流动阻力系数实验

流体力学仿真实验平台 · 本科教学版

实验任务

测定直管达西沿程阻力系数 λ 与90°弯头局部阻力系数 ζ,分析它们与雷诺数和管壁粗糙度的关系。

请先填写姓名、学号、班级和实验日期。

实验原理

压差计测得水头损失,结合流量与管径反算无量纲阻力系数。

流动阻力与能量损失

实际流体受黏性与边界影响,机械能沿流向不断耗散。直管段损失用达西沿程阻力系数 λ 表示;弯头、阀门等局部构件的损失用局部阻力系数 ζ 表示。

雷诺数
Re = ρvd / μ
沿程损失
hf = λ(L/d)·v²/(2g)
局部损失
hj = ζ·v²/(2g)

实验反算 λ

λ = 2ghfd / (Lv²)

A、B两测压点位于等径水平直管,压差水头即该长度内的沿程损失。

实验反算 ζ

ζ = 2ghj / v²

C位于右上弯头前的竖直管,D位于弯头后的水平管;采用与A–B相同的刚性充水测压管接入U形压差计,排气后读数经高程差和短直管沿程损失修正,得到弯头局部损失。

圆管层流理论

λ = 64 / Re

对于不可压缩牛顿流体在圆形直管内的定常充分发展层流,达西沿程阻力系数 λ 仅随Re变化,在该模型条件下与相对粗糙度无关。

湍流近似

1/√λ = −1.8lg[((ε/d)/3.7)1.11 + 6.9/Re]

采用Haaland近似式,湍流阻力同时受Re和相对粗糙度ε/d影响。

ρ = 1000 kg/m³:流体密度μ:等效动力黏度(由学生设定)d = 0.020 m:试验管内径L = 1.20 m:A–B测压段长度g = 9.81 m/s²:重力加速度Q:流量(L/s)v:平均流速(m/s)hf、hj:水头损失(计算时用m)λ、ζ:无量纲阻力系数ε:管壁绝对粗糙度(m)
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实验装置与方法

先分清沿程与局部测压段,再按稳定工况读取压差、计算并记录阻力系数。

仪器设备与实验方法

01
水箱、泵与流量计

建立并测量稳定循环流量。

02
A–B 与 C–D 测压段

分别测量沿程损失与弯头局部损失。

03
光滑管与粗糙管

比较相对粗糙度对 λ 的影响。

04
U形压差计

读取 Δhf 与 Δhj

05
90°弯头

作为局部阻力构件。

06
λ–Re 曲线

对照实测点与理论趋势。

压差法由液柱差求沿程和局部水头损失。
反算方法由 Q、v、Δh 计算 Re、λ 与 ζ。
对比实验法比较流态、管壁粗糙度与工况。

实验步骤

  1. 1
    确认装置

    选择管型并识别 A–B、C–D。

  2. 2
    调节工况

    配合调节 μ 与开度,覆盖层流和湍流。

  3. 3
    启动并稳定

    等待 Q、Δhf、Δhj 稳定。

  4. 4
    读取数据

    同步读取 Q 与两组压差。

  5. 5
    记录工况

    保存仪表读数,不提前揭示计算答案。

  6. 6
    分析与报告

    10组并覆盖流态和两种管型后完成任务。

有效记录必须水泵运行、压差稳定且“管型—μ—开度”组合不重复;至少完成10组,同时包含层流、湍流、光滑管和粗糙管。

实验装置与工况控制

选择试验管、启动水泵并调节阀门,待两只压差计稳定后记录数据。

沿程压差 A–B弯头测压 C–D水流示踪点
水泵未启动
流动阻力系数实验装置循环水箱、离心泵、流量计、直管测试段、90度弯头、两只U形压差计和出口调节阀组成的循环装置。C、D采用与A、B一致的刚性充水测压管,分别布置在右上弯头前后的直管段。 循环水箱 离心泵 回流水口 ABCD 直管测压段 L = 1.20 m90°弯头C–D 跨弯头测压 0.000 L/s流量计 转动侧视阀轮:拖动或方向键调节;单击增加10%,Shift + 单击减小10%出口调节阀 Δhf(A–B)0.00 cm Δhj(C–D)0.00 cm
A–B与C–D均采用刚性充水测压管;测量前完成排气。液面位移为示意放大,C–D读数已扣除高程差及短直管沿程损失。

λ–Re 实验曲线

红线为当前管型理论值,记录点随实验数据生成。

当前管型:光滑管记录点:0覆盖范围:

数据记录

这里只保留学生可设定或由仪表直接读取的量;v、Re、λ、ζ 在报告生成后揭示。

有效记录 0 / 10 组层流 0湍流 0光滑管 0粗糙管 0
工况管型μ (Pa·s)阀门开度Q (L/s)Δhf (cm)Δhj (cm)操作
尚未记录数据。请先启动水泵并完成一个稳定工况。

分析任务

选择题和计算题由系统逐项核对;曲线分析和工程反思由教师评分。

1规律判断(每题5分)

对于不可压缩牛顿流体在圆形直管内的定常充分发展层流,达西沿程阻力系数 λ:
相同Re的湍流工况下,粗糙管与光滑管相比:
在弯头几何形状、相对粗糙度及上游来流条件不变,且Re足够大的稳定湍流范围内,90°弯头的局部阻力系数 ζ 通常:

2计算验证(每项5分)

换算提示:1 L/s = 10⁻³ m³/s;1 cm = 10⁻² m。判分采用相对容差 ±3%,答错会提示优先检查单位。

3曲线分析与工程反思 由教师评价

实验报告

完成清单后生成学生待评报告;教师评价仅在平台教师端完成。

报告尚未生成
完成上方清单全部4项后生成待评报告

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