管路流体阻力.doc

实验二 管路流体阻力实验一、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，市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的各种阻力。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，在管路系统内任意二个截面之间列出机械能衡算方程为或 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，ms-1；Wf：单位质量流体因流体阻力所造成的能量损失，JKg-1；Hf ：单位重量流体因流体阻力所造成的能量损失，即所谓压头损失，m液柱；符号下标1和2分别表示上游和下游的截面上的数值。假如：（1）水作为试验物系，则水可视为不可压缩流体；（2）试验导管是水平装置的，则Z1=Z2；（3）试验导管上下游截面上的横截面积相同，则u1=u2；因此（1）和（2）两式分别可简化为 m水柱由此可见，因阻力造成的能量损失（压头损失），可由管路系统的两截面之间的压力差（压头差）来测定。当流体在圆形直管内流动时，流体因摩擦阻力所造成的能量损失（压头损失），有以下一般形式：或 m水柱式中：d 圆形直管的直径，m；L 圆形台直管的长度，m；摩擦系数，（无单位）。大量实验研究表明：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存在的函数关系，即=f（Re，/d）通过实验测得和Re数据，可以在双对数坐标上标绘出实验曲线。当Re2000时，摩擦系数与管壁相对粗糙度无关。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： 或 m液柱式中：u 连接管件等的直管中流体的平均流速，ms-1；局部阻力系数（无单位）。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，都需通过实验直接测定。三、实验装置及流程本实验装置主要是由低位水槽、循环水泵、试验管路系统和高位稳压水槽串联组合而成。每条测试管的测压口通过转换阀组与压差计连通。转换阀组由数对旋塞组成，压差计为一倒置U形水柱压差计。孔板流量计直接与倒置U形水柱压差计相连。该装置的流程图所示管路的流体阻力实验装置流程 1、光滑试验管 2、粗糙试验管 3、渐扩渐缩试验管4、孔板流量计 5、旋塞 6、倒置U形水柱压差计7、转换阀组 8、流量调节阀 9、高位稳压水槽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、渐扩渐缩管、孔板流量计和旋塞。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。作为试验用水，用循环水泵由低位水槽直接压送进入试验管路系统，由下而上依次流经各种流体阻力试验管，最后流入高位稳压水槽。由高位稳压水槽流出的水，返回低位水槽。整个系统构成闭路循环系统。水在试验管路中的流速，通过出口阀加以调节，流量由试验管路中的孔板流量计测量，并由汞柱压差计显示读数。主要设备规格(1)低位水槽容积：0.02m3尺寸：方形400270250mm材质：硬聚氯已烯塑料(2)循环水泵型号：AB25型流量：25Lmin-1，扬程：4m(3)试验导管每支管径：221mm每支管长：900mm测试段长度：600mm光滑玻璃管：221mm粗糙玻璃管：221mm，=0.03mm渐扩渐缩管：扩大管40mm，缩小管221mm孔板流量计：孔径8mm玻璃旋塞：孔径1820mm(4)转换阀组规格：6mm玻璃旋塞10个组合(5)倒置U形水柱压差计刻度：300mm四、实验方法实验前准备工作须按如下步骤顺序进行操作：(1)先将水灌满低位水槽，然后关闭泵出口阀，再启动循环水泵，待泵运转正常后，先将试验导管中的旋塞全部打开，并关闭转换阀组中的全部旋塞，然后缓慢开启泵的出口阀 。当水流满整个试验导管，并在高位稳压水槽中有溢流水排出时，关闭泵出口阀，停泵。(2)检查低位水槽中的水位，一般需要再补充些水，防止水面低于泵吸入口。(3)逐一检查并排除试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，直至排尽空气泡再关闭放空阀。必要时可在流体流动状况下，按上述方法排尽空气泡检查气泡是否排净的方法：流量为零时，U形管压差计两液面是否相平。(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，然后打开压差计顶部放空阀，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，在实验前，可由压差计顶部的放空处，滴入几滴红墨水，将压差计水柱染红。(5) 在高位水槽中悬挂一支温度计，用以测量水的温度。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：查试验导管中旋塞是否置于全开位置，其余测压旋塞和泵出口阀是否全部关闭。检查后启动循环水泵。待泵运转正常后，根据需要缓慢开启泵的出口阀调节流量，流量大小由孔板流量计的压差计显示。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形水柱压差计连通，即可记录由压差计显示出压强降。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。此时，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测试管的压强降。以此类推。改变流量，重复上述操作，测得各试验导管在不同流速下的压强降。每测定一组流量与压强降数据，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)玻璃旋塞要经常维护，以防旋转不灵或漏水。操作过程中，要注意防止旋塞拔出跑水。(3)若实验装置较长时间不用时，尤其是冬季，应将管路系统水槽内水排放干净。五、实验数据记录及整理实验基本参数：试验导管的直径d=20mm 试验导管的测试段长度L=600mm粗糙管的粗糙度=0.03孔板流量计的孔径d0=8mm 旋塞的孔径dv=1820mm1 实验数据记录编号1234水的温度T/0C水的粘度/（Pas）水的密度/（Kgm3）孔板流量计压差读数R/（mmH2O）光滑管压头损失Hf1/（mmH2O）粗糙管压头损失Hf2/（mmH2O）渐扩渐缩管压头损失Hf3/（mmH2O）孔板流时压头损失Hf4/（mmH2O）旋塞压头损失（全开）Hf5/（mmH2O） 2 数据处理编号1234水的流量u/(ms-1)雷诺准数Re光滑管摩擦系数1i粗糙管摩擦系数2i渐扩渐缩管局部阻力系数1i孔板流量计局部阻力系数2i旋塞的局部阻力系数3i表中各项计算分式(1)孔板流量计C0=0.6