流体阻力实验报告 1

北 京 化 工 大 学 化 工 原 理 实 验 报 告

实验名称：班 级：姓 名：学 号：同 组 人：设备型号：实验日期：

流体阻力实验 化工11

2011011 序 号： 流体阻力-泵联合实验装置UPRSⅢ型-第 套 2013-11-4

一、实验摘要

本实验使用104实验室UPRSⅢ型第7套实验设备，测量了水流经不锈钢管、镀锌管、突扩管、阀门、层流管的阻力损失。确定了摩擦系数和局部阻力系数的变化规律和影响因素。该实验提供了一种测量实际管路阻力系数的方法，其结果可为管路实际应用和工艺设计提供重要的参考。

关键词：流量，压降，雷诺数，摩擦系数，局部阻力系数

二、实验目的

1、测量湍流直管道的阻力，确定摩擦阻力系数。 2、测量湍流局部管道的阻力，确定局部阻力系数。 3、测量层流直管道的阻力，确定摩擦阻力系数。

三、实验原理

22u1p2u2

1、直管道和局部管道阻力损失hf(gZ12)(gZ22)he

p1

„„(1)

其中he=0,z1=z2,所以测出管道上下游截面的静压能、动能，代入方程即可求得阻力。

2、根据因次分析法可得：

lu2

（1）直管道阻力损失hfd2

„„(2)。其中，l为管道长度，d为管道内

径，u为管内平均流速。只要测定l，d，u，和，代入方程即可求得阻力hf。

64

层流其中，λ的理论值计算方法为：湍流0.3163 ； 。 0.25

Re

Re

对于水平无变径直管道，根据式（1）、（2）可得到摩擦系数的计算方法

p2)

为测量2d(p1。

lu

（2）管道局部阻力损失hf

u2

2

„„（3）。其中，ζ为管道局部阻力系数，

u为平均流速（突扩管对应细管流速u1）。将ζ和u代入方程即可求得局部阻力hf。

其中，ζ的理论值计算方法为：突扩管(1

A12

) ;截止阀常数；球阀常数A2

。

对于水平放置的管件，根据式（1）、（3）可得到局部阻力系数的计算方

2p1p2)

法为阀门（；突扩管1-2

u2

2(pp)



2

u1

u

。

四、实验流程和设备

流体阻力实验带控制点工艺流程

1、水箱 2、水泵 3、涡轮流量计 4、主管路切换阀 5、层流管 6、截止阀 7、球阀 8、不锈钢管 9、镀锌管 10、突扩管 11、流量调节阀（闸板阀） 12、层流调节阀（针阀） 13、变频仪

TI01—水温度，oC;；QI02—水流量，m3.h-1；ΔPI03—压降，kPa。

试验介质：水（循环使用）。

研究对象：不锈钢管，l=1.500m，d=0.021m, ε=0.02mm; 镀锌管，l=1.500m，d=0.0215m，ε=0.10mm;

突扩管，l1=0.02m,d1=0.0160m,l2=0.28m,d2=0.0420m, ε=0.02mm; 截止阀，DN20，d=0.0205m; 球阀，DN20，d=0.0205m;

层流管，l=1.500m,d=0.0030m。

仪器仪表：涡轮流量计，L2GY-25型，0.6~10 m3.h-1，精确度等级0.5；

温度计，Pt100，0~200oC，精度等级0.2；

压差传感器，WNK3051型，-20~100kPa，精度等级0.2，测势能差ΔÞ； 显示仪表：AI-708等，精度等级0.1,；

变频仪：西门子MM420型； 天平，0.01g； 量筒、秒表等；

控制系统：控制电柜+电脑+数据采集软件，380VAC+220VAC

五、实验操作

1、关闭流量调节阀门，按变频器绿色按钮启动泵，再启动软件。 2、打开流量调节阀和所有主管路切换阀10s，排净主管路内的气体。

3、关闭流量调节阀，打开截止阀、球阀中间的两个测压阀，再开压差传感器排气阀门10s，排净引压管路内的气体后，关闭截止阀、球阀中间的两个阀门。

4、将选定测量管的主管路切换阀打开，关闭其他主管路切换阀。

5、只打开测量管的两个测压阀门10s，排净气体后，关闭压差传感器排气阀，记录零点ΔP0。

6、全开流量调节阀，通过变频器的向下箭头键（50至10Hz）改变水流量，直管16 m3.h-1以下通过阀门调节流量，测完一组数据后关闭流量调节阀，10Hz条件下再次检查零点ΔP0。

7、层流实验调泵20Hz，关闭11，开12排气，水量=总重-量筒净重，软件每次先点击“开始计时”、“停止计时”，输入水量，再点击“记录数据”，最后改流量，Δt﹤120s，ΔP取平均值。

8、实验结束，关闭流量调节阀、主管路和引压管阀门，开压差传感器排气阀门，停泵。

注意事项：1、截止阀、闸阀、针阀配备阀手柄，逆时针旋转开启，顺时针旋转

关闭。

2、球阀配备长条手柄，只能旋转90度，平行于管道开启，垂直于管

道关闭。 3、闸阀全开或全关后，通常再反向旋转1圈。

4

4、切换管路时，先开下一组的主管路切换阀，再关闭本组切换阀。 5、每切换一组管路，重复4~5步操作，检查记录零点。 6、每做完一个点，都要通过软件点击“查看数据/实验结果”，确定

点的取舍和分布等。

六、实验数据表格及计算举例

计算举例：（以第一组数据为例）

水流量Qv=7.06m3/h, 管路压降ΔP=19.09kPa, 水温度T=20.2℃，管路长度l=1.500m,管路直径d=0.0210m, ε=0.02mm 水密度：

999.9853150.019083T0.05896T20.155206104T3999.9853150.01908320.20.0589620.220.15520610420.23998.1kg/m3

T20.278720.79174849T73.197220.0418943T3.385661.000mPas 水粘度：0.073744470.88161305

水流速：u4Qv

d

47.06

36000.02105.66m/s

5.66

雷诺数：Redu998.10.021118647 

1.00010

P20.02119.091000摩擦阻力系数2d0.017 lu998.11.5005.66

0.017

blasius

0.3163Re0.25



0.3163

0.25

118647

计算举例：（以第一组数据为例）

水流量Qv=7.06m3/h, 管路压降ΔP=19.09kPa, 水温度T=20.2℃，管路长度l=1.500m, 管路直径d=0.0215m，ε=0.10mm 水密度：

999.9853150.019083T0.05896T20.155206104T3999.9853150.01908321.50.0589621.520.15520610421.53997.8.1kg/m3

T20.278720.79174849T73.197220.0418943T3.385660.969mPas 水粘度：0.073744470.88161305

水流速：u4Qv

2

d

46.95

36000.02152

5.32m/s

5.32

雷诺数：Redu997.80.0215117678 

0.96910

P20.021526.181000摩擦阻力系数2d0.027 lu997.81.5005.32

0.017

blasius

0.3163Re



0.3163117678

计算举例：（以第一组数据为例）

水质量m=51.84g, 时间t=120.5s， 管路压降ΔP=0.25kPa, 水温度T=22.2℃，管路长度l=1.00m, 管路直径d=0.0029m 水密度：

999.9853150.019083T0.05896T20.155206104T3999.9853150.01908322.20.0589622.220.15520610422.23997.7kg/m3

T20.278720.79174849T73.197220.0418943T3.385660.953mPas 水粘度：0.073744470.88161305

水流量：Qv水流速：u

m51.84

1.55L/ht997.7120.53600

4Qv

d

41.55103

36000.00290.07m/s

0.07

雷诺数：Redu997.70.0029198 3



0.95310

P20.00290.251000摩擦阻力系数2d20.341 2

lu997.71.5000.07

blasius

6464

0.323

Re198

计算举例：（以第一组数据为例）

水流量Qv=1.00m3/h， 管路压降ΔP=0.27kPa, 水温度T=21.7℃， 管路长度l1=0.02m, 管路直径d1=0.0160m， l2=0.28m， d2=0.0420m，ε=0.02mm 水密度：

999.9853150.019083T0.05896T20.155206104T3999.9853150.01908321.70.0589621.720.15520610421.73997.8kg/m3

水流速：u14Qv

2

d1

41.00

36000.0162

u22

1.38m/s ； u2

4Qv

d22



41.00

36000.0422

0.20m/

s

2p

局部阻力系数：11



0.2021

u12

20.271000

0.695 1.382

同理可计算得ζ2=0.740，ζ3=0.727，ζ4=0.727，ζ5=0.727 取平均值得平均1

5

d2



i1

n5

i

1

(0.6950.7400.7270.7270.727)0.7232 5

局部阻力系数理论值：理论(1d1)2(10.0160)20.7308

0.0420

局部阻力系数的相对误差：E

理论-平均0.7308-0.7232

100%100%1.03%

理论0.7308

计算举例：（以第一组数据为例）

水流量Qv=2.00m3/h， 管路压降ΔP=11.56kPa, 水温度T=22.1℃， 管路直径d=0.0205m 水密度：

999.9853150.019083T0.05896T20.155206104T3999.9853150.01908322.10.0589622.120.15520610422.13997.7kg/m3

水流速：u4Qv

d1

42.00

36000.02051.68m/s

p211.561000

局部阻力系数：1228.180 2

u997.71.68

同理可计算得ζ2=8.038，ζ3=7.989 取平均值得平均1

3



i1

n3

i

1

(8.1808.0387.989)8.069 3

查表可得局部阻力系数理论值：理论

局部阻力系数的相对误差：E

理论-平均

100%

理论

100%%

计算举例：（以第一组数据为例）

水流量Qv=2.00m3/h， 管路压降ΔP=0.77kPa, 水温度T=22.0℃， 管路直径d=0.0205m 水密度：

999.9853150.019083T0.05896T20.155206104T3999.9853150.01908322.00.0589622.020.15520610422.103997.7kg/m3

水流速：u4Qv

d1

42.00

36000.02051.68m/s

p20.7710000.545 局部阻力系数：122

2

u997.71.68

同理可计算得ζ2=0.462，ζ3=0.448 取平均值得平均1

3



i1

n3

i

1

(0.5450.4620.448)0.4850 3

查表可得局部阻力系数理论值：理论

局部阻力系数的相对误差：E

理论-平均

100%

理论

100%%

七、实验结果作图及分析 结果分析：

结果分析与误差分析：

1、湍流的摩擦阻力系数随雷诺数的增大而减小，层流的摩擦阻力系数也随雷诺数的增大而减小。但湍流的λ随Re的变化曲线比层流的平缓。 2、层流的lgλ与lgRe大致呈线性关系。

3、第一组实验的最后一个点偏差较大，可能是因为实验中记错了数据。

4、每次改变流量后可能没等到稳定就读数，这样会带来误差，使压强偏高，导致λ偏大。

八、思考题

1、在测量前为什么要将设备中的空气排净？怎样才能迅速的排净？

北 京 化 工 大 学 化 工 原 理 实 验 报 告

实验名称：班 级：姓 名：学 号：同 组 人：设备型号：实验日期：

流体阻力实验 化工11

2011011 序 号： 流体阻力-泵联合实验装置UPRSⅢ型-第 套 2013-11-4

一、实验摘要

本实验使用104实验室UPRSⅢ型第7套实验设备，测量了水流经不锈钢管、镀锌管、突扩管、阀门、层流管的阻力损失。确定了摩擦系数和局部阻力系数的变化规律和影响因素。该实验提供了一种测量实际管路阻力系数的方法，其结果可为管路实际应用和工艺设计提供重要的参考。

关键词：流量，压降，雷诺数，摩擦系数，局部阻力系数

二、实验目的

1、测量湍流直管道的阻力，确定摩擦阻力系数。 2、测量湍流局部管道的阻力，确定局部阻力系数。 3、测量层流直管道的阻力，确定摩擦阻力系数。

三、实验原理

22u1p2u2

1、直管道和局部管道阻力损失hf(gZ12)(gZ22)he

p1

„„(1)

其中he=0,z1=z2,所以测出管道上下游截面的静压能、动能，代入方程即可求得阻力。

2、根据因次分析法可得：

lu2

（1）直管道阻力损失hfd2

„„(2)。其中，l为管道长度，d为管道内

径，u为管内平均流速。只要测定l，d，u，和，代入方程即可求得阻力hf。

64

层流其中，λ的理论值计算方法为：湍流0.3163 ； 。 0.25

Re

Re

对于水平无变径直管道，根据式（1）、（2）可得到摩擦系数的计算方法

p2)

为测量2d(p1。

lu

（2）管道局部阻力损失hf

u2

2

„„（3）。其中，ζ为管道局部阻力系数，

u为平均流速（突扩管对应细管流速u1）。将ζ和u代入方程即可求得局部阻力hf。

其中，ζ的理论值计算方法为：突扩管(1

A12

) ;截止阀常数；球阀常数A2

。

对于水平放置的管件，根据式（1）、（3）可得到局部阻力系数的计算方

2p1p2)

法为阀门（；突扩管1-2

u2

2(pp)



2

u1

u

。

四、实验流程和设备

流体阻力实验带控制点工艺流程

1、水箱 2、水泵 3、涡轮流量计 4、主管路切换阀 5、层流管 6、截止阀 7、球阀 8、不锈钢管 9、镀锌管 10、突扩管 11、流量调节阀（闸板阀） 12、层流调节阀（针阀） 13、变频仪

TI01—水温度，oC;；QI02—水流量，m3.h-1；ΔPI03—压降，kPa。

试验介质：水（循环使用）。

研究对象：不锈钢管，l=1.500m，d=0.021m, ε=0.02mm; 镀锌管，l=1.500m，d=0.0215m，ε=0.10mm;

突扩管，l1=0.02m,d1=0.0160m,l2=0.28m,d2=0.0420m, ε=0.02mm; 截止阀，DN20，d=0.0205m; 球阀，DN20，d=0.0205m;

层流管，l=1.500m,d=0.0030m。

仪器仪表：涡轮流量计，L2GY-25型，0.6~10 m3.h-1，精确度等级0.5；

温度计，Pt100，0~200oC，精度等级0.2；

压差传感器，WNK3051型，-20~100kPa，精度等级0.2，测势能差ΔÞ； 显示仪表：AI-708等，精度等级0.1,；

变频仪：西门子MM420型； 天平，0.01g； 量筒、秒表等；

控制系统：控制电柜+电脑+数据采集软件，380VAC+220VAC

五、实验操作

1、关闭流量调节阀门，按变频器绿色按钮启动泵，再启动软件。 2、打开流量调节阀和所有主管路切换阀10s，排净主管路内的气体。

3、关闭流量调节阀，打开截止阀、球阀中间的两个测压阀，再开压差传感器排气阀门10s，排净引压管路内的气体后，关闭截止阀、球阀中间的两个阀门。

4、将选定测量管的主管路切换阀打开，关闭其他主管路切换阀。

5、只打开测量管的两个测压阀门10s，排净气体后，关闭压差传感器排气阀，记录零点ΔP0。

6、全开流量调节阀，通过变频器的向下箭头键（50至10Hz）改变水流量，直管16 m3.h-1以下通过阀门调节流量，测完一组数据后关闭流量调节阀，10Hz条件下再次检查零点ΔP0。

7、层流实验调泵20Hz，关闭11，开12排气，水量=总重-量筒净重，软件每次先点击“开始计时”、“停止计时”，输入水量，再点击“记录数据”，最后改流量，Δt﹤120s，ΔP取平均值。

8、实验结束，关闭流量调节阀、主管路和引压管阀门，开压差传感器排气阀门，停泵。

注意事项：1、截止阀、闸阀、针阀配备阀手柄，逆时针旋转开启，顺时针旋转

关闭。

2、球阀配备长条手柄，只能旋转90度，平行于管道开启，垂直于管

道关闭。 3、闸阀全开或全关后，通常再反向旋转1圈。

4

4、切换管路时，先开下一组的主管路切换阀，再关闭本组切换阀。 5、每切换一组管路，重复4~5步操作，检查记录零点。 6、每做完一个点，都要通过软件点击“查看数据/实验结果”，确定

点的取舍和分布等。

六、实验数据表格及计算举例

计算举例：（以第一组数据为例）

水流量Qv=7.06m3/h, 管路压降ΔP=19.09kPa, 水温度T=20.2℃，管路长度l=1.500m,管路直径d=0.0210m, ε=0.02mm 水密度：

999.9853150.019083T0.05896T20.155206104T3999.9853150.01908320.20.0589620.220.15520610420.23998.1kg/m3

T20.278720.79174849T73.197220.0418943T3.385661.000mPas 水粘度：0.073744470.88161305

水流速：u4Qv

d

47.06

36000.02105.66m/s

5.66

雷诺数：Redu998.10.021118647 

1.00010

P20.02119.091000摩擦阻力系数2d0.017 lu998.11.5005.66

0.017

blasius

0.3163Re0.25



0.3163

0.25

118647

计算举例：（以第一组数据为例）

水流量Qv=7.06m3/h, 管路压降ΔP=19.09kPa, 水温度T=20.2℃，管路长度l=1.500m, 管路直径d=0.0215m，ε=0.10mm 水密度：

999.9853150.019083T0.05896T20.155206104T3999.9853150.01908321.50.0589621.520.15520610421.53997.8.1kg/m3

T20.278720.79174849T73.197220.0418943T3.385660.969mPas 水粘度：0.073744470.88161305

水流速：u4Qv

2

d

46.95

36000.02152

5.32m/s

5.32

雷诺数：Redu997.80.0215117678 

0.96910

P20.021526.181000摩擦阻力系数2d0.027 lu997.81.5005.32

0.017

blasius

0.3163Re



0.3163117678

计算举例：（以第一组数据为例）

水质量m=51.84g, 时间t=120.5s， 管路压降ΔP=0.25kPa, 水温度T=22.2℃，管路长度l=1.00m, 管路直径d=0.0029m 水密度：

999.9853150.019083T0.05896T20.155206104T3999.9853150.01908322.20.0589622.220.15520610422.23997.7kg/m3

T20.278720.79174849T73.197220.0418943T3.385660.953mPas 水粘度：0.073744470.88161305

水流量：Qv水流速：u

m51.84

1.55L/ht997.7120.53600

4Qv

d

41.55103

36000.00290.07m/s

0.07

雷诺数：Redu997.70.0029198 3



0.95310

P20.00290.251000摩擦阻力系数2d20.341 2

lu997.71.5000.07

blasius

6464

0.323

Re198

计算举例：（以第一组数据为例）

水流量Qv=1.00m3/h， 管路压降ΔP=0.27kPa, 水温度T=21.7℃， 管路长度l1=0.02m, 管路直径d1=0.0160m， l2=0.28m， d2=0.0420m，ε=0.02mm 水密度：

999.9853150.019083T0.05896T20.155206104T3999.9853150.01908321.70.0589621.720.15520610421.73997.8kg/m3

水流速：u14Qv

2

d1

41.00

36000.0162

u22

1.38m/s ； u2

4Qv

d22



41.00

36000.0422

0.20m/

s

2p

局部阻力系数：11



0.2021

u12

20.271000

0.695 1.382

同理可计算得ζ2=0.740，ζ3=0.727，ζ4=0.727，ζ5=0.727 取平均值得平均1

5

d2



i1

n5

i

1

(0.6950.7400.7270.7270.727)0.7232 5

局部阻力系数理论值：理论(1d1)2(10.0160)20.7308

0.0420

局部阻力系数的相对误差：E

理论-平均0.7308-0.7232

100%100%1.03%

理论0.7308

计算举例：（以第一组数据为例）

水流量Qv=2.00m3/h， 管路压降ΔP=11.56kPa, 水温度T=22.1℃， 管路直径d=0.0205m 水密度：

999.9853150.019083T0.05896T20.155206104T3999.9853150.01908322.10.0589622.120.15520610422.13997.7kg/m3

水流速：u4Qv

d1

42.00

36000.02051.68m/s

p211.561000

局部阻力系数：1228.180 2

u997.71.68

同理可计算得ζ2=8.038，ζ3=7.989 取平均值得平均1

3



i1

n3

i

1

(8.1808.0387.989)8.069 3

查表可得局部阻力系数理论值：理论

局部阻力系数的相对误差：E

理论-平均

100%

理论

100%%

计算举例：（以第一组数据为例）

水流量Qv=2.00m3/h， 管路压降ΔP=0.77kPa, 水温度T=22.0℃， 管路直径d=0.0205m 水密度：

999.9853150.019083T0.05896T20.155206104T3999.9853150.01908322.00.0589622.020.15520610422.103997.7kg/m3

水流速：u4Qv

d1

42.00

36000.02051.68m/s

p20.7710000.545 局部阻力系数：122

2

u997.71.68

同理可计算得ζ2=0.462，ζ3=0.448 取平均值得平均1

3



i1

n3

i

1

(0.5450.4620.448)0.4850 3

查表可得局部阻力系数理论值：理论

局部阻力系数的相对误差：E

理论-平均

100%

理论

100%%

七、实验结果作图及分析 结果分析：

结果分析与误差分析：

1、湍流的摩擦阻力系数随雷诺数的增大而减小，层流的摩擦阻力系数也随雷诺数的增大而减小。但湍流的λ随Re的变化曲线比层流的平缓。 2、层流的lgλ与lgRe大致呈线性关系。

3、第一组实验的最后一个点偏差较大，可能是因为实验中记错了数据。

4、每次改变流量后可能没等到稳定就读数，这样会带来误差，使压强偏高，导致λ偏大。

八、思考题

1、在测量前为什么要将设备中的空气排净？怎样才能迅速的排净？