口灌水阀，用水杯从灌水阀灌水，气体从排汽阀排出，直到排水阀有水排出并且没有气泡灌水完毕，关闭排气阀和灌水阀。

2．启动水泵

打开控制柜上1空气开关，打开9仪表电源开关，仪表指示灯10亮，仪表上电，显示被测数据。

把转换开关转到直接位置，指示灯12亮，按一下离心泵启动按钮，离心泵运转，启动按钮指示灯亮，水泵启动完毕。

3．光滑管排气

先打开光滑管与差压变送器相连的阀门，粗糙管和局部阻力与差压变送器相连的阀门关闭，打开阀3和阀2，排出光滑管中的气体，关上阀2，打开差压变送器的两个排汽阀，排出管道中的气体，直到没有气泡排出为止，关闭差压变送器上的两个排汽阀，光滑管排气完毕。

4．光滑管实验

打开流体阻力监控软件数据班级、姓名、学号等信息，进入流体阻力实验，点击光滑管，调节阀2，每隔1m3／h采集一组实验数据（等数据稳定之后再采集），从2m3／h开始到最大流量，但注意最大流量时压差不能超过10kpa，如果超过调节阀门2，使压差不超过10kpa。光滑管数据采集完毕后，先关闭阀2和阀3，再关闭光滑管与差压变送器相连的两个阀门。

5.粗糙管实验

粗糙管排气与光滑管排气类似，先打开粗糙管与差压变送器相连的两个阀门，再打开阀4和阀2，排出粗糙管中的气体，关闭阀2，打开差压变送器的两个排汽阀，排出管道中的气体，直到没有气泡排出为止，关闭差压变送器上的两个排汽阀，粗糙管排气完毕。点击粗粗管，调节阀2，，每隔1m3／h采集一组实验数据（等数据稳定之后再采集），从2m3／h开始到最大流量，