阻力系数的测定

一、实验目的

1. 掌握管道摩擦阻力系数的测定方法，

2. 寻找阻力系数和雷诺准数之间的关系。

二、实验原理

1. 流体流动的阻力及阻力系数

由于流体粘性的存在，流体在流动的过程中会发生流体间的摩擦，从而导致阻力损失。层流时阻力损失的计算式是由理论推导得到的；湍流时由于情况复杂得多，未能得出理论式，但可以通过实验研究，获得经验的计算式。根据管路差异和实验研究犯法的不同，通常将阻力损失分为两类：流体通过直观的阻力称为直管阻力（或沿程阻力），流体流过管件（弯头、三通等）和阀门等的阻力称为局部阻力。通过因此分析，可将二者表示为：

  （直管）

   （局部）

总阻力就是二者之和。

在上面的式子中，l称作直管阻力系数，z称为局部阻力系数。在计算流体流动阻力时，必须先计算阻力系数。

通过大量的实验证明，阻力系数与利诺准数和管路的相对粗糙度（e/d）有关，即：

对于特定的管道，阻力系数仅与流体的流动型态，即雷诺准数有关。测定不同流量下的阻力系数以及雷诺准数，通过做图或拟合，即可找到阻力系数和雷诺准数之间的关系。

2. 阻力系数的测定原理

对于不可压缩流体在两测压点间列柏努利方程：

对于水平管道，当管径不变，且无外加能量，即：

, , 

则有

又阻力损失可表示为：

  （直管）

   （局部）

因此

上述各式中：

l—直管阻力系数

z—局部阻力系数

DR—压力计内指示液高度差，m液柱。若指示液与流体不同，须对DR进行换算。

d—管径

l—管长

u—流速，m/s, 其值为流量除以管道截面积, 即

Vs—流量，m3/s

二、实验流程

水阀

三、实验方法

1. 准备工作

在实验开始前，先向水槽中注入三分之二容积的清洁水，然后关闭除Dg 25内螺纹截止阀以外的所有阀门。检查各个压差计的接头是否牢固、严密；小旋塞的转动是否灵活。

2. 操作步骤

（1）关闭控制阀，2个光滑管引压阀，关闭其余引压阀，启动泵。

（2）系统排气

总管排气：先将控制阀开足然后再关闭，重复三次，目的为了使总管中的大部分气体被排走，然后打开总管排气阀，开足后再关闭，重复三遍。

引压管排气：每次测直管阻力或测局部阻力时，打开相应的引压管放气阀，开、关重复三次。

压差计排气：依次分别打开放气阀，开、关重复三次。

（3）检验排气是否彻底是将控制阀开至最大，再关至为零，看压差变送器计读数，若前后读数相等，则判断系统排气彻底；若前后读数不等，则重复上述（2）步骤。由于系统的流量计量采用涡轮流量计，其小流量受到结构的限制，因此，从大流量做起，实验数据比较准确。

（4）实验布点

      由于Re在充分湍流区时，λ～Re的关系是水平线，所以在大流量时少布点，而Re在比较小时，λ～Re的关系是曲线，所以小流量时多布点。先将控制阀开至最大，读取流量显示仪读数F大，然后关至压差显示值约0.3Kpa时，再读取流量显示仪读数F小，在F小和F大二个读数之间布14～16个点。

（5）实验结束后，关闭泵，上及数据处理。

3. 注意事项

      (1) 实验过程中，循环水始终保持清洁，注意不要将杂物掉入水槽中。

      (2) 开泵前检查水泵能否转动，开泵后注意观察泵出口压力表指针是否升起? 泵的运转是否正常? 否则，应停泵检查。

      (3) 开泵和停泵前均应先关闭泵出口调节阀，开启阀门时操作应缓慢，防止大起大落，以免影响测量结果和冲跑水银。

      (4) 在该装置上进行的实验要在多人合作下才能完成，因此，人人必须认真负责，坚守岗位，以免个人失误影响全组实验的顺利进行。

四、思考题

1． 为什么要测定阻力系数？

2． 实验中应注意哪些事项？