管道流体阻力的测定.doc

管道流体阻力的测定一、实验目的研究管路系统中的流体流动和输送，其中重要的问题之一，是确定流体在流动过程中的能量损耗。流体流动时的能量损耗（压头损失），主要由于管路系统中存在着各种阻力。管路中的各种阻力可分为沿程阻力（直管阻力）和局部阻力两大类。本实验的目的，是以实验方法直接测定摩擦系数和局部阻力系数。二、实验原理当不可压缩流体在圆形导管中流动时，在管路系统中任意两个界面之间列出机械能衡算方程为 J kg 1 (1)或 m液柱 (2)式中： Z 流体的位压头，m液柱； P 流体的压强，Pa；u 流体的平均流速，m s 1； 流体的密度，kg m 3； h f 流动系统内因阻力造成的能量损失，J kg 1； H f 流动系统内因阻力造成的压头损失，m液柱。符号下标1和2分别表示上游和下游截面上的数值。 假若：(1)水作为实验物系，则水可视为不可压缩流体； (2)实验导管是按水平装置的，则Z1 = Z2； (3)实验导管的上下游截面上的横截面积相同，则u1 = u 2。因此(1)和(2)两式分别可简化为 J kg 1 (3) m水柱 (4)由此可见，因阻力造成的能量损失（压头损失），可由管路系统的两界面之间的压力差（压头差）来测定。流体在圆形直管内流动时，流体因磨擦阻力所造成的能量损失（压头损失），有如下一般关系式： J kg 1 (5)或 m液柱 (6)式中：d 圆形直管的直径，m； l 圆形直管的长度，m； 摩擦系数，（无因次）。大量试验研究表明：摩擦系数与流体的密度和粘度管径d、流速u和管壁粗糙度有关。应用因次分析的方法，可以得出摩擦系数与雷诺数和管壁相对粗糙度/d存在函数关系，即 (7)通过实验测得和Re数据可以在双对数坐标上标绘出试验曲线。当Re2000时，摩擦系数与管壁粗糙度无关。当流体在直管中呈湍流时，不仅与雷诺数有关，而且与管壁相对粗糙度有关。当流体流过管路系统时，因遇各种管件、阀门和测量仪表等而产生局部阻力，所造成的能量损失（压头损失），有如下一般关系式： J kg 1 或 m液柱式中：u 连接管件等的直管中流体的平均流速，m s 1； 局部阻力系数（无因次）。由于造成局部阻力的原因和条件极为复杂，各种局部阻力系数的具体数值，都需要通过实验直接测定。三、实验装置 本实验装置主要是由循环水系统（或高位稳压水槽）、试验管路系统和高位排气水槽串联组合而成，每条测试管的测压口通过转换阀组与压差计连通。 压差由一倒置U形水柱压差计显示。孔板流量计的读数由另一倒置U形水柱压差计显示。该装置的流程如图1所示。试验管路系统是由五条玻璃直管平行，排列经U形弯管串联连接而成。每条直管上分别配置光滑管、粗糙管、骤然扩大与缩小管、阀门和孔板流量计。每根试验管测试段长度，即两测压口距离均为0.6m。流程图中标出符号G和D分别表示上游测压口（高压侧）和下游测压口（低压侧）。测压口位置的配置，以保证上游测压口距U形弯管接口的距离，以及下游测压口距造成局部阻力处的距离，均大于50倍管径。图1 管路流体阻力实验装置流程1循环水泵 2光滑试验管 3粗糙试验管 4扩大与缩小试验管 5孔板流量计 6阀门 7转换阀组 8高位排气水槽作为实验用水，用循环水泵或直接用自来水由循环水槽送入试验管路系统，由下而上依次流经各种流体阻力试验管，最后流入高位排气水槽。由高位排气水槽流出的水，返回循环水槽。水在试验管路中的流速，通过调节阀加以调节。流量由试验管路中的孔板流量，计测量并由压差计显示读数。四、试验方法实验前准备工作需按如下步骤顺序进行操作：(1)先将水灌满循环水槽，然后关闭试验导管入口的调节阀，再启动循环水泵。待泵运转正常后，先将实验导管中的旋塞阀全部打开，并关闭转换组中的全部旋塞，然后缓慢开启实验导管的入口调节阀。当水流满整个试验导管，并在高位排气水槽中有溢流水排出时，关闭调节阀，停泵。(2)检查循环水槽中的水位，一般需要再补充些水，防止水面低于泵吸入口。(3)逐一检查并排除实验导管和连接管线中可能存在的空气泡。排除空气泡的方法是，先将转换阀组中被检一组测压口旋塞打开，然后打开倒置U形水柱压差计顶部的放空阀，直至排净空气泡再关闭放空阀。必要时可在流体流动状态下，按上述方法排除空气泡。(4)调节倒置U形压差计的水柱高度。先将转换阀组上的旋塞全部关闭，然后打开压差及顶部放空阀，再缓慢开启转换阀组中的放空阀，这时压差计中液面徐徐下降。当压差计中的水柱高度居于标尺中间部位时，关闭转换阀组中的放空阀。为了便于观察，在临试验前，可由压差及顶部的放空处，滴入几滴红墨水，将压差计水柱染红。(5)在高位排气水槽中悬挂一支温度计，用以测量水的温度。(6)实验前需对孔板流量计进行标定，作出流量标定曲线。实验测定时，按如下步骤进行操作：(1)先检查实验导管中旋塞是否置于全开位置，其余测压旋塞和实验系统入口调节阀是否全部关闭。检查完毕启动循环水泵。(2)待泵运转正常后，根据需要缓慢开启调节阀调节流量，流量大小由孔板流量计的压差计显示。(3)待流量稳定后，将转换阀组中，与需要测定管路相连的一组旋塞置于全开位置。这时测压口与倒置U形水柱压差计接通，即可记录由压差计显示出压强降。(4)当需改换测试部位时，只需将转换阀组由一组旋塞切换为另一组旋塞。例如，将G1和D1一组旋塞关闭，打开另一组G2和D2旋塞。这时，压差计与G1和D1测压口断开，而与G2和D2测压口接通，压差计显示读数即为第二支测试管的压强降。依次类推。(5)改变流量，重复上述操作，测得各种实验导管中不同流速下的压强降。(6)当测定旋塞在同一流量不同开度的流体阻力时，由于旋塞开度变小，流量必然会随之下降，为了保持流量不变，需将入口调节阀作相应调节。(7)每测定一组流量与压降数据，同时记录水的温度。实验注意事项：(1)实验前务必将系统内存留的气泡排除干净，否则实验不能达到预期效果。(2)若实验装置放置不用时，尤其是冬季，应将管路系统和水槽内水排放干净。五、实验数据记录及整理(1)实验基本参数实验导管的内径 d = 17 mm 实验导管的测试段长度 l = 600 mm粗糙管的粗糙度 = 0.4 mm 粗糙管的相对粗糙度 /d = 0.0235孔板流量计的孔径 d0 = 11 mm 旋塞的孔径 d v = 12 mm 孔流系数 C0 =0.6613(2)流量标定曲线(3)实验数据实 验 序 号孔板流量计的压差计读数，R / mmHg水的流量， Vs / m3s1水的温度， T / 水的密度， / kg m1水的粘度， / Pa s光滑管压头损失， Hf1 / mmH2O粗糙管压头损失， Hf2 / mmH2O旋塞压头损失，（全开） H f2 / mmH2O孔板流量计压头损失， H f2 / mmH2O(4)数据整理实 验 序 号水的流速， / ms1 1 雷诺准数， Re/ 2