一． 實驗目的：
(1) 了解流體流動阻力的測定方法。
(2) 測定流體流過直管時的摩擦阻力，並確定摩擦係數與雷諾數re的關係。
(3) 測定流體流過管件（本實驗為截止閥、閘閥、彎管、突然擴大及突然縮小）時的區域性阻力，並求出阻力係數ξ。
二． 實驗原理
流體在管路中流動時，由於粘性剪應力和渦流的存在，不可避免的會引起壓強損耗。這種損耗包括流體經過直管的沿程阻力以及因流體運動方向改變或因管子大小形狀改變所引起的區域性阻力。
1． 沿程阻力
液體在水平均勻管道中穩定流動時，由截面1到截面2，阻力損失表現在壓強的降低：。
影響阻力損失的因素十分複雜，目前尚不能完全用理論方法求解，必須通過實驗研究其規律。為了減少實驗工作量，擴大實驗結果的應用範圍，可採用因次分析法將各變數綜合成準數關係式。
影響阻力損失的諸因素有：
（1） 流體性質：密度ρ，粘度μ；
（2） 管路的幾何尺寸：管徑d，管長l，管壁粗糙度ε；
（3） 流動條件：流速u。
可表示為：。
組合成如下的無因次式：，，
引入，則上式變為，式中，λ稱為直管摩擦係數，滯流時，λ=64/re；湍流時λ與re的關係受管壁粗糙度的影響，需由實驗求得。
根據伯努利方程可知，流體流過直管的沿程阻力損失，可直接由所測得的液柱壓差計讀數r算出：。
其中：ρ指——壓差計中指示液密度，kg/m3。本實驗中用水作指示液，另一流體為空氣，由於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/s2。
2． 區域性阻力
區域性阻力通常有兩種表示方法，即當量長度法和阻力係數法。
（1） 當量長度法
流體流過某管件或閥門時，因區域性阻力造成的損失，相當於流體通過與其具有相同管徑的若干公尺長度的直管阻力損失，這個直管長度稱為當量長度，用符號le表示。這樣，就可以用直管阻力的公式來計算區域性阻力損失，而且在管路計算時，可將管路中的直管長度與管件，閥門的當量長度合併在一起計算，如管路中直管長度為l，各種區域性阻力的當量長度之和為∑le，則流體在管路中流動時的總阻力損失∑hf為：。
（2） 阻力係數法
流體通過某一管件或閥門的阻力損失用流體在管路中的動能係數hp為表示：。
式中，ζ——區域性阻力係數，無因次；
u——在小截面管中流體的平均流速，m/s。
由於管件在兩側距測壓孔間的直管長度很短，引起的摩擦阻力與區域性阻力相比，可以忽略不計，因此hp之值可應用伯努利方程由壓差計讀數求出。
三． 實驗裝置
實驗裝置如圖3-1所示，主要部分由離心幫浦、轉子流量計、1/4圓噴嘴流量計、各種閥門、不同管徑、材質的管子以及突然擴大和突然縮小組合而成。水由幫浦從水池中抽出後，經過轉子流量計或圓噴嘴流量計被送至四根併聯的管道，水流經這四根管道後返回水池。本實驗的目的為測定這四根管道的直管阻力係數ζ與雷諾數re的關係以及管件的區域性阻力。
測壓系統採用倒u型管，如圖3-2，倒u型管的結構如圖3-3，a,b管接測壓點，c為排氣管。使用時，先開啟a,b,c三根管的考克，排淨測壓管路中的空氣，再關上a,b管，待u型管中水柱公升至一半刻度時，再關上c。
四． 實驗步驟及注意事項
（1） 熟悉實驗裝置，尤其是各閥門的作用以及測壓系統。
（2） 擬定操作步驟，建議先測"鍍鋅管，再測dg32不銹鋼管以及各種閥門阻力。
（3） 在測定實驗資料前，首先要開啟放空閥，趕走管路系統中的空氣；開啟測壓管的放空閥，趕走測壓系統的壓力。
（4） 測定"直管阻力時，流量在10-20m3/h範圍內共測20點，測定不銹鋼管阻力時，同樣在上述範圍內進行。
（5） 測定區域性阻力時，在流量8,6,4m3/h三種不同情況下測取。
（6） 每次測定資料，注意須待流動達穩定後方可記下讀數。
（7） 四根併聯管道，共用同一流量計，所以實驗中只能逐根測定。注意，當進行管道切換時，一定要先開啟待測管道的閥門，再關當前測量管道的閥門，否則會造成事故。
五． 資料處理
實驗中孔板流量計流量與壓降的關係為
直管長度：2000mm；管徑：27mm
突然擴大：d大＝40mm；d小＝20mm
直管阻力資料：
資料處理方法如下，以流量計壓差120mmh2o，直管壓差540 mmh2o為例
流量 =2.528m3/h。
流速則為，所以 u=(2.528*4)/(3600*π*.027*.027)= 1.23m/s
查得水在20℃是的粘度為μ=1×10-**a*s
所以 =3.31×104
由直管壓差為540mmh2o得hf=540*9.8/1000=5.297
又由可得= 0.09487
當re很大時，流動會進入阻力平方區，將u2對λ作圖，擬和得到以下的曲線，由於最後一組資料偏差較大，捨去後作圖得到：
得到的相關係數為：0.99937。這個結果已經是很高的線性度了，所以說明流動已經進入了阻力平方區。下面是re與λ的關係圖：
x軸是re，y軸是λ。與書上的re與λ的關係圖比起來，還是有一些誤差的，這說明測定的時候存在誤差。這個曲線的相關係數為：0.79625。
下面是區域性阻力的資料：
在處理資料的時候選取流量計壓差為410(mmh2o)的一組來計算區域性阻力係數：
y＝0.2308×4100.5＝4.673m3/h
大管的流速為u大=4*y/(3600*π*d2)=1.033m/h
小管的流速為u小=4*y/(3600*π*d 2)＝4.132 m/h
突然擴大
＝15/16-2*270*9.81/(1000*4.1322)＝0.6272
1(1/2)截止閥:
＝2*670*9.81/(1000*1.0332)＝12.3181
彎管：＝2*55*9.81/(1000*1.0332)＝1.0112
用matlab編輯程式計算，程式為：
h=[200 270 410 550 645];
a=[130 180 270 350 380];
b=[340 450 670 900 950];
c=[24 35 55 70 80];
ua=(.2308*h.^.5)/(3600*pi*.01^2);
ua2=ua.^2;
ub=(.2308*h.^.5)/(3600*pi*.02^2);
ub2=ub.^2;
ra0=15/16-2*a*9.81./(1000*ua2),
rb0=2*b*9.81./(1000*ub2),
rc0=2*c*9.81./(1000*ub2),
ra=mean(ra0)
rb=mean(rb0)
rc=mean(rc0)
得到的結果為：
突然擴大區域性阻力係數平均值為：0.6359
1(1/2)截止閥區域性阻力係數平均值為：12.2266
彎管區域性阻力係數平均值為：0.9574
實驗小結：
該實驗的基本原理是簡單的，實驗操作並不複雜。實驗的關鍵是要排淨測壓系統中的空氣。在調節流量的時候不可以過大，否則會造成壓差過大而將測壓管壓出的事故。
在實驗過程中，由於度數系統不是很穩定，從而會造成實驗的誤差，由於我們度數的時候採取了兩人共同讀最低點的方法，這樣會減少一些偶然誤差。
思考題：
1.為什麼實驗資料測定前要趕盡裝置和測壓管內的空氣？怎樣趕氣？
答：裝置中的空氣影響流量和壓降的測定，測壓管中的空氣會使得讀數偏大，因此測量前一定要排盡空氣。趕走裝置內的空氣，可以開啟放空閥，通水一段時間即可；趕走測壓管裡的空氣，則只要輕輕敲擊測壓管，空氣泡會自己慢慢向上浮，最終排掉。
2.用什麼辦法檢查系統中的氣是否排盡？
答：用排盡氣體的測壓系統測壓力，保持流量一定，並且在乙個比較大的流量，如果測壓系統水柱有規律的小幅度振動，則說明系統中的空氣已經排盡。
3.以水為工作流體所測得的λ－re曲線可以用於空氣，如何應用？
答：可以，只要按照比例調整ρ、μ、u的值便可應用。
4.不同管徑，不同水溫下測定的λ－re資料能否關聯在同一條曲線上？
答：可以，re中已經包含了管徑、粘度的影響。水溫的影響主要表現在粘度上，對密度的影響一般不大，不用考慮。
5.如果測壓口、孔邊緣有毛刺或者安裝不正，對靜壓的測量有什麼影響？
答：毛刺和安裝不正會損失一部分靜壓，使得測得的靜壓變小。
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