第3章　化工原理基础实验

实验1　流体流动阻力的测定

一、实验内容

1.测定既定管路内流体流动摩擦阻力和直管摩擦系数λ。

2.测定既定管路内流体流动的直管摩擦系数λ与雷诺数Re之间的关系曲线和关系式。

二、实验目的

1.学习直管摩擦阻力压力降Δpf、直管摩擦系数λ的测定方法。

2.掌握不同流量下摩擦系数与雷诺数之间的关系及其变化规律。

3.学习压差计测量压差、流量计测量流量的方法。

三、实验原理

1.直管摩擦系数λ的测定

直管的摩擦阻力系数是雷诺数和相对粗糙度的函数，即λ=f（Re，ε/d），对一定的相对粗糙度而言，λ=f（Re）。

流体在一定长度等直径的水平圆管内流动时，其管路阻力引起的能量损失为：

又因为摩擦阻力系数与阻力损失之间有如下关系（范宁公式）

式中　d——管径，m；

Δpf——直管阻力引起的压力降，Pa；

l——管长，m；

u——流速，m/s；

ρ——流体的密度，kg/m3；

μ——流体的黏度，Pa·s。

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力降Δpf与流速u（流量V）之间的关系。

根据实验数据和式（3-3）可计算出不同流速下的直管摩擦系数λ，用式（3-4）计算对应的Re，整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系，绘出λ与Re的关系曲线。

本实验利用水做实验，在管长、管径和管壁粗糙度一定的条件下，改变水的流量，测定直管阻力，即流体压力降Δpf=p1-p2，然后分别计算λ和Re值，考察两者的关系。

2.局部阻力系数ξ的测定

流体在管路中流过管件如阀门、弯头、三通、突然扩大或突然收缩等处时，产生涡流形成阻力，习惯称为局部阻力。其计算式为

式中，ξ称为局部阻力系数，无量纲。它与管件的几何形状与Re有关。当Re大到一定时，ξ与Re无关，成为定值。管件的局部阻力系数ξ也都是由实验测定的。

四、实验装置

实验装置如图3-1所示。

五、实验要求

1.根据实验内容的要求和流程，拟订实验步骤。

2.根据流量范围和流动类型划分，大致确定实验点的分布。

3.经指导教师同意后，可以开始按拟订步骤进行实验操作。先排气，再测定数据。

4.在获取必要数据后，经指导教师检查同意后可停止操作。将装置恢复到实验前的状态，做好清洁工作。

六、实验步骤

1.熟悉实验装置及流程。观察U形压差计（倒U形压差计）与实验管道和管件上测压接头的连接及位置。弄清楚排气及平衡旋塞的作用和使用方法。

2.检查实验管路上的各阀门是否处于正确状况。检查U形管压差计上的平衡阀及相应的测压阀是否打开，若未打开，则将其打开。检查排气旋塞是否关闭和管路出口阀是否关闭，若未关闭，则将其关闭。

3.根据离心泵的安装位置判断是否需要灌泵，若需引水灌泵，则打开引水阀和泵体放气阀，观察到有水从泵体放气阀溢出，表示气体被排尽，关闭放气阀和引水阀。启动水泵（注意在泵出口阀关阀的情况下，泵转动不可过久，以防其发热损坏）。

4.系统排气

慢慢打开出口阀，让水流入实验管道和测压导管，排出管道和测压导管中的气体。排气时可以反复调节泵的出口阀和有关管道上的其他阀门，使积存在系统中的气体全部被流动的水带出。

（1）总管排气。先将控制阀开足然后再关闭，重复三次，目的是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，重复三次。

（2）引压管排气。依次分别对每个放气阀，开、关重复三次。

（3）U形压差计排气。关闭平衡阀，依次分别打开两个放气阀，此时眼睛要注视着U形压差计中的指示剂液面的上升，防止指示剂冲出，开、关重复三次。

（4）检验排气是否彻底。将控制阀开至最大，再关至为零，看U形压差计读数，若左右读数相等，则判断系统排气彻底；若左右读数不等，则重复上述（2）、（3）步骤。

5.确认系统中的气体被排净后，关闭平衡阀，准备测取数据。

6.实验数据测定

用管路出口阀调节流量，注意阀门的开度，在最大流量范围内合理分割流量，进行实验布点。测量完成后，打开各测压计的平衡阀。

7.改测另一条管路

打开第二条管路上相应的阀门及测压阀，关闭第一条管路上相应的阀门及测压阀。

8.实验结束后，关闭泵的出口阀，停泵。请指导教师检查实验数据，通过后停止实验，将装置恢复到实验前的状态，做好清洁工作。

七、注意事项

1.在排气和使用时要特别注意开关顺序，若操作失误，可能发生水银泄漏的事故。

2.实验开始与结束后，都应关闭泵的出口阀，检查各压差计两管读数是否相等，若不相等是因为排气过程气泡没排净或实验过程有气泡进入测量系统。

3.实验时需选择管路实验顺序，并开关相应的阀门。

4.装置一直管测量段管长都为2m；装置二ϕ14mm×2mm直管的测量段管长为1.1m，ϕ20mm×2mm直管的测量段管长为1.5m。

5.数据测定时，层流由于流量范围较小，只要取三组数据；湍流一般应取8～10组数据。

6.要注意分清各压差计的连接位置和压差计所用的指示液，不能混淆；数据记录时要注意有效数字和单位。

7.注意两直管管路包括引压管都要排气。

8.由于系统的流量采用涡轮流量计计量，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。

9.改变流量后须等流量稳定后再测量数据。

10.对于涡轮流量计，若发现流量显示仪读数达不到零，可采用将调节阀开至最大，再快速关闭调节阀，流量显示仪读数将为零，可能此读数不久还会上升，仍为正常现象，上升的数据不采集，以零计。此时其余的仪表读数不随显示仪读数而变。

八、实验报告要求

1.将实验数据和数据整理结果列在数据表格中，并以其中一组数据为例写出计算过程。

2.在合适的坐标系中标绘光滑直管和粗糙直管λ-Re关系曲线。

3.根据所标绘的曲线，按经验式关联，并与层流理论公式和湍流柏拉修斯公式比较。

九、思考题

1.本实验要求得到哪些实验结果？为得到这些结果，要知道哪些物理量？直接测定哪些物理数据？用什么仪表？

2.U形压差计的平衡旋塞和排气旋塞起什么作用？怎样使用？在什么情况下会使水银泄漏？如何防止？

3.如何检验测试系统内的空气已经排除干净？

4.U形压差计的零位应如何校正？

5.倒U形压差计读数与压差之间的换算式与U形压差计有什么不同？倒U形压差计一般适用于什么场合？