化工基礎實驗報告
實驗名稱：管道流體阻力的測定
一、實驗預習（20分）
1、實驗裝置預習（10分）
＿＿＿＿＿年＿＿＿＿月＿＿＿＿日
指導教師＿＿＿＿＿＿（簽字）；成績
2、預習報告（10分）
指導教師＿＿＿＿＿＿（簽字）：成績
(一)、實驗目的
1、學習管路能量損失（hf），直管摩擦係數（λ）的測定方法。
2、掌握直管摩擦係數λ與雷諾數re之間關係及其變化規律。
3、學習壓強差的幾種測量方法和技巧。
4、掌握座標系的選用方法和對數座標系的使用方法。
(二)、實驗原理
當不可壓縮流體在圓形導管中流動時，在管路系統中任意兩個介面之間列出機械能衡算方程為
j · kg –1 (1)
或 m液柱2)
式中： z — 流體的位壓頭，m液柱；
p — 流體的壓強，pa；
u — 流體的平均流速，m · s –1；
流體的密度，kg · m – 3；
h f － 流動系統內因阻力造成的能量損失，j · kg –1；
h f － 流動系統內因阻力造成的壓頭損失，m液柱。
符號下標1和2分別表示上游和下游截面上的數值。
假若：(1)水作為實驗物係，則水可視為不可壓縮流體；
(2)實驗導管是按水平裝置的，則z1 = z2；
(3)實驗導管的上下游截面上的橫截面積相同，則u1 = u 2。
因此(1)和(2)兩式分別可簡化為
j · kg –13)
m水柱4)
由此可見，因阻力造成的能量損失（壓頭損失），可由管路系統的兩介面之間的壓力差（壓頭差）來測定。
當流體在圓形直管內流動時，流體因磨擦阻力所造成的能量損失（壓頭損失），有如下一般關係式：
j · kg –15)
或m液柱6)
式中：d － 圓形直管的直徑，m；
l － 圓形直管的長度，m；
摩擦係數，（無因次）。
大量試驗研究表明：摩擦係數λ與流體的密度ρ和粘度μ管徑d、流速u和管壁粗糙度ε有關。應用因次分析的方法，可以得出摩擦係數與雷諾數和管壁相對粗糙度ε/d存在函式關係，即
7)通過實驗測得λ和re資料可以在雙對數座標上標繪出試驗曲線。當re＜2000時，摩擦係數λ與管壁粗糙度ε無關。當流體在直管中呈湍流時，λ不僅與雷諾數有關，而且與管壁相對粗糙度有關。
當流體流過管路系統時，因遇各種管件、閥門和測量儀表等而產生區域性阻力，所造成的能量損失（壓頭損失），有如下一般關係式：
j · kg –1
或m液柱
式中：u － 連線管件等的直管中流體的平均流速，m · s –1；
ζ － 區域性阻力係數（無因次）。
由於造成區域性阻力的原因和條件極為複雜，各種區域性阻力係數的具體數值，都需要通過實驗直接測定。
(三)、實驗裝置流程
圖1 管路流體阻力實驗裝置流程
1、迴圈水幫浦 2、光滑試驗管 3、粗糙試驗管4、擴大與縮小試驗管
5、孔板流量計 6、閥門 7、轉換閥組 8、高位排氣水槽
作為實驗用水，用迴圈水幫浦或直接用自來水由迴圈水槽送入試驗管路系統，由下而上依次流經各種流體阻力試驗管，最後流入高位排氣水槽。由高位排氣水槽流出的水，返回迴圈水槽。
水在試驗管路中的流速，通過調節閥加以調節。流量由試驗管路中的孔板流量，計測量並由壓差計顯示讀數。
(四)、實驗步驟
實驗前準備工作需按如下步驟順序進行操作：
(1)先將水灌滿迴圈水槽，然後關閉試驗導管入口的調節閥，再啟動迴圈水幫浦。待幫浦運轉正常後，先將實驗導管中的旋塞閥全部開啟，並關閉轉換組中的全部旋塞，然後緩慢開啟實驗導管的入口調節閥。當水流滿整個試驗導管，並在高位排氣水槽中有溢流水排出時，關閉調節閥，停幫浦。
(2)檢查迴圈水槽中的水位，一般需要再補充些水，防止水面低於幫浦吸入口。
(3)逐一檢查並排除實驗導管和連線管線中可能存在的空氣泡。排除空氣泡的方法是，先將轉換閥組中被檢一組測壓口旋塞開啟，然後開啟倒置u形水柱壓差計頂部的放空閥，直至排淨空氣泡再關閉放空閥。必要時可在流體流動狀態下，按上述方法排除空氣泡。
(4)調節倒置u形壓差計的水柱高度。先將轉換閥組上的旋塞全部關閉，然後開啟壓差及頂部放空閥，再緩慢開啟轉換閥組中的放空閥，這時壓差計中液面徐徐下降。當壓差計中的水柱高度居於標尺中間部位時，關閉轉換閥組中的放空閥。
為了便於觀察，在臨試驗前，可由壓差及頂部的放空處，滴入幾滴紅墨水，將壓差計水柱染紅。
(5)在高位排氣水槽中懸掛一支溫度計，用以測量水的溫度。
(6)實驗前需對孔板流量計進行標定，作出流量標定曲線。
實驗測定時，按如下步驟進行操作：
(1)先檢查實驗導管中旋塞是否置於全開位置，其餘測壓旋塞和實驗系統入口調節閥是否全部關閉。檢查完畢啟動迴圈水幫浦。
(2)待幫浦運轉正常後，根據需要緩慢開啟調節閥調節流量，流量大小由孔板流量計的壓差計顯示。
(3)待流量穩定後，將轉換閥組中，與需要測定管路相連的一組旋塞置於全開位置。這時測壓口與倒置u形水柱壓差計接通，即可記錄由壓差計顯示出壓強降。
(4)當需改換測試部位時，只需將轉換閥組由一組旋塞切換為另一組旋塞。例如，將g1和d1一組旋塞關閉，開啟另一組g2和d2旋塞。這時，壓差計與g1和d1測壓口斷開，而與g2和d2測壓口接通，壓差計顯示讀數即為第二支測試管的壓強降。
依次類推。
(5)改變流量，重複上述操作，測得各種實驗導管中不同流速下的壓強降。
(6)當測定旋塞在同一流量不同開度的流體阻力時，由於旋塞開度變小，流量必然會隨之下降，為了保持流量不變，需將入口調節閥作相應調節。
(7)每測定一組流量與壓降資料，同時記錄水的溫度。
實驗注意事項：
(1)實驗前務必將系統記憶體留的氣泡排除乾淨，否則實驗不能達到預期效果。
(2)若實驗裝置放置不用時，尤其是冬季，應將管路系統和水槽內水排放乾淨。
二、實驗操作及原始資料表（30分）
1、實驗資料記錄及整理
(1)實驗基本引數
實驗導管的內徑 d = 17 mm ；實驗導管的測試段長度 l = 600 mm
粗糙管的粗糙度 ε=0.4 mm ； 粗糙管的相對粗糙度 ε/d = 0.0235
孔板流量計的孔徑 d0 = 11 mm 旋塞的孔徑 d v = 12 mm
孔流係數 c0 =0.6613
(2)實驗資料
(3)資料整理
計算公式
vs=c0πd0 (2gr)-2 ; μ=4vs/πd;
re=duρ/μ；λ=hf(d/l)(2/u2)；ζ″=2ghf/ u2；
由上所得資料作圖：
四、實驗討論(20分)
（1）測試中為什麼需要湍流？
（2）流量調節過程中為什麼倒u形壓差計兩支管中液位上下移動的距離不象u形壓差計那樣對等公升降？
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