实验讲义修改11-7

实验一 压头转换实验

一、 实验目的

1. 理解留题流动中各种能量与压头的概念及其相互转换关系，进而掌握柏

努利方程；

2. 观察流速与压头的变化规律

二、 实验原理

1. 流体在流动时具有三种机械能，即（1）位能、（2）动能、（3）静压能。

这三种能量可以相互转换。当管路条件（如位置高低、管径大小）改变时，他们便不断地自行转换。如果粘度为零的理想流体，因为不存在因摩擦和碰撞而产生的机械能损失，那么同一管路的任何二个截面上尽管三种机械能彼此不一定相等，但是这三种机械能的总和是相等的。

2. 对实际流体来说，则因为存在粘度，流动过程中总有一部分机械能因摩

擦碰撞而损失，即转化为热能了。而转化为热能的机械能在管路中是不能恢复的。这样，对实际流体来说，两个截面上机械能的总和则是不相等的，两者差额就是流体在两个截面之间因摩擦和碰撞转化为热的机械能。因此在进行机械能的衡算时，就必须讲这部分损失了的机械能加到第二个截面上面。

3. 上述几种机械能都可以用测压管中的一段液体柱的高度来表示。在流体

力学中，把表示各种机械能的液体柱高度称为压头。表示位能的称为位压头（H位）；表示动能的称为动压头（H动）；表示压力能的称为静压头（H静）；表示已损失的机械能称为损失压头（H损）。

4. 当测压管上的小孔与水流方向垂直时，测压管的液位高度（从测压孔算

起）即为静压头，它反映测压点处液体的静压强大小；测压孔处液体的位压头则有测压孔的几何高度决定。

5. 当测压管上的小孔正对水流方向时，测压管内液位将上升，上升的液体

高度，即为测压孔处流体动压头。它反映出该点处流体动能的大小。这时测压管中液柱高度则为静压头和动压头之和。

6. 任何两个截面之间，位压头、动压头和静压头三者总和之差即为损失压

头。它表示流体流经两个截面之间时机械能的损失。损失压头与流体的动压头、流过的导管长度及管径有关。其关系如下：

动压头越大，通过的管子越长，则压头损失越大，而管径增大则损失压

头减小。

三、 实验装置

实验装置由水槽、管路以及测压管三部分组成（见图1－1）。

水槽设有进水管与溢流管，用于保持液位恒定。

管路分为四段。由大小不同的两种规格的玻璃管组成，其中A截面的直径14mm；B截面的直径28mm；C截面、D截面的直径14mm；以D截面中心线为零基准面（即标尺为256毫米）ZD=153。 A截面和D截面的距离为103mm。

每段管路上设有二支玻璃的测压管，左边一支可测量该截面的静压头，右边

一支测压孔正对水流，可测动压头与静压头之和。

图1－1 压头转换实验装置

四、 实验步骤

1. 将低位槽灌有一定数量的水，关闭离心泵出口调节阀门及实验测试导管出口调节阀门而后启动离心泵。

2. 逐步开大离心泵出口调节阀当高位槽溢流管有液体溢流后，调节导管出口调节阀为全开位置。

3. 流体稳定后读取A、B、C、D截面静压头和冲压头并记录数据。 4. 关小导管出口调节阀重复步骤。

5. 分析讨论流体流过不同位置处的能量转换关系并得出结果。 6. 关闭离心泵，实验结束。

五、使用设备时应注意的事项：

1．不要将离心泵出口调节阀开得过大以免使水流冲击到高位槽外面，同时导

致高位槽液面不稳定。

2．当导管出口调节阀开大应检查一下高位槽内的水面是否稳定，当水面下降时应适当开大泵出口调节阀。 3．导管出口调节阀须缓慢地关小以免造成流量突然下降测压管中的水溢出管外。

4．注意排除实验导管内的空气泡。

5．离心泵不要空转和出口阀门全关的条件下工作。

六、数据记录

水温：

（一）压头测量结果 H 项 位置 水流量 值 目 (m3/s) A B C D 正对 垂直 正对 垂直 正对 垂直 正对 垂直 次别 1 2 3 4 5

（二）流速计算 项动压头＋目 静压头位 （m） 置 点A 点B 点C 点D 静压头动压头点速度 平均流速 （m） （m） （m?s-1） （m?s-1） 按所测体积流量计算 五、 思考题

1. 当进水阀关闭时，各测量管内液位高度H有无变化？这一现象说明什

么？这一高度H的物理意义又是什么？

2. 用静力学原理分析截面C和截面D的静压头哪个大？为什么？ 3. 测压孔正对水流方向的测量管，其液位高度H’的物理意义是什么？

实验二 流体流动类型及临界雷诺数的测定

一、 实验目的

1．观察流体流动过程中不同的流动型态及其变化过程； 2．测定流动型态变化时的临界雷诺数

二、 实验原理

流体充满导管作稳态流动时基本上有两种明显不同的流动型态：滞流（也叫层流）和湍流。当流体在管中作滞流流动时，管内的流体各个质点沿管轴作相互平行而有规则的运动，彼此没有明显的干扰。当流体作湍流流动时，各个质点紊乱地向各个不同的方向作无规则的运动。

流体的流动型态不仅与流体的平均流速有关，还与流体的粘度μ、密度ρ和管径d等因素有关。也就是说流体的流动型态取决于雷诺准数的大小。

Re?du?? （2－1）

式中：d —— 管子内径（m）

u —— 流体流速（m/s）

? —— 流体密度（kg/m3）

?—— 流体粘度（Pa? s或kg/m? s）

根据雷诺实验，流体在平直圆管中流动时，当雷诺数小于某一临界值时为滞流（或层流）；当雷诺数大于某一临界值时为湍流；当雷诺数介于二者之间时则为不稳定的过渡状态，可能为滞流，也可能为湍流。

对于一定温度下的某种介质在特定的圆管内流动时，流体的粘度μ、密度ρ和管径d等均为定值，故雷诺数Re仅为流体平均流速u的函数。流体的流速确定后，雷诺数即可确定。

流体流动型态发生变化时的流速称为临界速度，其对应的雷诺数称为临界雷诺数。

本实验以水为介质、有色溶液为示踪物，使其以不同的流速通过平直玻璃管，便可观察到不同的流动型态，同时根据流动型态的变化，可确定临界速度与临界雷诺准数。

三、 实验装置

本实验装置如图2－1所示，主要由稳压溢流水槽5、试验导管（内径24.2mm）6、缓冲水槽5和转子流量计6组成。水由循环水泵供给或直接由自来水龙头输入稳压溢流水槽，经稳压后流经试验导管、缓冲水槽及转子流量计，最后流回低位水槽或排入下水道，稳压溢流槽溢流出来的水也返回低位槽或排入下水道。示踪物由液瓶1经调节夹10、试验导管3??至下水道。

图2－1 雷诺试验装置

四、 实验步骤 1. 雷诺实验的过程

(1) 关闭流量调节阀10、7、9,打开进水阀3,使自来水充满水槽,?并使其有一定的溢流量。

(2) 轻轻打开阀门10,让水缓慢流过实验管道。使红水全部充满细管道中。 (3) 调节进水阀,维持尽可能小的溢流量。

(4) 缓慢地适当打开红水流量调节夹 ,观察当前水流量下实验管内水的流动状况。读取流量计的流量并计算出雷诺准数。

(5) 增大进水阀3 的开度，在维持尽可能小的溢流量的情况下提高水的流量。使水通过试验导管的流速平稳地增大，至试验导管内直线流动的红色细流开始发生波动而呈明显的S型时，读取此时流量计的流量并计算出雷诺准数。

（6）继续开大调节阀3的开度，使水流量平稳增大。当流量增大到某一数值后，红色溶液一进入试验导管立即被分散成烟雾状并迅速扩散到整个管子。这表明流体的流动型态已成湍流。记下此时流量计的流量并计算出雷诺准数。（7）这样的试验操作反复数次（至少5－6次），以便取得重复性较好的试验数据。

2. 实验结束时的操作 (1) (2)

关闭红水流量调节夹,使红水停止流动。 关闭进水阀 3,使自来水停止流入水槽。

实验四 管路流体流动阻力的测定

一、 实验目的

1、掌握流体流动阻力的测定方法 2、测定流体流过直管时的摩擦阻力，并确定摩擦系数λ与雷诺数Re的关系 3、测定流体流过管件的局部阻力，并求出阻力系数。

二、 实验原理

流体在管路中流动时，由于粘性剪应力和涡流的存在，不可避免地会引起压力损耗。这种损耗包括流体经过直管的沿程阻力以及因流体流动方向改变或因管子大小形状改变所引起的局部阻力。

1、直管阻力损失的测定

不可压缩流体连续稳定地在直管中流动时，相距l米的任意两个截面1—1和2—2间的机械能恒算可以用下式来表示：

2u12p2u2gz1???gz2???hf （4－1）

?2?2p1或者

2p1u12p2u2z1???z2???Hf （4－2）

?g2g?g2g式中：z1，z2——截面1—1和截面2—2距基准面的高度，m

p1，p2——流体在截面1—1和截面2—2处的绝对压强，Pa；

－1

u1，u2——流体在截面1—1和截面2—2处的流速，m·s；

? ——流体的密度，kg·m－3

－1

hf——单位质量流体流过l米距离时的直管阻力损失，J·kg

Hf——单位重量流体流过l米距离时的直管阻力损失，m。 当两个截面管径相等，并处于同一水平面时，则有

z1?z2，u1?u2?u

分别代入式（4－1）和式（4－2）得：

hf?p1?p2??p? （4－3）

以及

Hf?p1?p2p （4－4） ??g?g 应用上述两式均可计算出流体的直管阻力损失，其大小主要体现在所取两截面的压差p1?p2上。因此，只需测得所取截面的压差，便可得到直管阻力损失。

2、直管摩擦系数λ和雷诺数Re的测定

当流体在圆形直管内流动时，直管的阻力损失可通过范宁（Fanning）公式进

lu2行计算： hf??? （4－5）

d2或

lu2 （4－6） Hf???d2g式中：?——直管的摩擦系数，无量纲；

l——直管的长度，m； d——直管的内径，m；

大量实验研究表明，摩擦系数?与流体的密度?、粘度μ、管径d、流速u和管壁粗糙度e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e/d存在函数关系，即：

e??f(Re,) （4－7）

d通过实验测得?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?与管壁粗糙度e无关；当流体在直管中呈湍流时，?不仅和Re有关，而且与管壁相对粗糙度e/d有关。

3、局部阻力系数ζ的测定

在化工设计和工程计算中，局部阻力损失的计算有两种方法，即当量长度法和局部阻力系数法。对于当量长度法，仍然采用式（4－5）或式（4－6）来计算。不过此时要将式中的直管长度l用当量长度le代替。若采用阻力系数法，则通常采用下列公式进行计算。

u2hf?? （4－8）

2'或

u2 （4－9） H??2g'f式中：?——管件的局部阻力系数，无量纲；

－1

hf'——管件的局部阻力损失，J·kg

H'f——管件的局部阻力损失，m。

只要测得了管件的局部阻力损失，即可以通过上式计算出管径的局部阻力系数?。

本实验中，管件的局部阻力损失hf'或H'f的测量系统与直管阻力损失的测量类似，不同的是在管路系统中接入了需要测量的管件。通过U形水柱压差计测出管件两端的压差，然后用式（4－3）或（4－4）求出管件的局部阻力损失（此时须将式中的hf或Hf分别相应地换成hf'或H'f）。将求出的局部阻力损失hf'或，就可以求出管件的局部阻力系数?。 H'f的值代入式（4－8）或（4－9）

三、 实验装置

实验流程示意图见图1。

水泵2将储水槽1中的水抽出，送入实验系统，首先经玻璃转子流量计15、

16测量流量，然后送入被测直管段测量流体在光滑管或粗糙管的流动阻力，或经10测量局部阻力后回到储水槽，水循环使用。被测直管段流体流动阻力△p可根据其数值大小分别采用变送器12或空气-水倒置∪型管22来测量。

有关设备数据：

被测光滑直管段： 管径d—0.008m； 管长L—1.698m； 材料—不锈钢管 被测粗糙直管段： 管径 d—0.010m； 管长L—1.698m； 材料—不锈钢管 被测局部阻力直管段: 管径 d—0.015m；管长 L—1.2m； 材料—不锈钢管 玻璃转子流量计:

型号 测量范围 LZB—40 100～1000(L／h) LZB—10 10～100(L／h)

图4－1 流体流动阻力测定装置

1-水箱；2-离心泵；3、4-放水阀；5、13-缓冲罐；6-局部阻力近端测压阀；7、15-局部阻力远端测压阀；8、20-粗糙管测压回水阀；9、19-光滑管测压阀；10-局部阻力管阀；11-U型管进水阀；12-压力传感器；14-流量调节阀； 15、16-水转子流量计；17-光滑管阀；18-粗糙管阀；

21-倒置U型管放空阀；22-倒置U型管；23-水箱放水阀；24-放水阀；

四、 实验步骤

⒈ 向储水槽内注水，直到水满为止。

2. 大流量状态下的压差测量系统，应先接电预热10～15分钟，调好数字表的零点，然后启动泵进行实验。

3. 光滑管阻力测定：

⑴ 关闭粗糙管阀18、粗糙管测压进水阀20、粗糙管测压回水阀8，将光滑管阀17全开。

⑵ 在流量为零条件下，打开光滑管测压进水阀19和回水阀9，旋开倒置U型管进水阀11，检查导压管内是否有气泡存在。若倒置U型管内液柱高度差不为零，则表明导压管内存在气泡，需要进行赶气泡操作。导压系统如图4－2所示。

操作方法如下：

开大流量，使倒置U型管内液体充分流动，以赶出管路内的气泡；若认为气泡已赶净，

将流量阀关闭；慢慢旋开倒置U型管上部的放空阀26，打开阀19，使液柱降至零点上下时马上关闭，管内形成气-水柱，此时管内液柱高度差应为零。然后关闭放空阀26。

图2 导压系统示意图

13-粗糙管测压进水阀；14-直管压力传感器；15-粗糙管测压回水阀；16-光滑管测压回水阀；17-光滑管测压进水阀；18-U型管进水阀；19-排水阀；20-U型管出水阀；26-U型管放空阀

⑶ 该装置两个转子流量计并联连接，根据流量大小选择不同量程的流量计测量流量。

⑷ 差压变送器与倒置U型管也是并联连接，用于测量直管段的压差，小流量时用倒置∪型管压差计测量，大流量时用差压变送器测量。应在最大流量和最小流量之间进行实验，一般测取5～10组数据。当流量小于300L／h时,只用倒置∪型管来测量压差。

4. 粗糙管阻力测定：

关闭阀17、光滑管测压进水阀19、光滑管测压回水阀9，全开阀18，旋开粗糙管测压进水阀20、粗糙管测压回水阀8，逐渐调大流量调节阀，赶出导压管内气泡。

⑵ 从小流量到最大流量，一般测取5~10组数据。 ⑶ 直管段的压差用差压变送器测量。

光滑管和粗糙管直管阻力的测定使用同一差压变送器，当测量光滑管直管阻力时，要把通向粗糙管直管阻力的阀门关闭；同样当测量粗糙管直管阻力时，要把通向光滑管直管阻力的阀门关闭。

5. 局部阻力测定

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