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沿程阻力系数测定实验--流体力学实验装置

一、实验目的
1、学会测定管道沿程水头损失系数λ的方法；
2、掌握圆管层流和紊流的沿程损失随平均流速变化的规律，绘制曲线；
3、掌握管道沿程阻力损失系数的测量方法和气—水压差计及电测压差计测量压差的方法。
4、将实测得到的结果与莫迪图作对比分析。
二、实验原理
1、对于通过直径不变的圆管的恒定水流，沿程水头损失为

其值为上下游量测断面的压差计读数。沿程水头损失也常表达为

其中：λ为沿程水头损失系数；L为上下游量测断面之间的管段长度；d为管道直；V为断面平均流速。若在实验中测得△h和断面平均流速，则可直接得到沿程水头损失系数。
2、不同流动形态的沿程水头损失与断面平均流速的关系是不同的。层流流动中的沿程水头损失与断面平均流速的1次方成正比。紊流流动中的沿程水头损失与断面平均流速的1.75～2.0次方成正比。见图 1、图 2。

3、沿程水头损失系数λ是相对粗糙度△/d与雷诺数Re的函数，△为管壁的粗糙度，Re=Vd/ν（其中ν为水的运动粘滞系数）。
（1）对于圆管层流流动

（2）对于水力滑管紊流流动可取

可见在层流和紊流光滑管区，沿程水头损失系数λ只取决于雷诺数。
（3）对于水力粗糙管紊流流动

沿程水头损失系数λ完全由粗糙度决定，与雷诺数无关，此时沿程水头损失与断面平均流速的平方成正比，所以紊流粗糙管区通常也叫做“阻力平方区”。
（4）对于在紊流光滑区和紊流粗糙管区之间存在过渡区，沿程水头损失系数λ与雷诺数和粗糙度都有关。
三、实验步骤
1、对照装置图和说明，搞清各组成部件的名称、作用及其工作原理；检查蓄水箱水位是否够高。否则予以补水并关闭阀门；记录有关实验常数：工作管内径d和实验管长L。
2、接通电源，启动水泵。打开供水阀。
3、调通量测系统：
（1）启动水泵排除管道中的气体。
（2）关闭出水阀，排除其中的气体。随后，关闭进水阀，开出水阀，使水压计的液面降至标尺零附近。再次开启进水阀并立即关闭出水阀，稍候片刻检查水位是否齐平，如不平则需重调。
（3）气－水压差计水位齐平。
（4）实验装置通水排气后，即可进行实验测量。在进水阀全开的前提下，逐次开大出水阀，每次调节流量时，均需稳定2-3分钟，流量愈小，稳定时间愈长；测流量时间不小于8-10秒；测流量的同时，需测记压差计读数；
（5）结束实验前，关闭出水阀，检查水压计是否指示为零，若均为零，则关闭进水阀，切断电源。否则，表明压力计已进气，需重做实验。
五、实验数据及整理
1、有关常数 d = Φ14㎜ L=750㎜水温= ℃
2、记录及计算
3、绘图分析绘制LgV—lghf曲线，并确定指数关系值n的大小。在坐标纸上以LgV为横坐标，以lghf为纵坐标，点绘所测的LgV—lghf关系曲线，根据具体情况连成一段或几段直线。求坐标上直线的斜率

将从图纸上求得n值与已知各流区的n值（即层流 n=1，光滑管流区n=1.75，粗糙管紊流区n=2.0，紊流过渡区 1.75<n<2.0）进行比较，确定流态区。
六、分析与思考
1、为什么压差计的水柱差就是沿程水头损失？如果实验管道安装得不水平，是否影响实验结果？
2、本次实验结果与莫迪图吻合与否？分析原因。
3、实验中的误差主要由哪些环节产生？
表1记录及计算

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