管路流体阻力的测定

实验二 管路流体阻力的测定

一、实验目的

研究管路系统中的流体流动和输送，其中重要的问题之一，是确定流体在流动过程中的能量损耗。

流体流动时的能量损耗（压头损失），主要由于管路系统中存在着各种阻力。管路中的各种阻力可分为沿程阻力（直管阻力）和局部阻力两大类。 本实验的目的，是以实验方法直接测定摩擦系数λ和局部阻力系数ζ。 二、实验原理

当不可压缩流体在圆形导管中流动时，在管路系统内任意二个截面之间列出机械能 衡算方程为

2

P1u1P2u2

gZ1gZ22hf Jkg1 1

22

或

2P1u1P2u2

Z1Z22Hf m液柱 2

g2gg2g

式中；Z—一流体的位压头，m液柱； P——流体的压强，Pa； U—一流体的平均流速，m·s

h；—一单位质量流体因流体阻力所造成的能量损失，J·kg

Hf—一单位重量流体因流体阻力所造成的能量损失，即所谓压头损失，m 液柱；

符号下标1和2分别表示上游和下游截面上的数值。 假若：（1）水作为试验物系，则水可视为不可压缩流体； （2）试验导管是按水平装置的，则Z1=Z2；

（3）试验导管的上下游截面上的横截面积相同，则u1=u2. 因此（1）和（2）两式分别可简化为

-1

-1

P1P2

Jkg-1 3

PP2

Hf1 m水柱 4

ghf

由此可见，因阻力造成的能量损失（压头损失），可由管路系统的两截面之间的压力差（压头差）来测定。

当流体在圆形直管内流动时，流体因摩擦阻力所造成的能量损失（压头损失），有如下一般关系式：

P1P2lu2hf  Jkg1 5

d2

或

P1P2lu2

Hfm水柱 6

gd2g

式中；d—一圆形直管的管径，m； l—一圆形直管的长度，m； λ—一摩擦系数，【无因次】。

大量实验研究表明：摩擦系数又与流体的密度ρ和粘度μ,管径d、流速u和管壁粗糙

度ε有关。应用因次分析的方法，可以得出摩擦系数与雷诺数和管壁相对粗糙度ε／d存在 函数关系，即



7fRe,

d

通过实验测得λ和Re数据，可以在双对数坐标上标绘出实验曲线。当Re＜2000时，摩擦系数λ与管壁粗糙度ε无关。当流体在直管中呈湍流时，λ不仅与雷诺数有关，而且与管壁相对粗糙度有关。

当流体流过管路系统时，因遇各种管件、阀门和测量仪表等而产生局部阻力，所造成

的能量损失（压头损失），有如下一般关系式：

2u'

Jkg1 hf2

或

u2

H m液柱

2g

'f

式中：u—一连接管件等的直管中流体的平均流速，m· s； ζ—一局部阻力系数【无因次】。

由于造成局部阻力的原因和条件极为复杂，各种局部阻力系数的具体数值，都需要通 过实验直接测定。 三、实验装置

本实验装置主要是由循环水系统（或高位稳压水槽）、试验管路系统和高位排气水槽

串联组合而成，每条测试管的测压口通过转换阀组与压差计连通。

压差由一倒置U形水柱压差计显示。孔板流量计的读数申另一倒置U形水柱压差

计显示。该装置的流程如图2-1所示。

-1

图2-1 管路流体阻力实验装置流程

1． 循环水泵；2．光滑试验管3．粗糙试验管4．扩大与缩小试验管；5．孔板流量计；6．阀

门；7.转换阀组；8.高位排气水槽．

试验管路系统是由五条玻璃直管平行排列，经U形弯管串联连接而成。每条直管上

分别配置光滑管、粗糙管、骤然扩大与缩小管、阀门和孔板流量计。每根试验管测试段长

度月两测压口距离均为 0.6m。流程图中标出符号 G和 D分别表示上游测压口（高压侧）

和下游测压口 低压侧）。测压口位置的配置，以保证上游测压口距U形弯管接口的距离，

以及下游测压口距造成局部阻力处的距离，均大于50倍管径。

作为试验用水，用循环水泵或直接用自来水由循环水槽送入试验管路系统，

由下而上

依次流经各种流体阻力试验管，最后流人高位排气水槽。由高位排气水槽溢流出来的水， 返回循环水槽。

水在试验管路中的流速，通过调节阀加以调节。流量由试验管路中的孔板流量计测

量，并由压差计显示该数。 四、实验方法

实验前准备工作须按如下步骤顺序进行操作：

（1）先将水灌满循环水槽，然后关闭试验导管入口的调节阀，再启动循环水泵。待泵运转正常后，先将试验导管中的旋塞阀全部打开，并关闭转换阀组中的全部旋塞，然后缓慢 开启试验导管的入口调节阀。当水流满整个试验导管，并在高位排气水槽中有溢流水排出 时，关闭调节阀，停泵。

（2）检查循环水槽中的水位，一般需要再补充些水，防止水面低于泵吸入口。

（3）逐一检查并排除试验导管和联接管线中可能存在的空气泡。排除空气泡的方法是，先将转换阀组中被检一组测压口旋塞打开，然后打开倒置U形水柱压差计顶部的放空阀，直至排尽空气泡再关闭放空阀。必要时可在流体流动状态下，按上述方法排除空气泡。

（4）调节倒置U形压差计的水柱高度。先将转换阀组上的旋塞全部关闭，然后打开压差计顶部放空阀，再缓慢开启转换阀组中的放空阀，这时压差计中液面徐徐下降。当压差计中的水柱高度居于标尺中间部位时，关闭转换阀组中的放空阀。为了便于观察，在临实验前，可由压差计项部的放空处，滴入几滴红墨水，将压差计水柱染红。

（5）在高位排气水槽中悬挂一支温度计，用以测量水的温度。 （6）实验前需对孔板流量计进行标定，作出流量标定曲线。 实验测定时，按如下步骤进行操作：

（1）先检查试验导管中旋塞是否置于全开位置，其余测压旋塞和试验系统入口调节阀是否全部关闭。检查毕启动循环水泵。

（2）待泵运转正常后，根据需要缓慢开启调节阀调节流量，流量大小由孔板流量计的压差计显示。

（3）待流量稳定后，将转换阀组中，与需要测定管路相连的一组旋塞置于全开位置，这时测压口与倒置U形水柱压差计接通，即可记录由压差计显示出压强降。 （4）当需改换测试部位时，只需将转换阀组由一组旋塞切换为另一组旋塞。例如，将G1和D1一组旋塞关闭，打开另一组G2和D2 旋塞。这时，压差计与G1

和D1测压口断开，而与G2和D2测压口接通，压差计显示读数即为第二支测试管的压强降。以此类推。

（5）改变流量，重复上述操作，测得各试验导管中不同流速下的压强降。 （6）当测定旋塞在同一流量不同开度的流体阻力时，由于旋塞开度变小，流量必然会随之下降，为了保持流量不变，需将入口调节阀作相应调节。

（7）每测定一组流量与压强降数据，同时记录水的温度。 实验注意事项：

（1）实验前务必将系统内存留的气泡排除干净，否则实验不能达到预期效果。

（2）若实验装置放置不用时，尤其是冬季，应将管路系统和水槽内水排放干净。

五、实验数据记录及整理 （1）实验基本参数

试验导管的内径 d＝ mm 试验导管的测试段长度l＝ mm

粗糙管的粗糙度ε= mm 粗糙管的相对粗糙度ε/d= 孔板流量计的孔径d （2）流量标定曲线 （3）实验数据

水流量的计算 （以序号1为例）

= mm旋塞的孔径dv= mm

VsC0

2gR

4

0.66130.7850.011229.810.6582.257104m3/s

Vs



d0

2

u

4

du0.0170.995997.2Re1.87104 4

9.0210

d2

2.257104

0.995m/s 0.7850.0172

计算和（以序号1为例）

（1）光滑管ppfgh997.29.810.064626.1Pa

lu20.6997.2(0.995)2pf17422.1

d20.0172



626.1

0.036

17422.1

（2）粗糙管ppfgh997.29.810.21956.5Pa

lu20.6997.2(0.995)2pf17422.1

d20.0172



1956.5

0.112

17422.1

（3）孔板流量计ppfgh997.29.810.5064950Pa

997.2(0.995)2pf493.6

22

u2



4950

10.03

493.6

（4）旋塞ppfgh997.29.810.2052005.4Pa

997.2(0.995)2pf493.6

22

u2



2005.4

4.06

493.6

（4）数据整理

（5）标绘Re－λ实验曲线

实验二 管路流体阻力的测定

一、实验目的

研究管路系统中的流体流动和输送，其中重要的问题之一，是确定流体在流动过程中的能量损耗。

流体流动时的能量损耗（压头损失），主要由于管路系统中存在着各种阻力。管路中的各种阻力可分为沿程阻力（直管阻力）和局部阻力两大类。 本实验的目的，是以实验方法直接测定摩擦系数λ和局部阻力系数ζ。 二、实验原理

当不可压缩流体在圆形导管中流动时，在管路系统内任意二个截面之间列出机械能 衡算方程为

2

P1u1P2u2

gZ1gZ22hf Jkg1 1

22

或

2P1u1P2u2

Z1Z22Hf m液柱 2

g2gg2g

式中；Z—一流体的位压头，m液柱； P——流体的压强，Pa； U—一流体的平均流速，m·s

h；—一单位质量流体因流体阻力所造成的能量损失，J·kg

Hf—一单位重量流体因流体阻力所造成的能量损失，即所谓压头损失，m 液柱；

符号下标1和2分别表示上游和下游截面上的数值。 假若：（1）水作为试验物系，则水可视为不可压缩流体； （2）试验导管是按水平装置的，则Z1=Z2；

（3）试验导管的上下游截面上的横截面积相同，则u1=u2. 因此（1）和（2）两式分别可简化为

-1

-1

P1P2

Jkg-1 3

PP2

Hf1 m水柱 4

ghf

由此可见，因阻力造成的能量损失（压头损失），可由管路系统的两截面之间的压力差（压头差）来测定。

当流体在圆形直管内流动时，流体因摩擦阻力所造成的能量损失（压头损失），有如下一般关系式：

P1P2lu2hf  Jkg1 5

d2

或

P1P2lu2

Hfm水柱 6

gd2g

式中；d—一圆形直管的管径，m； l—一圆形直管的长度，m； λ—一摩擦系数，【无因次】。

大量实验研究表明：摩擦系数又与流体的密度ρ和粘度μ,管径d、流速u和管壁粗糙

度ε有关。应用因次分析的方法，可以得出摩擦系数与雷诺数和管壁相对粗糙度ε／d存在 函数关系，即



7fRe,

d

通过实验测得λ和Re数据，可以在双对数坐标上标绘出实验曲线。当Re＜2000时，摩擦系数λ与管壁粗糙度ε无关。当流体在直管中呈湍流时，λ不仅与雷诺数有关，而且与管壁相对粗糙度有关。

当流体流过管路系统时，因遇各种管件、阀门和测量仪表等而产生局部阻力，所造成

的能量损失（压头损失），有如下一般关系式：

2u'

Jkg1 hf2

或

u2

H m液柱

2g

'f

式中：u—一连接管件等的直管中流体的平均流速，m· s； ζ—一局部阻力系数【无因次】。

由于造成局部阻力的原因和条件极为复杂，各种局部阻力系数的具体数值，都需要通 过实验直接测定。 三、实验装置

本实验装置主要是由循环水系统（或高位稳压水槽）、试验管路系统和高位排气水槽

串联组合而成，每条测试管的测压口通过转换阀组与压差计连通。

压差由一倒置U形水柱压差计显示。孔板流量计的读数申另一倒置U形水柱压差

计显示。该装置的流程如图2-1所示。

-1

图2-1 管路流体阻力实验装置流程

1． 循环水泵；2．光滑试验管3．粗糙试验管4．扩大与缩小试验管；5．孔板流量计；6．阀

门；7.转换阀组；8.高位排气水槽．

试验管路系统是由五条玻璃直管平行排列，经U形弯管串联连接而成。每条直管上

分别配置光滑管、粗糙管、骤然扩大与缩小管、阀门和孔板流量计。每根试验管测试段长

度月两测压口距离均为 0.6m。流程图中标出符号 G和 D分别表示上游测压口（高压侧）

和下游测压口 低压侧）。测压口位置的配置，以保证上游测压口距U形弯管接口的距离，

以及下游测压口距造成局部阻力处的距离，均大于50倍管径。

作为试验用水，用循环水泵或直接用自来水由循环水槽送入试验管路系统，

由下而上

依次流经各种流体阻力试验管，最后流人高位排气水槽。由高位排气水槽溢流出来的水， 返回循环水槽。

水在试验管路中的流速，通过调节阀加以调节。流量由试验管路中的孔板流量计测

量，并由压差计显示该数。 四、实验方法

实验前准备工作须按如下步骤顺序进行操作：

（1）先将水灌满循环水槽，然后关闭试验导管入口的调节阀，再启动循环水泵。待泵运转正常后，先将试验导管中的旋塞阀全部打开，并关闭转换阀组中的全部旋塞，然后缓慢 开启试验导管的入口调节阀。当水流满整个试验导管，并在高位排气水槽中有溢流水排出 时，关闭调节阀，停泵。

（2）检查循环水槽中的水位，一般需要再补充些水，防止水面低于泵吸入口。

（3）逐一检查并排除试验导管和联接管线中可能存在的空气泡。排除空气泡的方法是，先将转换阀组中被检一组测压口旋塞打开，然后打开倒置U形水柱压差计顶部的放空阀，直至排尽空气泡再关闭放空阀。必要时可在流体流动状态下，按上述方法排除空气泡。

（4）调节倒置U形压差计的水柱高度。先将转换阀组上的旋塞全部关闭，然后打开压差计顶部放空阀，再缓慢开启转换阀组中的放空阀，这时压差计中液面徐徐下降。当压差计中的水柱高度居于标尺中间部位时，关闭转换阀组中的放空阀。为了便于观察，在临实验前，可由压差计项部的放空处，滴入几滴红墨水，将压差计水柱染红。

（5）在高位排气水槽中悬挂一支温度计，用以测量水的温度。 （6）实验前需对孔板流量计进行标定，作出流量标定曲线。 实验测定时，按如下步骤进行操作：

（1）先检查试验导管中旋塞是否置于全开位置，其余测压旋塞和试验系统入口调节阀是否全部关闭。检查毕启动循环水泵。

（2）待泵运转正常后，根据需要缓慢开启调节阀调节流量，流量大小由孔板流量计的压差计显示。

（3）待流量稳定后，将转换阀组中，与需要测定管路相连的一组旋塞置于全开位置，这时测压口与倒置U形水柱压差计接通，即可记录由压差计显示出压强降。 （4）当需改换测试部位时，只需将转换阀组由一组旋塞切换为另一组旋塞。例如，将G1和D1一组旋塞关闭，打开另一组G2和D2 旋塞。这时，压差计与G1

和D1测压口断开，而与G2和D2测压口接通，压差计显示读数即为第二支测试管的压强降。以此类推。

（5）改变流量，重复上述操作，测得各试验导管中不同流速下的压强降。 （6）当测定旋塞在同一流量不同开度的流体阻力时，由于旋塞开度变小，流量必然会随之下降，为了保持流量不变，需将入口调节阀作相应调节。

（7）每测定一组流量与压强降数据，同时记录水的温度。 实验注意事项：

（1）实验前务必将系统内存留的气泡排除干净，否则实验不能达到预期效果。

（2）若实验装置放置不用时，尤其是冬季，应将管路系统和水槽内水排放干净。

五、实验数据记录及整理 （1）实验基本参数

试验导管的内径 d＝ mm 试验导管的测试段长度l＝ mm

粗糙管的粗糙度ε= mm 粗糙管的相对粗糙度ε/d= 孔板流量计的孔径d （2）流量标定曲线 （3）实验数据

水流量的计算 （以序号1为例）

= mm旋塞的孔径dv= mm

VsC0

2gR

4

0.66130.7850.011229.810.6582.257104m3/s

Vs



d0

2

u

4

du0.0170.995997.2Re1.87104 4

9.0210

d2

2.257104

0.995m/s 0.7850.0172

计算和（以序号1为例）

（1）光滑管ppfgh997.29.810.064626.1Pa

lu20.6997.2(0.995)2pf17422.1

d20.0172



626.1

0.036

17422.1

（2）粗糙管ppfgh997.29.810.21956.5Pa

lu20.6997.2(0.995)2pf17422.1

d20.0172



1956.5

0.112

17422.1

（3）孔板流量计ppfgh997.29.810.5064950Pa

997.2(0.995)2pf493.6

22

u2



4950

10.03

493.6

（4）旋塞ppfgh997.29.810.2052005.4Pa

997.2(0.995)2pf493.6

22

u2



2005.4

4.06

493.6

（4）数据整理

（5）标绘Re－λ实验曲线