实验四流体管内流动阻力测定

实验四流体管内流动阻力测定一、实验目的⒈学习直管摩擦阻力hf、摩擦系数的测定方法；了解测定的工程意义。⒉掌握摩擦系数与雷诺数Re和相对粗糙度d之间的关系及其变化规律。⒊掌握局部阻力系数的测量方法。⒋学习压强差的几种测量方法和技巧。⒌掌握坐标系的选用方法和对数坐标系的使用方法。二、实验内容⒈测定直管内流体流动的阻力和摩擦系数。⒉测定直管内流体流动的摩擦系数与雷诺数Re和相对粗糙度d之间的关系曲线。⒊在本实验压差测量范围内，测量阀门的局部阻力系数。三、实验原理⒈摩擦系数与雷诺数Re关系的测定流体在管道内流动时，由于流体的粘性剪应力作用和涡流的影响会产生流动阻力。流体在水平等径直管内流动的阻力大小，与管长l、管径d、管壁粗糟度ε及流体流速u、黏度和密度有关，即：hf=p（4-1）以及(,,,,,)pfdlu（4-2）对于管内层流流动，理论上可导出hf=232plud（4-3）它与无关，且与实验数据吻合。对于管内湍流流动，式（4-2）中几个参数与p的关系复杂，只能依赖实验测定和关联。采用因次分析方法，整理式（4-2）的参数，可组成以下的无因次数群关系式：2(,,)fhdulFudd（4-4）参照范宁（Fanning）公式22fluhd（4-5）可将式（4-4）改写为2(Re,)2fluhdd（4-6）比较式（4-5）和式（4-6）可得：(Re,)d（4-7）由式（4-5）可知，只要知道值，就能计算任一（牛顿型）流体在任一直管中的阻力损失。而式（4-7）的，是雷诺数Re和管壁相对粗糙度d的函数，要确定它们之间的关系，只要用水作物系，在实验规模的装置中，进行有限的实验即可得到。对于光滑管，也就是管壁粗糙度﹤层流底层厚度b的管，由于管壁的粗糙峰埋在层流底层中，d对流动阻力不产生影响，因此，对于光滑管：'(Re)（4-8）湍流时的粗糙管和光滑管的由理论导出的计算式与实际相差较大，实用中仍然采用实验测定并整理绘制的(Re,)d关系图。本实验分别测定光滑管，以及特定d值的粗糙管，求其loglogRe的关系曲线。方法是：（1）测定流量vq——算出u和Re；（2）测定直管的p——按式（4-5）和式（4-1）算出值。（3）将Re和绘于双对数坐标纸上。⒉局部阻力系数的测定'22ffpuh（4-9）'22fpu（4-10）式中：局部阻力系数，无因次；'fp局部阻力引起的压强降，Pa；'fh局部阻力引起的能量损失，J／kg。图4-1局部阻力测量取压口布置图局部阻力引起的压强降'fp可用下面的方法测量：在一根等直径的直管段上，安装待测局部阻力的阀门，在其上、下游开两对测压口a-a'和b-b＇，见图4-1，使ab＝bc；a＇b＇＝b＇c＇则△Pf，ab＝△Pf，bc；△Pf，a＇b＇=△Pf，b＇c＇在a~a＇之间列柏努利方程式：Pa－Pa＇=2△Pf，ab+2△Pf，a＇b＇+'fp（4-11）在b~b＇之间列柏努利方程式：Pb－Pb＇=△Pf，bc+△Pf，b＇c＇+'fp=△Pf，ab+△Pf，a＇b＇+'fp（4-12）联立式(4-11)和(4-12)，则：'fp＝2(Pb－Pb＇)－(Pa－Pa＇)为了实验方便，称(Pb－Pb＇)为近点压差，称(Pa－Pa＇)为远点压差。用差压传感器来测量。四、实验装置⒈本实验共有三套装置，实验装置流程如图4-2所示。在图4-2中，测定光滑管摩擦系数选择流程：A→B（C→D）→E→F→G→H→I→W→X；测定粗糙管摩擦系数选择流程：A→B（C→D）→E→F→J→K→L→M→I→W→X；（C→D）为流量小于2m3/h时的流程。⒉流量测量：在图4-2中由转子流量计和涡轮流量计测量。⒊直管段压强降的测量：差压变送器或倒置U形管直接测取压差值。压差1压差2流量温度红绿黄（1）-离心泵（2）-大流量调节阀（3）-小流量调节阀（4）、（5）、（15）、（22）-球阀（6）、（11）-光滑管取压阀（7）、（12）-粗糙管取压阀（8）、（9）、（13）、（14）-局部阻力取压阀（10）、（16）、（24）、（26）-排气罐（17）、（25）-压差传感器（18）、（20）、（21）-倒置U形管压差计调节阀（19）-倒置U形管压差计（23）、（27）-大管径光滑管取压阀（28）、（29）-排空阀（30）-涡轮流量计（31）、（32）、（33）、（34）-数显表（35）、（36）、（37）-按钮开关（38）、（39）-转子流量计（40）-水槽图4-2流动过程实验装置流程图压差1压差2流量温度红绿黄（1）-离心泵（2）-大流量调节阀（3）-小流量调节阀（4）、（5）、（15）、（22）-球阀（6）、（11）-光滑管取压阀（7）、（12）-粗糙管取压阀（8）、（9）、（13）、（14）-局部阻力取压阀（10）、（16）、（24）、（26）-排气罐（17）、（25）-压差传感器（18）、（20）、（21）-倒置U形管压差计调节阀（19）-倒置U形管压差计（23）、（27）-大管径光滑管取压阀（28）、（29）-排空阀（30）-涡轮流量计（31）、（32）、（33）、（34）-数显表（35）、（36）、（37）-按钮开关（38）、（39）-转子流量计（40）-水槽图4-2流动过程实验装置流程图五、操作方法⒈按下电源的绿色按钮，通电预热数字显示仪表，记录差压数字表的初始值，关闭流量调节阀⑵⑶，启动离心泵。⒉光滑管阻力测定：(1)关闭阀（5）、（15）、（22），将阀（4）全开。(2)在流量为零条件下，旋开取压阀（6）、（11）和倒置U形管左右旋钮（20）、（21），检查导压管内是否有气泡存在。若倒置U形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。操作方法如下：开大流量调节阀（2），使倒置U形管内液体充分流动，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形管上部的放空阀（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。(3)通过阀（2）、（3）调节流量。根据流量大小选择大、小量程的转子流量计测量。(4)直管段的压差：小流量时用倒置∪形管压差计测量，大流量时用差压数字表测量。应在最大流量和最小流量之间进行实验，一般测取12～15组数据，建议流量读数在40L／h之内，不少于4个点，以便得到层流状态下的λ—Re关系。在能用倒置∪形管测压差时，尽量不用差压数字表测压差。(5)阀（15）局部阻力测量：在最大流量时，直管段压差测量完后，将阀（15）半开，再读取相应差压数字表的压差数据。3．粗糙管阻力测定：(1)关闭阀（4），全开阀（5），逐渐调大流量调节阀⑵，赶出导压管内气泡。(2)通过阀⑵⑶调节流量。根据流量大小选择大、小量程的转子流量计测量，从小流量到最大流量，一般测取10~15组数据。4．在水箱中测取水温。5．待数据测量完毕,关闭流量调节阀，核实差压数字表初始值，继续其它实验或切断电源。六、注意事项⒈启动离心泵之前，以及从光滑管阻力测量过渡到其它测量之前，都必须检查所有流量调节阀是否关闭。⒉测数据时则必须关闭所有的平衡阀，并且在用差压数字表测量时，必须关闭通倒置U形管的阀门，防止形成并联管路。七、实验数据表：（水温t=℃）序号光滑管阻力粗糙管阻力局部阻力流量（3/mh）压差p(Pa)流量（3/mh）压差p(Pa)流量（3/mh）近点压差p(Pa)远点压差p(Pa)1234567891011121314八、数据整理表kg/m3,Pa.S光滑管L=m,d=m粗糙管L=m,d=m序号光滑管阻力粗糙管阻力局部阻力流速u（/ms）Re流速u（/ms）Re流速u（/ms）Re压差fp’(Pa)1234567891011121314九、报告内容⒈将实验数据和数据整理结果列在表格中，并以其中一组数据为例写出计算过程。⒉在双对数坐标系上标绘光滑直管和粗糙直管λ—Re关系曲线。⒊根据所标绘的λ—Re曲线，求本实验条件下滞流区的λ—Re关系式，并与理论公式比较。⒋思考题：（1）试从本讲义式（4-3）导出层流时64/Re。（2）本实验用水为工作介质做出的λ一Re曲线，对其它流体能否使用？为什么？（3）本实验是测定等直径水平直管的流动阻力，若将水平管改为流体自下而上流动的垂直管，从测量两取压点间压差的倒置U形管读数R到△Pf的计算过程和公式是否与水平管完全相同?为什么?（4）为什么采用差压变送器和倒置U形管并联起来测量直管段的压差？何时用变送器?何时用倒置U形管?操作时要注意什么？十、设备主要参数1.被测光滑直管段：管径d—0.0080(m)管长L—2.03(m)材料:不锈钢管被测粗糙直管段：管径d—0.010(m)管长L—2.03(m)材料:不锈钢管2.被测局部阻力直管段：管径d—0.020(m)管长L—1.2(m)材料：不锈钢管3.压力传感器：型号：LXWY测量范围：200KPa4.直流数字电压表：型号：PZ139测量范围：0～200KPa5.离心泵：型号：WB70/055流量：8(m3／h)扬程：12(m)电机功率：550(W)6.玻璃转子流量计：型号测量范围精度LZB—40100～1000(L／h)1.5LZB—1010～100(L／h)2.5