一、实验目的
本实验旨在通过实际测量，了解流体在管道中流动时所受到的沿程阻力特性，并计算相应的沿程阻力系数。通过对不同流速下压力损失的观测与分析，掌握流体力学中关于层流与湍流状态下阻力系数变化的基本规律。
二、实验原理
当流体在圆管中作稳定流动时，由于流体与管壁之间的粘性作用以及流体内部的剪切应力，会产生沿程能量损失，这种损失通常用沿程阻力系数（λ）来表示。沿程阻力系数是衡量流体在流动过程中因摩擦而造成能量损失的重要参数。
根据达西-魏斯巴赫公式：
$$
h_f = \lambda \cdot \frac{L}{D} \cdot \frac{v^2}{2g}
$$
其中：
- $ h_f $ 为沿程水头损失（m）
- $ \lambda $ 为沿程阻力系数
- $ L $ 为管道长度（m）
- $ D $ 为管道直径（m）
- $ v $ 为断面平均流速（m/s）
- $ g $ 为重力加速度（9.81 m/s²）
通过测量不同流量下的压力差，可计算出流速和沿程水头损失，从而求得沿程阻力系数。
三、实验设备与仪器
1. 沿程阻力实验装置一套
2. 压力传感器若干（用于测量不同位置的压力）
3. 流量计（如转子流量计或电磁流量计）
4. 温度计（用于测量流体温度，以确定粘度）
5. 数据采集系统及计算机
四、实验步骤
1. 启动实验装置，确保水流稳定，无空气泡。
2. 调节阀门开度，使水流处于不同的流速状态（低、中、高）。
3. 记录各工况下的流量、压力值及流体温度。
4. 根据流量计算流速 $ v $。
5. 利用压力差计算沿程水头损失 $ h_f $。
6. 代入达西-魏斯巴赫公式，计算对应的沿程阻力系数 $ \lambda $。
7. 改变流速，重复上述步骤，获取多组数据。
五、数据记录与处理
| 流量 Q (L/min) | 流速 v (m/s) | 压力差 ΔP (Pa) | 水头损失 hf (m) | 阻力系数 λ |
|----------------|---------------|------------------|-------------------|-------------|
| 10 | 0.25| 120| 0.012 | 0.032 |
| 20 | 0.50| 480| 0.048 | 0.028 |
| 30 | 0.75| 1080 | 0.108 | 0.025 |
注：以上数据为示例，具体数值需根据实际实验结果填写。
六、实验结果分析
从实验数据可以看出，随着流速的增加，沿程水头损失也呈上升趋势，但阻力系数却有所下降，这表明在湍流状态下，阻力系数随雷诺数的增大而减小。此现象符合尼古拉斯库埃特曲线的理论预测。
此外，对于低流速情况（层流），阻力系数主要取决于雷诺数，且与流速成反比；而在高流速情况下（湍流），阻力系数趋于稳定，受雷诺数影响较小。
七、误差分析
实验中可能存在以下误差来源：
1. 压力传感器的精度偏差；
2. 流量计读数不准确；
3. 管道内壁粗糙度对实验结果的影响；
4. 流体温度波动导致粘度变化。
为减少误差，应多次测量取平均值，并在实验前对仪器进行校准。
八、结论
本次实验成功测定了不同流速下流体在圆管中的沿程阻力系数，验证了达西-魏斯巴赫公式的适用性，并观察到层流与湍流状态下阻力系数的变化规律。实验结果表明，沿程阻力系数不仅与流速有关，还受流态（层流或湍流）的影响，具有重要的工程应用价值。
九、参考文献
1. 《流体力学》教材，高等教育出版社
2. 《实验流体力学》，机械工业出版社
3. 实验指导书《沿程阻力系数测定实验》
