管路流体阻力.docx
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管路流体阻力
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λ和局部阻力系数ζ。
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,m×s-1;
Wf:
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λ与流体的密度ρ和粘度μ,管径d,流速u和管壁粗糙度ε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ε/d存在的函数关系,即
λ=f(Re,ε/d)
通过实验测得λ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λ与管壁相对粗糙度无关。
当流体在直管中呈湍流时,λ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,m×s-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400×270×250mm
材质:
硬聚氯已烯塑料
(2)循环水泵
型号:
AB—25型
流量:
25L×min-1,扬程:
4m
(3)试验导管
每支管径:
φ22×1mm
每支管长:
900mm
测试段长度:
600mm
光滑玻璃管:
φ22×1mm
粗糙玻璃管:
φ22×1mm,ε=0.03mm
渐扩渐缩管:
扩大管φ40mm,缩小管φ22×1mm
孔板流量计:
孔径8mm
玻璃旋塞:
孔径18~20mm
(4)转换阀组
规格:
φ6mm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:
①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。
②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。
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形水柱压差计连通,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。
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。
⑤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。
⑥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ε=0.03
孔板流量计的孔径d0=8mm旋塞的孔径dv=18~20mm
1实验数据记录
编号
1
2
3
4
水的温度T/0C
水的粘度μ/(Pa×s)
水的密度ρ/(Kg×m3)
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
1
2
3
4
水的流量u/(m×s-1)
雷诺准数Re
光滑管摩擦系数λ1i
粗糙管摩擦系数λ2i
渐扩渐缩管局部阻力系数ξ1i
孔板流量计局部阻力系数ξ2i
旋塞的局部阻力系数ξ3i
表中各项计算分式
(1)孔板流量计C0=0.63
(2)雷诺准数
(3)摩擦系数计算式
(4)局部阻力计算式
(5)要求标绘Re~λ曲线,并将实验数据λ与查图所得λ进行比较,相差多少。
实验讨论
(1)产生流体阻力的主要原因是什么?
(2)影响流体阻力因素有哪些?
实验结果能否说明这些影响因素?
管路流体阻力实验数据表
编号
1
2
3
4
流量
G1-D1
G2-D2
G3-D3
G4-D4
G5-D5
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