名称配管实习与流体流动摩擦.docx
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名称配管实习与流体流动摩擦
一、實驗名稱：
配管實習與流體流動摩擦實驗
二、單元目標：
1.管、管件及配管圖的認識。
2.自流體在圓管中流動之摩擦損失（frictionloss）之測定，研討摩擦因數（frictionfactor）與雷諾數間之關係。
3.測定流體在管件（pipefittings）之摩擦損失，了解管件相當長度（equivalentlength）之意義。
4.認識各種流量計用來測量液體之原理及推求流量計的放洩係數（dischargecoefficient）
三、相關知識：
（1）管件：
管件用以連接兩管，分配管路或改變流體之流動方向。
凡管徑
吋以下之管多用螺旋接合（screwjoint）連接。
（二）流體在圓管內的行為：
1.雷諾數
流體流經圓管內的行為，與管子的直徑D，流體流速U，流體密度ρ及流體黏度μ有關，將這幾個變數組合成一個無因次群，稱為雷諾數，是表示流體行為的重要指標，其定義為：
（1）
當Re＜2100時，管內各點流體以直線流動，互不相擾，稱為層流（laminarflow）。
當Re＞4000時，各點流體已不規則方向流動，互相干擾及混合，稱為擾流（turbulentflow）。
2.平均速度
流體在圓管內的平均速度與體積流率Q的關係如下式：
（2）
式中A：
圓管截面積
D：
圓管內徑
當流體經不同直徑管子時，流速會改變，可由下式求得：
（3）
或
（4）
（三）流體的機械能平衡：
1.直管的摩擦
流體流經直管時，會與管壁發生摩擦，使壓力降低，此摩擦損失可由泛寧摩擦方程式（Fanningfrictionequation）求得：
（5）
式中－ΔP：
直管的摩擦壓力損失
：
直管的摩擦能損失
L：
直管管長（m）
D：
直管內徑（m）
f：
泛寧摩擦因數
：
SI制
M.K.S制9.8kg‧m/kgf‧s2
f受雷諾數及管內壁粗糙程度影響，其中e／D稱為湘對粗糙度（relativeroughness），而粗糙度e式紙幣內壁凹凸的平均高度，與管材料及至管方法有關。
2.管線中的摩擦
流體流經管件因流向或流速改變形成漩渦，而有壓力降落，稱為管件的摩擦。
一般流動系統中，管線係由數個異徑管藉管件連結而成，且以閥控制流量。
因此，一般言之，管線中之摩擦損失應包括管、管件、閥、擴大及縮小等能量損耗。
此摩擦損失可以比照泛寧方程式，以相當於同管徑同流速的直管多少長度造成相同摩擦損失表示，此長度稱為相當長度（equivalentlength）。
（6）
式中－ΔP：
摩擦壓力損失
：
摩擦能損失
：
相當管長（m）
（四）差壓計：
測量任何兩點間壓力差的壓力儀器，稱為差壓計。
通常使用的是U型管差壓計（U-tubemanometer），由玻璃或塑膠管做成U型，兩端保持開通，以連接測定的兩點，管內注入較欲測流體密度大的流體，如水銀、四氯化碳等。
當管之兩端有差壓時，所示得差壓與液柱高之關係如下式：
（8）
式中－ΔP：
U型管兩端之差壓（N／㎡）
：
U型管兩端之壓力（N／㎡）
Δh：
差壓計內封流體液柱高度差（m）
：
差壓計內封流體之密度（kg/m3）
ρ：
待測流體之密度（kg/m3）
g：
重力加速度（m/s2）
：
變換因子，SI制
（8）
由（8）式知，讀取U型管兩邊液柱的高度差Δh，即可求得a、b兩端之壓力差。
差壓計內封液體的選擇，視待測差壓的大小及靈敏度而定，於較大的壓差時（大於103Pa）通常使用水銀；而較小的壓差，使用四氯化碳（比重1.60）。
（五）面積式流量計：
以改變流體在管路的截面積而測量流量的裝置，稱為面積式流量計，以浮子流量計（rotameter）為最常見，是由一上寬下窄的玻璃測定管、浮子及固定套所構成。
流體在玻璃測定管內流動，再較大的體積流率時，浮子的位置必須升高，增大浮子與玻璃間空隙，以維持固定的速率
。
浮子流量計的體積流率可由下式求得：
（9）
（10）
式中Q：
流體之體積流率（m3/sorm3/h）
：
流體流過環狀面積（即浮子與管間之面積）之平均速度（m／s）
Cr：
浮子流量計的放洩係數。
Ar：
流體通過之環型面積（㎡）
Af：
浮子正向流體時的最大截面積（㎡）
Vf：
浮子之面積（m3）
ρf：
浮子之密度（kg/m3）
ρ：
流體之密度（kg/m3）
（－ΔP）：
浮子最大截面積處所受壓降（Pa,N／㎡）
g：
重力加速度m/s2
市售的浮子流量計在玻璃管上刻好，使用時可由浮子的高度直接讀出體積流率，
但此刻度不一定準確，故須做刻度校正。
（六）差壓式流量計：
差壓市流量計是在管路上安裝一個收縮口，並測量流體通過時造成的壓力降，由於體積流率Q與壓力降（ΔP）有如下關係：
（11）
所以測量流量計的差壓可推求流體之流速及流率。
常見差壓式流量計有下列幾種：
1.孔口流量計（orificeflowmeter）
孔口流量計的構造，主要包括
（1）孔口板
（2）凸緣或法蘭（flange）（3）差壓計等三個部分。
孔口板係一中央有圓孔的圓板，以凸緣固定在管路中，圓孔的一面孔徑較小，形成銳緣，安裝時面向上游，以減少摩擦。
孔口板前後的凸緣上各鑿一小孔，裝上分接頭（taps）以連接U型管差壓計。
分接頭的位置有許多種選擇，實驗室常見的是緊貼於孔口板的兩側，稱為法蘭接頭（flangetaps）。
體積流率可由下式求得：
（12）
壓力落差（-
）可由差壓計讀出，帶入（8）式計算
式中
：
孔口處之平均速度（m/s）
：
孔口的截面積
：
孔口流量計的放洩係數
D0：
孔口直徑（m）
β：
D0/D
五、實驗數據及報告:
（一）浮子流量計校正:
水槽長:
㎝、寬:
㎝、水溫=℃、ρ=1000㎏/m3
指
示
實流
驗量
次
數
15ℓ/min
25ℓ/min
35ℓ/min
45ℓ/min
時間
s
水體積
L
水位差
㎝
體積流率
ℓ/min
時間
s
水體積
L
水位差
㎝
體積流率
ℓ/min
時間
s
水體積
L
水位差
㎝
體積流率
ℓ/min
時間
s
水體積
L
水位差
㎝
體積流率
ℓ/min
1.
2.
校正後體積流率
ℓ/min
ℓ/min
ℓ/min
ℓ/min
m3/s
m3/s
m3/s
m3/s
1.直管的摩擦因素：
直管管長：
0.8m，管內徑（直徑）：
28.6㎜，水黏度：
1cP，ρ=1000㎏/m3
實驗次數
浮子讀值
ℓ/min
校正流率Q
水速度
m/s
Re
差壓計
讀值
㎜CCℓ4
壓力能
（－ΔP/ρ）
J/㎏
摩擦因素
（f）
ℓ/min
m3/s
1
15
2
25
3
35
4
45
2.相當管長
實
驗
次
數
浮子
讀值
ℓ/min
閘閥
考克
差壓計讀值㎜CCℓ4
壓力能
（－ΔP/ρ）
J/㎏
相當管長
（Leq）
m
差壓計讀值㎜CCℓ4
壓力能
（－ΔP/ρ）
J/㎏
相當管長
（Leq）
m
1
25
2
35
3
45
實驗次數
浮子
讀值
ℓ/min
擴管
縮管
差壓計讀值㎜CCℓ4
壓力能
（－ΔP/ρ）
J/㎏
相當管長
（Leq）
m
差壓計讀值
㎜Hg
壓力能
（－ΔP/ρ）
J/㎏
相當管長
（Leq）
m
1
15
2
25
3
35
4
45
實驗次數
浮子
讀值
ℓ/min
管套節
差壓計讀值㎜CCℓ4
壓力能
（－ΔP/ρ）
J/㎏
相當管長
（Leq）
m
1
15
2
25
3
35
4
45
六、問題與討論：
1.為何浮子流量計要預作校正?
2.恆位水槽的公用為何?
3.（）密度為ρ，黏度為μ之流體，以速度Ub流經內徑為D，長度為L之水平圓管，則其雷諾數為：
（A）DUbμρ（B）DρμUb（C）DUbρμ（D）UbρμD（E）UbDρμ
4.（）空氣密度1.2g/l，黏度0.001cP，以2m/s的速度流經直徑為50㎜的圓管，問雷諾數多少?
（A）1.2×103（B）1.2×104（C）1.2×105（D）1.2×106（E）1.2×107。
5.（）下列流量計中和者可以測量管路中某點的速度：
（A）浮子流量計（B）皮托管（C）細腰流量計（D）孔口流量計。
6.（）皮托管置於一圓管中心處，測得壓力差為0.6Kn/㎡（kPa），若流體的密度為800㎏/m3，且知流體行為是層流，問管內的平均速度為多少m/s?
（A）1.22（B）3.20（C）0.84（D）7.30（E）0.61。
7.（）三角堰的體積流率與缺口液面高H的幾次方成正比?
（A）12（B）25（C）23（D）32（E）52
8.（）啟動離心補泵時，若泵內無水時可能會有何不良影響?
（A）流體壓力太大損壞管路（B）造成氣縛現象無法推送液體（C）離心泵的葉片受損（D）馬達負荷太大而跳機。
9.（）體積流率8ℓ/min的水流經25㎜直徑圓管時，管內水的平均m/s?
（A）0.27（B）1.24（C）0.40（E）0.58
10.（）在20℃之水以20㎝/sec之速度流經一水平漸縮噴嘴，水流進噴嘴之直徑為3㎝（內徑），出口之直徑為1㎝，之噴嘴時，在穩定恆溫狀態下，速度應為（A）60㎝/sec（B）120㎝/sec（C）180㎝/sec（D）3600㎝/sec。
11.（）黏度為μ，密度為ρ的液體，以平均速度Ub流經長為L，內徑為D之圓管，其壓力降可用泛寧方程式計算、下列有四個方程式，請選出泛寧方程式（A）－ΔP=DubPμ（B）－ΔP=2f（LD）（Ub22gc）（C）
－ΔP=4f（LD）（Ub22gc）ρ（D）－ΔP=32μLUbD2
12.（）同一流體，流經管件所造成之摩擦損失和流經同管徑直管所造成之摩擦損失相等時，此直管之長度稱為（A）管建管長（B）摩擦管長（C）泛寧管長（D）相當管長。
13.（）浮標流量計為一種（A）差壓式流量計（B）變面積式流量計（C）排量式流量計（D）渦漩流量計。
14.（）孔口板之孔口一面被做成45度之斜邊，另一面為不傾斜之銳邊，此45度之斜邊安裝時，應面向（A）流體之上游（B）流體之下游（C）上下游皆可（D）傾斜安裝。
15.（）文氏計（Venturi）當Rel大於104時，放洩係數（Cv）與Rel無關，此時Cv約為（A）1.0（B）0.98（C）0.80（D）0.61（E）0.50
16.（）SI制中gc等於（A）32.174（B）9.8（C）1（D）0。
17.（）流體再圓管中流動時，流速愈快時，則摩擦因數會（A）愈大（B）愈小（C）變小又變大（D）一定。
18.（）皮托管中，外管所測為（A）動壓（B）靜壓（C）先靜壓後動壓（D）先動壓後靜壓。
19.（）浮子流量計使用時，若浮子位置昇高時，將會有下列何種情況？
（A）流量變小（B）流體通過管子與浮子間的空隙變小（C）流速減慢（D）環狀截面積變大。
20.（）文氏管又稱（A）細腰管（B）流管（C）噴嘴管（D肘管
21.（）相對粗糙度應表示為（A）e（B）eD（C）eR（D）eL（E）eD2。
22.（）若水（Ub=0.52m/s）流過閘閥（內徑D=29㎜），f=0.01，－ΔPρ=0.177J/㎏，則閘閥得相當長度（Leq）=（A）2.3m（B）0.95m（C）3.0m（D）以上皆非。
23.（）孔口板流量計的流量與流量計兩端的壓力差（A）成正比（B）平方成正比（C）平方根成正比（D）無關。
24.（）下列何者為單向閥之代表符號?
（A）——（B）——（C）——
（D）——。
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