管路流体阻力的测定.docx

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管路流体阻力的测定

实验二管路流体阻力的测定

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—一流体的位压头，m液柱；

P——流体的压强，Pa；

U—一流体的平均流速，m·s-1

h；—一单位质量流体因流体阻力所造成的能量损失，J·kg-1

Hf—一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截面上的数值。

假若：

（1）水作为试验物系，则水可视为不可压缩流体；

（2）试验导管是按水平装置的，则Z1=Z2；

（3）试验导管的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

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：

或

式中；d—一圆形直管的管径，m；

l—一圆形直管的长度，m；

λ—一摩擦系数，【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

函数关系，即

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与管壁粗糙度ε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

式中：

u—一连接管件等的直管中流体的平均流速，m·s-1；

ζ—一局部阻力系数【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。

孔板流量计的读数申另一倒置U形水柱压差

计显示。

该装置的流程如图2-1所示。

图2-1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．

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

度月两测压口距离均为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，最后流人高位排气水槽。

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，并由压差计显示该数。

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。

实验测定时，按如下步骤进行操作：

（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：

（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

试验导管的内径d＝mm试验导管的测试段长度l＝mm

粗糙管的粗糙度ε=mm粗糙管的相对粗糙度ε/d=

孔板流量计的孔径d

0=mm旋塞的孔径dv=mm

（2）流量标定曲线

（3）实验数据

实验序号

1

2

3

4

5

6

7

孔板流量计的压差计读数,R/mmHg

658

553

497

427

354

277

198

水流量的计算（以序号1为例）

实验序号

1

2

3

4

5

6

7

孔板流量计的压差计读数,R/mmH2O

658

553

497

427

354

277

198

水的流量,Vs/m3s-1

2.258

2.07

1.962

1.819

1.656

1.465

1.239

水的流速,u/ms-1

0.995

0.912

0.865

0.801

0.73

0.645

0.546

水的温度,T/℃

24.6

24.5

24.3

24.9

24

23.7

23.6

水的密度,ρ/kg•m-3

997.2

997.2

997.3

997.1

997.3

997.4

997.4

水的粘度,10－4μ/Pa•s

9.02

9.04

9.08

8.96

9.14

9.21

9.23

光滑管压头损失,Hf1/mmH2O

64

61

52

43

38

31

25

粗糙管压头损失,Hf2/mmH2O

200

174

156

134

115

90

62

孔板流量计压头损失,（全开）Hf1’/mmH2O

506

421

377

338

271

212

153

旋塞压头损失,Hf2’/mmH2O

205

179

161

130

115

92

64

计算

和

（以序号1为例）

（1）光滑管

（2）粗糙管

（3）孔板流量计

（4）旋塞

（4）数据整理

实验序号

1

2

3

4

5

6

7

水的流速,u/ms-1

0.995

0.912

0.865

0.801

0.73

0.645

0.546

雷诺准数,Re/

1.87

1.71

1.61

1.52

1.35

1.19

1

光滑管摩擦系数,λ1/-

0.036

0.041

0.039

0.037

0.04

0.041

0.047

粗糙管摩擦系数,λ2/-

0.112

0.116

0.116

0.116

0.12

0.12

0.116

孔板流量计局部阻力系数,ζ1″/-

10.03

9.93

9.89

10.33

9.99

9.98

10.08

旋塞的局部阻力系数（全开）,ζ1′/-

4.06

4.22

4.23

3.97

4.24

4.33

4.22

（5）标绘Re－λ实验曲线

Re

λ

18700

0.036

17100

0.041

16100

0.039

15200

0.037

13500

0.04

11900

0.041

10000

0.047

在Excel处理作图：

1、打开图表向导：

把上面数据复制到Excel中并选中，点击工具栏上的“图表向导”

2、点击下一步，系列应在“列”

3、点击下一步，在数值x值下输入Re，在数值y值下输入λ

4、点击下一步,点出“完成”

修饰Re－λ图

1、选定“数值y轴主要网格线”，点击“Del”键，选定绘图区，点击“Del”键，得结果图。

2、将X、Y轴的刻度由直角坐标改为对数坐标：

选定X轴，点右键，选择坐标轴格式得到“坐标轴格式“对话框，根据Re的数值范围改变”最小值”、“最大值”，并将“主要刻度”改为“10”，从而将X轴的刻度由直角坐标改为对数坐标。

同理将Y轴的刻度由直角坐标改为对数坐标。

3、用绘图工具绘制曲线：

打开“绘图工具栏”（方法：

点击菜单上的“视图”→选择“工具栏”→选择“绘图”命令），单击“自选图形”→指向“线条”→再单击“曲线”命令，绘制曲线（方法：

单击要开始绘制曲线的位置，再继续移动鼠标，然后单击要添加曲线的任意位置。

若要结束绘制曲线，请随时双击鼠标），得最终结果。