实验三 管道沿程损失实验
实验类型：验证性实验 学 时: 2
适用对象：热能与动力工程专业、建筑环境与设备工程专业、环境工程专业、测控技术与仪器专业
一、实验目的
1、通过实验理解和掌握管道沿程损失的计算方法； 2、了解沿程损失的影响因素。
二、实验要求
1、掌握管道沿程损失系数与雷诺数和管壁相对粗糙度间的定性和定量关系； 2、学会用三角堰测量流量的方法和波纹管差压计的使用方法。
三、实验原理
1、沿程损失的表达式
流体沿等直径管道流动时，将产生沿程损失hf，hf与管长L、管内径d、管壁当量粗糙度∆、平均流速υ、流体密度ρ、动力粘度μ及流态间存在一个复杂的函数关系。
根据相似原理分析，hf可表示如下：
∆⎫Lυ2⎛
hf=f Re,⎪
d⎭d2g⎝
令
λ=f Re,⎪
d
⎭
⎛⎝
∆⎫
Lυ2
则 hf=λ （3-1）
d2g
式中 λ——沿程损失系数。
2、沿程损失的测量原理
沿程损失hf由实验方法求得。在水平实验管道的两个测点处，取I-I和II-II两个缓变流截面，以管道中心线为基准面，则管内不可压缩定常流动在两缓变流面间的伯努利方程为：
2
p1υ12p2υ2
z1++=z2+++hf
ρg2gρg2g
（3-2）
由于管道水平放置，故上式中，z1=z2；同时因实验管道为等直径圆管，所以有因此，式（3-2）可改写为：
υ12
2g
=
2
υ2
2g
。
hf=
p1-p2
ρg
（3-3）
式中 (p1-p2)——两缓变流截面间的压强差（Pa），由波纹管差压计测得。
实验管道内的平均流速υ由三角堰所测流量及管道内径计算求得：
υ=
4qV
πd2
（3-4）
实验管道两测点间的长度L和管道内径d均已知，因此，可求出该管道在某一工况下的沿程损失系数：
λ=
2gdhf
2
Lυ
（3-5）
通过调节实验管道上流量调节阀的开度可改变管道内流体的平均流速υ，从而可测得不同Re数下的沿程损失系数。
3、沿程损失的变化规律
沿程损失hf服从以下四种不同的规律： （1）层流区
沿程损失hf与平均流速成一次方关系，λ可按下式计算：
λ=
（2）紊流水力光滑管区
沿程损失hf与平均流速的1.75次方成正比，λ可按下面的经验公式计算：
64
， Re
（3-6）
λ=
0.31645
4000
Re
（3-7）
λ=0.003+0.22156
10
Re
（3-8）
（3）紊流水力粗糙管过渡区
沿程损失hf与平均流速的（1.75~2）次方成正比，λ可按下面的经验公式计算：
∆⎛d⎫
=-21+)26.98 ⎪ ，
d3.7⎝∆⎭
8/7
⎛d⎫
⎝2∆⎭
0.85
（3-9）
式中 Δ——绝对粗糙度。
（4）紊流水力粗糙管区（平方阻力区）
沿程损失hf与平均流速的平方成正比，λ可按下面的经验公式计算：
λ=
1⎡⎛d⎫⎤4⎢1g 3.7⎪⎥
∆⎭⎦⎣⎝
2
⎛d⎫
或 λ=， Re>4160 ⎪d2∆2⎝⎭(21g+1.74)
2∆
1
0.85
（3-10）
根据雷诺数Re及管壁相对粗糙度，用上述四个区域的经验公式计算出不同流动状态下的沿程损失系数λ，并与实验测得的沿程损失系数进行比较，若偏差太大，试分析原因。
四、实验所需仪器、设备、材料（试剂）
1、实验用水循环系统
本实验用水为一循环系统，装置如图3-1所示。
图3-1 实验用水循环系统图
1—高位恒位水箱；2—上水管；3—供水管；4—实验管路；5—水源泵组；6—三角堰；7—溢流管。
在图3-1所示的实验室地下，有一个容积为150m3的地下水库，由水源泵组5将水库中的水经上水管2打入五楼恒位水箱1保持恒定水位。恒位水箱中的水，一部分经供水管3供实验系统使用，经过实验管道4和流量测量水箱6后流回到地下水库；另一部分则通过溢流管7进入地下水库，形成一个水循环系统。
2、沿程损失实验装置
该实验装置由实验管路、三角堰流量测量水箱及波纹管差压计等设备组成，如图3-2所示。该装置中的实验段分别为Φ50mm的镀锌钢管和Φ20mm黄铜管，两测点间长度L=6m。
图3-2 沿程阻力实验装置示意图
1—波纹管差压计；2—Φ50mm实验管段；3—Φ20mm实验管段；4—流量调节阀；5—三角堰；6—标尺；7—喷头；8—三角堰。
侧视图
主视图
图3—3 三角堰流量计示意图
三角堰流量计如图3-3所示，该三角堰为直角堰，即
θ
=45︒。三角堰流量水箱外侧装2
有连通玻璃管和标尺，连通玻璃管内的水位指示三角堰中的水位，水位变化高度可从标尺上
读出，即∆H＝H－H0（m），称为堰顶淹深。其中H为某一测量工况下的连通玻璃管标尺读数，单位为mm；H0为堰顶水位起始值（如图3-3所示），对于1＃实验台H0＝153mm，2＃实验台H0=156mm。按下式即可求出体积流量qV值。
qV=1.4∆Htg
52
θ
2
（m3/s）
（3-11）
五、实验预习要求、实验条件、方法及步骤
1、实验前复习教材中与沿程损失相关的理论知识。 2、实验步骤
本实验涉及高位恒位水箱、水源泵、地下水库及各种管道。实验系统较为庞大，因此，实验时必须注意按步骤进行。
（1）启动水源泵，向五楼高位恒位水箱供水，等溢流水返回地下水库时，稳定5分钟后再进行实验。
（2）黄铜管沿程损失实验
① 实验时，通过调节阀的开度来改变流量，实验顺序规定流量由小到大，共进行15个工况点的测量。记好黄铜管上的调节阀手轮的初始位置，每次开启调节阀手轮1/2周，开启时必须缓慢。
② 调节阀开启后，当有流体经过堰顶时，待三角堰流量水箱液面稳定后，读出连通管标尺读数和差压计读数，记录在表3-1a中，作为第一个工况点。依次记录其它工况点，方法同上。
③ 待所有工况点测量完毕后，记录下水温，关闭流量调节阀，使连通管标尺读数接近
HO后，准备下一组实验。
（3）镀锌管沿程损失实验
其方法和步骤与黄铜管沿程损失实验相同，共测量15个工况点，并将实验数据记录在表3-1b中。
实验中注意以下事项：
① 水源泵启动时，首先检查电机、开关柜和水泵是否处于备用状态，若处于备用状态，方可启动；
② 实验中要保持水流恒定，不可随意改变调节阀阀门开度；
③ 由于水流的脉动作用，压差计读数略有波动，读数时可取其平均值；
④ 实验时，要确保差压计及联接胶管中没有气泡，以免造成测量误差。发现有气泡时，应将差压计上的排气阀阀门由小到大慢慢打开，将管内气体排除。
（4）依据表3-1a和表3-1b进行实验数据处理，记录在表3-2a、表3-2b和表3-3中，
∆⎫
并将λ=f⎛Re ⎪曲线绘制在双对数坐标纸（图3-4）上。
d⎭⎝
六、思考题
1、由实验结果分析流体处于何种流态：层流还是紊流？若为紊流流态，又处在哪种流动区域？
2、为什么采用双对数坐标绘制λ-Re曲线？
附：《管道沿程损失实验》结果与数据处理用表
1．实验原始数据记录表
表3-1a（黄铜管） 实验原始数据记录
水堰初始水位H0： mm 差压计满量程： kPa 实验台编号： ＃
按水温为 10 ℃查得水的运动粘度v＝ 1.308E-6 m2/s
表3-1b（镀锌管） 实验原始数据记录
水堰初始水位H0： mm 差压计满量程： kPa 实验台编号： ＃
按水温为 10 ℃查得水的运动粘度v＝ 1.308E-6 m2/s
2．实验计算结果用表
根据流量qV计算出平均流速υ，再根据υ及hf计算出λ值，记入表3-2中。
表3-2a（黄铜管） 实验计算结果
表3-2b（镀锌管） 实验计算结果
3．实验计算结果汇总表
表3-3 实验计算结果汇总
11
4．对数坐标纸（以此绘制λ=f(Re，∆/d)曲线）
λ
0.1
0.09 0.08
0.07 0.06
0.05
0.04
21
0.03
0.02
λ
0.1
0.09 0.08
0.07
0.06 0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
8 9 10
4
2 3 4 5
6 7 8
9 105
2 3 4 5 6 7 8
图3-4 双对数坐标
0.01 6109
Re
22
实验三 管道沿程损失实验
实验类型：验证性实验 学 时: 2
适用对象：热能与动力工程专业、建筑环境与设备工程专业、环境工程专业、测控技术与仪器专业
一、实验目的
1、通过实验理解和掌握管道沿程损失的计算方法； 2、了解沿程损失的影响因素。
二、实验要求
1、掌握管道沿程损失系数与雷诺数和管壁相对粗糙度间的定性和定量关系； 2、学会用三角堰测量流量的方法和波纹管差压计的使用方法。
三、实验原理
1、沿程损失的表达式
流体沿等直径管道流动时，将产生沿程损失hf，hf与管长L、管内径d、管壁当量粗糙度∆、平均流速υ、流体密度ρ、动力粘度μ及流态间存在一个复杂的函数关系。
根据相似原理分析，hf可表示如下：
∆⎫Lυ2⎛
hf=f Re,⎪
d⎭d2g⎝
令
λ=f Re,⎪
d
⎭
⎛⎝
∆⎫
Lυ2
则 hf=λ （3-1）
d2g
式中 λ——沿程损失系数。
2、沿程损失的测量原理
沿程损失hf由实验方法求得。在水平实验管道的两个测点处，取I-I和II-II两个缓变流截面，以管道中心线为基准面，则管内不可压缩定常流动在两缓变流面间的伯努利方程为：
2
p1υ12p2υ2
z1++=z2+++hf
ρg2gρg2g
（3-2）
由于管道水平放置，故上式中，z1=z2；同时因实验管道为等直径圆管，所以有因此，式（3-2）可改写为：
υ12
2g
=
2
υ2
2g
。
hf=
p1-p2
ρg
（3-3）
式中 (p1-p2)——两缓变流截面间的压强差（Pa），由波纹管差压计测得。
实验管道内的平均流速υ由三角堰所测流量及管道内径计算求得：
υ=
4qV
πd2
（3-4）
实验管道两测点间的长度L和管道内径d均已知，因此，可求出该管道在某一工况下的沿程损失系数：
λ=
2gdhf
2
Lυ
（3-5）
通过调节实验管道上流量调节阀的开度可改变管道内流体的平均流速υ，从而可测得不同Re数下的沿程损失系数。
3、沿程损失的变化规律
沿程损失hf服从以下四种不同的规律： （1）层流区
沿程损失hf与平均流速成一次方关系，λ可按下式计算：
λ=
（2）紊流水力光滑管区
沿程损失hf与平均流速的1.75次方成正比，λ可按下面的经验公式计算：
64
， Re
（3-6）
λ=
0.31645
4000
Re
（3-7）
λ=0.003+0.22156
10
Re
（3-8）
（3）紊流水力粗糙管过渡区
沿程损失hf与平均流速的（1.75~2）次方成正比，λ可按下面的经验公式计算：
∆⎛d⎫
=-21+)26.98 ⎪ ，
d3.7⎝∆⎭
8/7
⎛d⎫
⎝2∆⎭
0.85
（3-9）
式中 Δ——绝对粗糙度。
（4）紊流水力粗糙管区（平方阻力区）
沿程损失hf与平均流速的平方成正比，λ可按下面的经验公式计算：
λ=
1⎡⎛d⎫⎤4⎢1g 3.7⎪⎥
∆⎭⎦⎣⎝
2
⎛d⎫
或 λ=， Re>4160 ⎪d2∆2⎝⎭(21g+1.74)
2∆
1
0.85
（3-10）
根据雷诺数Re及管壁相对粗糙度，用上述四个区域的经验公式计算出不同流动状态下的沿程损失系数λ，并与实验测得的沿程损失系数进行比较，若偏差太大，试分析原因。
四、实验所需仪器、设备、材料（试剂）
1、实验用水循环系统
本实验用水为一循环系统，装置如图3-1所示。
图3-1 实验用水循环系统图
1—高位恒位水箱；2—上水管；3—供水管；4—实验管路；5—水源泵组；6—三角堰；7—溢流管。
在图3-1所示的实验室地下，有一个容积为150m3的地下水库，由水源泵组5将水库中的水经上水管2打入五楼恒位水箱1保持恒定水位。恒位水箱中的水，一部分经供水管3供实验系统使用，经过实验管道4和流量测量水箱6后流回到地下水库；另一部分则通过溢流管7进入地下水库，形成一个水循环系统。
2、沿程损失实验装置
该实验装置由实验管路、三角堰流量测量水箱及波纹管差压计等设备组成，如图3-2所示。该装置中的实验段分别为Φ50mm的镀锌钢管和Φ20mm黄铜管，两测点间长度L=6m。
图3-2 沿程阻力实验装置示意图
1—波纹管差压计；2—Φ50mm实验管段；3—Φ20mm实验管段；4—流量调节阀；5—三角堰；6—标尺；7—喷头；8—三角堰。
侧视图
主视图
图3—3 三角堰流量计示意图
三角堰流量计如图3-3所示，该三角堰为直角堰，即
θ
=45︒。三角堰流量水箱外侧装2
有连通玻璃管和标尺，连通玻璃管内的水位指示三角堰中的水位，水位变化高度可从标尺上
读出，即∆H＝H－H0（m），称为堰顶淹深。其中H为某一测量工况下的连通玻璃管标尺读数，单位为mm；H0为堰顶水位起始值（如图3-3所示），对于1＃实验台H0＝153mm，2＃实验台H0=156mm。按下式即可求出体积流量qV值。
qV=1.4∆Htg
52
θ
2
（m3/s）
（3-11）
五、实验预习要求、实验条件、方法及步骤
1、实验前复习教材中与沿程损失相关的理论知识。 2、实验步骤
本实验涉及高位恒位水箱、水源泵、地下水库及各种管道。实验系统较为庞大，因此，实验时必须注意按步骤进行。
（1）启动水源泵，向五楼高位恒位水箱供水，等溢流水返回地下水库时，稳定5分钟后再进行实验。
（2）黄铜管沿程损失实验
① 实验时，通过调节阀的开度来改变流量，实验顺序规定流量由小到大，共进行15个工况点的测量。记好黄铜管上的调节阀手轮的初始位置，每次开启调节阀手轮1/2周，开启时必须缓慢。
② 调节阀开启后，当有流体经过堰顶时，待三角堰流量水箱液面稳定后，读出连通管标尺读数和差压计读数，记录在表3-1a中，作为第一个工况点。依次记录其它工况点，方法同上。
③ 待所有工况点测量完毕后，记录下水温，关闭流量调节阀，使连通管标尺读数接近
HO后，准备下一组实验。
（3）镀锌管沿程损失实验
其方法和步骤与黄铜管沿程损失实验相同，共测量15个工况点，并将实验数据记录在表3-1b中。
实验中注意以下事项：
① 水源泵启动时，首先检查电机、开关柜和水泵是否处于备用状态，若处于备用状态，方可启动；
② 实验中要保持水流恒定，不可随意改变调节阀阀门开度；
③ 由于水流的脉动作用，压差计读数略有波动，读数时可取其平均值；
④ 实验时，要确保差压计及联接胶管中没有气泡，以免造成测量误差。发现有气泡时，应将差压计上的排气阀阀门由小到大慢慢打开，将管内气体排除。
（4）依据表3-1a和表3-1b进行实验数据处理，记录在表3-2a、表3-2b和表3-3中，
∆⎫
并将λ=f⎛Re ⎪曲线绘制在双对数坐标纸（图3-4）上。
d⎭⎝
六、思考题
1、由实验结果分析流体处于何种流态：层流还是紊流？若为紊流流态，又处在哪种流动区域？
2、为什么采用双对数坐标绘制λ-Re曲线？
附：《管道沿程损失实验》结果与数据处理用表
1．实验原始数据记录表
表3-1a（黄铜管） 实验原始数据记录
水堰初始水位H0： mm 差压计满量程： kPa 实验台编号： ＃
按水温为 10 ℃查得水的运动粘度v＝ 1.308E-6 m2/s
表3-1b（镀锌管） 实验原始数据记录
水堰初始水位H0： mm 差压计满量程： kPa 实验台编号： ＃
按水温为 10 ℃查得水的运动粘度v＝ 1.308E-6 m2/s
2．实验计算结果用表
根据流量qV计算出平均流速υ，再根据υ及hf计算出λ值，记入表3-2中。
表3-2a（黄铜管） 实验计算结果
表3-2b（镀锌管） 实验计算结果
3．实验计算结果汇总表
表3-3 实验计算结果汇总
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4．对数坐标纸（以此绘制λ=f(Re，∆/d)曲线）
λ
0.1
0.09 0.08
0.07 0.06
0.05
0.04
21
0.03
0.02
λ
0.1
0.09 0.08
0.07
0.06 0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
8 9 10
4
2 3 4 5
6 7 8
9 105
2 3 4 5 6 7 8
图3-4 双对数坐标
0.01 6109
Re
22