实验3---管路流体阻力的测定

实验三实验三 管路流体阻力的测定管路流体阻力的测定 一 实验目的一 实验目的 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截面之间 机械能衡算 方程为 J kg 1 1 22 2 22 2 2 11 1 f h uP gZ uP gZ 或 m 液柱 2 f H g u g P Z g u g P Z 22 2 22 2 2 11 1 式中 hf 单位质量流体因流体阻力所造成的能量损失 J kg 1 Hf 单位重量流体因流体阻力所造成的能量损失 即压头损失 m 液柱 若 1 水作为试验物系 则水可视为不可压缩流体 2 试验导管水平装置 则 Z1 Z2 3 试验导管的上下游截面的横截面积相同 则 u1 u2 因此 1 和 2 两式分别可简化为 J kg 1 3 21 PP hf m 水柱 4 21 g PP H f 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 有如下一般关系式 J kg 1 4 2 u d l 2 21 PP hf 或 m 水柱 5 g u d l g PP Hf 2 2 21 式中 d 圆形直管的管径 m l 圆形直管的长度 m 摩擦系数 无因次 大量实验研究表明 摩擦系数又与流体的密度 粘度 管径 d 流速 u 和管壁粗 糙度 有关 用因次分析的方法 可以得摩擦系数与雷诺数 管壁相对粗糙度 d 存在函 数关系 即 7 Re d f 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 Re 2000 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 8 2 2 u hf 或 m 液柱 9 g u Hf 2 2 式中 u 连接管件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 实验装置三 实验装置 本实验装置如图 1 所示 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 图图 1 管路流体阻力实验装置流程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 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 作为试验用水 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 由高位排气水槽溢流出来的 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 实验方法四 实验方法 实验前准备工作 实验前准备工作 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 先将试验导管中的旋塞阀全部打开 并关闭转换阀组中的全部旋塞 然 后缓慢开启试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 逐一检查并排除试验导管和联接管线中可能存在的空气泡 排除空气泡的方法排除空气泡的方法 是是 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 在临实验前 可由压差计项部的放空处 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 实验操作步骤 实验操作步骤 1 先检查试验导管中旋塞是否置于全开位置 其余测压旋塞和试验系统入口调节 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 以此 类推 5 改变流量 重复上述操作 测得各试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强降数据 同时记录水的温度 实验注意事项 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五 实验数据记录及整理 1 实验基本参数 试验导管的内径 d 17 mm 试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 dv mm 2 流量标定曲线 3 实验数据 表表 1 孔板流量计的压差计读书记录表孔板流量计的压差计读书记录表 实验序号实验序号1234567 孔板流量计的压孔板流量计的压 差计读数 差计读数 R mmHg 水流量的计算 smgRdCVs 2 4 3 2 00 式中 C0为孔板系数 一般控制 C0值在 0 6 0 7 之间 d0 为孔板流量计的孔径 mm sm d V u s 4 2 du Re 表表 2 数据记录表数据记录表 实验序号实验序号1234567 孔板流量计的压差计孔板流量计的压差计 读数 读数 R mmHg 水的流量 水的流量 Vs m3 s 1 水的流速 水的流速 u m s 1 水的温度 水的温度 T 水的密度 水的密度 kg m 3 水的粘度 水的粘度 10 4 Pa s 光滑管压头损失 光滑管压头损失 Hf1 mmH2O 粗糙管压头损失 粗糙管压头损失 Hf2 mmH2O 旋塞压头损失 全开 旋塞压头损失 全开 Hf1 mmH2O 孔板流量计压头损失 孔板流量计压头损失 Hf2 mmH2O 计算和 1 光滑管 Paghpp f A u d l pf 2 2 A gh 2 粗糙管 ghpp f A u d l pf 2 2 A gh 3 孔板流量计 ghpp f B u pf 2 2 B gh 4 旋塞 ghpp f C u pf 2 2 C gh 4 数据整理 表表 3 数据整理表数据整理表 实验序号实验序号1234567 水的流速 水的流速 u m s 1 雷诺准数 雷诺准数 Re 4 10 光滑