沿程阻力系數(shù)測定實驗

一、實驗目的
1.學會測定管道沿程水頭損失系數(shù)λ的方法；
2.掌握圓管層流和紊流的沿程損失隨平均流速變化的規(guī)律，繪制曲線；
3.掌握管道沿程阻力損失系數(shù)的測量方法和氣—水壓差計及電測壓差計測量壓差的方法。
4.將實測得到的結果與莫迪圖作對比分析。
二、實驗原理
1.對于通過直徑不變的圓管的恒定水流，沿程水頭損失為

其值為上下游量測斷面的壓差計讀數(shù)。沿程水頭損失也常表達為

其中：λ為沿程水頭損失系數(shù)；L為上下游量測斷面之間的管段長度；d為管道直；V為斷面平均流速。若在實驗中測得△h和斷面平均流速，則可直接得到沿程水頭損失系數(shù)。
2.不同流動形態(tài)的沿程水頭損失與斷面平均流速的關系是不同的。層流流動中的沿程水頭損失與斷面平均流速的1次方成正比。紊流流動中的沿程水頭損失與斷面平均流速的1.75～2.0次方成正比。見圖 1、圖 2。

3.沿程水頭損失系數(shù)λ是相對粗糙度△/d與雷諾數(shù)Re的函數(shù)，△為管壁的粗糙度，Re=Vd/ν（其中ν為水的運動粘滯系數(shù)）。
1）對于圓管層流流動

2）對于水力滑管紊流流動可取

可見在層流和紊流光滑管區(qū)，沿程水頭損失系數(shù)λ只取決于雷諾數(shù)。
3）對于水力粗糙管紊流流動

沿程水頭損失系數(shù)λ完全由粗糙度決定，與雷諾數(shù)無關，此時沿程水頭損失與斷面平均流速的平方成正比，所以紊流粗糙管區(qū)通常也叫做“阻力平方區(qū)”。
4）對于在紊流光滑區(qū)和紊流粗糙管區(qū)之間存在過渡區(qū)，沿程水頭損失系數(shù)λ與雷諾數(shù)和粗糙度都有關。
三、實驗步驟
1.對照裝置圖和說明，搞清各組成部件的名稱、作用及其工作原理；檢查蓄水箱水位是否夠高。否則予以補水并關閉閥門；記錄有關實驗常數(shù)：工作管內徑d和實驗管長L。
2.接通電源，啟動水泵。打開供水閥。
3.調通量測系統(tǒng)：
1）啟動水泵排除管道中的氣體。
2）關閉出水閥，排除其中的氣體。隨后，關閉進水閥，開出水閥，使水壓計的液面降至標尺零附近。再次開啟進水閥并立即關閉出水閥，稍候片刻檢查水位是否齊平，如不平則需重調。
3）氣－水壓差計水位齊平。
4）實驗裝置通水排氣后，即可進行實驗測量。在進水閥全開的前提下，逐次開大出水閥，每次調節(jié)流量時，均需穩(wěn)定2-3分鐘，流量愈小，穩(wěn)定時間愈長；測流量時間不小于8-10秒；測流量的同時，需測記壓差計讀數(shù)；
5）結束實驗前，關閉出水閥，檢查水壓計是否指示為零，若均為零，則關閉進水閥，切斷電源。否則，表明壓力計已進氣，需重做實驗。
四、實驗數(shù)據(jù)及整理
1.有關常數(shù) d = Φ14㎜ L=750㎜水溫= ℃
2.記錄及計算
3.繪圖分析繪制LgV—lghf曲線，并確定指數(shù)關系值n的大小。在坐標紙上以LgV為橫坐標，以lghf為縱坐標，點繪所測的LgV—lghf關系曲線，根據(jù)具體情況連成一段或幾段直線。求坐標上直線的斜率

將從圖紙上求得n值與已知各流區(qū)的n值（即層流 n=1，光滑管流區(qū)n=1.75，粗糙管紊流區(qū)n=2.0，紊流過渡區(qū) 1.75<n<2.0）進行比較，確定流態(tài)區(qū)。
五、分析與思考
1.為什么壓差計的水柱差就是沿程水頭損失？如果實驗管道安裝得不水平，是否影響實驗結果？
2.本次實驗結果與莫迪圖吻合與否？分析原因。
3.實驗中的誤差主要由哪些環(huán)節(jié)產(chǎn)生？

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