流体流动阻力实验

实验一 流体流动阻力实验一、实验目的1、学习直管摩擦阻力、直管摩擦系数的实验方法；2、掌握不同流量下摩擦系数与雷诺数Re之间的关系及其变化规律；3、学习局部阻力的测定方法；4、学习压强差的几种测量方法和技巧；5、掌握坐标系的选用方法和对数坐标系的使用方法。二、实验原理1 直管摩擦系数l与雷诺数Re的测定直管的摩擦阻力系数是雷诺数和相对粗糙度的函数，即，对一定的相对粗糙度而言，。流体在一定长度等直径的水平圆管内流动时，其管路阻力引起的能量损失为： （1）又因为摩擦阻力系数与阻力损失之间有如下关系（范宁公式） （2）整理（1）（2）两式得 （3） （4）式中：管径，m ； 直管阻力引起的压强降，Pa； 管长，m； 流速，m / s； 流体的密度，kg / m3； 流体的粘度，Ns / m2。 在实验装置中，直管段管长l和管径d都已固定。若水温一定，则水的密度和粘度也是定值。所以本实验实质上是测定直管段流体阻力引起的压强降与流速u（流量V）之间的关系。 测得一系列流量下的后，根据实验数据和式（3）可计算出不同流速下的直管摩擦系数；用式（4）计算对应的Re，从而整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系，绘出与Re的关系曲线。2. 局部阻力系数的测定 （5） （6）式中：局部阻力系数，无因次； 局部阻力引起的压强降，Pa；局部阻力引起的能量损失，Jkg。图3 局部阻力测量取压口布置图局部阻力引起的压强降 可用下面的方法测量：在一条各处直径相等的直管段上，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3，使 abbc ； abbc则 Pf，a b Pf，bc ； Pf，ab= Pf，bc在aa之间列柏努利方程式： PaPa =2Pf，a b+2Pf，ab+Pf （7）在bb之间列柏努利方程式： PbPb = Pf，bc+Pf，bc+Pf = Pf，a b+Pf，ab+Pf （8） 联立式（7）和（8），则： 2（PbPb）（PaPa）为了实验方便，称（PbPb）为近点压差，称（PaPa）为远点压差。用差压传感器来测量。三、实验装置1. 设备的主要技术数据: (1) 被测光滑直管段： 管径d0.008m； 管长L1.698m； 材料不锈钢管 被测粗糙直管段： 管径 d0.010m； 管长L1.698m； 材料不锈钢管(2) 被测局部阻力直管段: 管径 d0.015m；管长 L1.2m； 材料不锈钢管 (3) 压力传感器: 型号:LXWY 测量范围: 200 KPa (4) 直流数字电压表: 型号: PZ139 测量范围: 0 200 KPa (5) 离心泵: 型号: WB70/055 流量: 8(m3h) 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 LZB40 1001000(Lh) 1.5 LZB10 10100(Lh) 2.5(7) 涡轮流量计： 型号：LWY-15 测量范围： 0 6 m3/h2. 实验流程示意图实验流程示意图见图1。水泵2将储水槽1中的水抽出，送入实验系统，首先经玻璃转子流量计15、16测量流量，然后送入被测直管段测量流体在光滑管或粗糙管的流动阻力，或经10测量局部阻力后回到储水槽，水循环使用。被测直管段流体流动阻力p可根据其数值大小分别采用变送器12或空气-水倒置型管22来测量。图1 流动阻力实验流程示意图1-水箱；2-离心泵；3、4-放水阀；5、13-缓冲罐；6-局部阻力近端测压阀；7、15-局部阻力远端测压阀；8、20-粗糙管测压回水阀；9、19-光滑管测压阀；10-局部阻力管阀；11-U型管进水阀；12-压力传感器；14-流量调节阀； 15、16-水转子流量计；17-光滑管阀；18-粗糙管阀；21-倒置U型管放空阀；22-倒置U型管；23-水箱放水阀；24-放水阀；25-涡轮流量计；四、实验方法与步骤 向储水槽内注水，直到水满为止。(有条件最好用蒸馏水，以保持流体清洁) 直流数字表的使用方法请详细阅读使用说明书。 大流量状态下的压差测量系统，应先接电预热1015分钟，纪录数字表的初始值，然后启动泵进行实验。 光滑管阻力测定： 关闭粗糙管阀18、粗糙管测压进水阀20、粗糙管测压回水阀8，将光滑管阀17、光滑管测压进水阀19、光滑管测压回水阀9全开。 在流量为零条件下，检查导压管内是否有气泡存在。若倒置U型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。导压系统如图2所示。图2 导压系统示意图3,4-排水阀;8-粗糙管测压回水阀;9-光滑管测压回水阀；11- U型管进水阀；12-直管压力传感器；20-粗糙管测压进水阀；21- U型管放空阀;22-U型管操作方法如下：开大流量，打开倒置U型管与实验管路相通的阀11，使倒置U型管内液体充分流动，以赶出管路内的气泡；若认为气泡已赶净，将流量调节阀关闭；关闭连通阀11，慢慢旋开倒置U型管上部的放空阀21，分别缓慢打开阀3、4，使液柱降至中点上下时马上关闭，管内形成气-水柱。然后关闭放空阀21。看U型管内的水拄是否相平，相平及为管路中无气泡存在，相反就要继续上述操作过程。 该装置两个转子流量计并联连接，根据流量大小选择不同量程的流量计测量流量。 差压变送器与倒置U型管也是并联连接，用于测量直管段的压差，小流量时用倒置型管压差计测量，大流量时用差压变送器测量。应在最大流量和最小流量之间进行实验，一般测取1520组数据。建议当流量小于300Lh时,只用倒置型管来测量压差。 粗糙管阻力测定：关闭阀17、光滑管测压进水阀19、光滑管测压回水阀9，全开阀18，旋开粗糙管测压进水阀20、粗糙管测压回水阀8，逐渐调大流量调节阀，赶出导压管内气泡。 从小流量到最大流量，一般测取1520组数据。 直管段的压差用差压变送器测量。光滑管和粗糙管直管阻力的测定使用同一差压变送器，当测量光滑管直管阻力时，要把通向粗糙管直管阻力的阀门关闭；同样当测量粗糙管直管阻力时，要把通向光滑管直管阻力的阀门关闭。 局部阻力测定关闭阀门17和18，部分开或半开阀门10，改变流量，用差压变送器测量远点、近点压差。远点、近点压差的测量使用同一差压变送器。当测量远点压差时，要把通向近点压差的阀门关闭；同样当近点压差时，要把通向远点压差的阀门关闭。 测取水箱水温。 待数据测量完毕，关闭流量调节阀，停泵，关闭实验设备电源。五、使用实验设备应注意的事项 压力与温度的数值由数字仪表直接读取，记好初始值就可。 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。 利用压力传感器测量大流量下P时,应切断空气水倒置型玻璃管的阀门18、20否则影响测量数值。 在实验过程中每调节一个流量之后应待流量和直管压降的数据稳定以后方可记录数据。 较长时间未做实验，启动离心泵之前应先盘轴转动，否则易烧坏电机。表1 直管阻力实验数据表（光滑管）温度：26.4 0C 粘度：0. Pas（N.s/m2） 密度：996.7 kg/m3序号流量Q(L.h-1)R压降P(KPa)流速u (m.s-1)ReKPammH2O11032.632.30.002940.0553 499.5599 0. 21532.832.20.005880.0829 749.3399 0. 3203332.30.006860.1106 999.1199 0. 42533.332.30.00980.1382 1248.8998 0. 53033.432.10.012740.1659 1498.6798 0. 6403431.60.023520.2212 1998.2397 0. 75034.7310.036260.2765 2497.7997 0. 86035.530.20.051940.3317 2997.3596 0. 9703629.90.059780.3870 3496.9195 0. 108037.228.80.082320.4423 3996.4795 0. 119037.728.30.092120.4976 4496.0394 0. 1210039.826.50.130340.5529 4995.5993 0. 1315042.623.60.18620.8294 7493.3990 0. 1420051.515.50.35281.1058 9991.1987 0. 153007.71.6587 14986.7980 0. 1640013.72.2116 19982.3974 0. 1750021.02.7645 24977.9967 0. 1860029.23.3174 29973.5960 0. 1970038.73.8703 34969.1954 0. 2080049.54.4232 39964.7947 0. 2190063.44.9761 44960.3941 0. 22100077.75.5290 49955.9934 0. 表2 直管阻力实验数据表（粗糙管）温度：28.6 0C 粘度：0. Pas（N.s/m2） 密度：996.2 kg/m3序号流量Q(L.h-1)R压降P(KPa)流速u (m.s-1)ReKPammH2O11033.832.00.017640.0354 418.6608 0.1666 21534.531.50.02940.0531 627.9912 0.1234 32035.330.80.04410.0708 837.3216 0.1041 42536.230.10.059780.0885 1046.6520 0.0903 53037.229.20.07840.1062 1255.9824 0.0823 64039.626.90.124460.1415 1674.6432 0.0735 75042.224.50.173460.1769 2093.3039 0.0655 86045.821.40.239120.2123 2511.9647 0.0627 97046.920.40.25970.2477 2930.6255 0.0500 108052.115.90.354760.2831 3349.2863 0.0523 11903.60.3185 3767.9471 0.4197 121005.30.3539 4186.6079 0.5005 131507.60.5308 6279.9118 0.3189 1420013.20.7077 8373.2158 0.3116 1530027.81.0616 12559.8237 0.2917 1640047.61.4154 16746.4316 0.2809 1750072.91.7693 20933.0395 0.2753 186001012.1231 25119.6474 0.2649 19700131.92.4770 29306.2553 0.2542 表3 局部阻力实验数据表（全开）温度：29.1 0C 密度：996.0 kg/m3序号流量Q(L.h-1)近端压差(KPa)远端压差(KPa)流速u (m.s-1)局部阻力压差(KPa)阻力系数16000.91.20.9436 0.61.3531 26501.01.41.0223 0.61.1529 37001.21.51.1009 0.91.4912 47501.31.81.1795 0.81.1546 58001.52.01.2582 11.2685 68501.62.21.3368 11.1237 79001.82.51.4154 1.11.1025 89502.12.81.4941 1.41.2594 表4 局部阻力实验数据表 （半开）温度：29.8 0C 密度：996.0 kg/m3序号流量Q(L.h-1)近端压差(KPa)远端压差(KPa)流速u (m.s-1)局部阻力压差(KPa)阻力系数160018.018.20.9436 17.840.1419 265020.921.31.0223 20.539.3919 370024.925.31.1009 24.540.5929 475028.829.31.1795 28.340.8455 580033.033.61.2582 32.441.1003 685037.237.81.3368 36.641.1266 790043.143.91.4154 42.342.3970 895048.249.01.