流体流动阻力实验.docx
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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与技巧；
5、掌握坐标系的选用方法与对数坐标系的使用方法。
二、实验原理
1．直管摩擦系数与雷诺数Re的测定
直管的摩擦阻力系数是雷诺数与相对粗糙度的函数，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，N·s/m2。
在实验装置中，直管段管长l与管径d都已固定。
若水温一定，则水的密度ρ与粘度μ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，根据实验数据与式（3）可计算出不同流速下的直管摩擦系数λ；用式（4）计算对应的Re，从而整理出直管摩擦系数与雷诺数的关系，绘出λ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，J／kg。
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’与b-b＇，见图3，使
ab＝bc；a＇b＇＝b＇c＇
则△Pf，ab＝△Pf，bc；△Pf，a＇b＇=△Pf，b＇c＇
在a~a＇之间列柏努利方程式：
Pa－Pa＇=2△Pf，ab+2△Pf，a＇b＇+△P＇f（7）
在b~b＇之间列柏努利方程式：
Pb－Pb＇=△Pf，bc+△Pf，b＇c＇+△P＇f
=△Pf，ab+△Pf，a＇b＇+△P＇f（8）
联立式（7）与（8），则：
＝2（Pb－Pb＇）－（Pa－Pa＇）
为了实验方便，称（Pb－Pb＇）为近点压差，称（Pa－Pa＇）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d—0.008m；管长L—1.698m；材料—不锈钢管
被测粗糙直管段：
管径d—0.010m；管长L—1.698m；材料—不锈钢管
（2）被测局部阻力直管段:
管径d—0.015m；管长L—1.2m；材料—不锈钢管
（3）压力传感器:
型号:
LXWY测量范围:
200KPa
（4）直流数字电压表:
型号:
PZ139测量范围:
0～200KPa
（5）离心泵:
型号:
WB70/055流量:
8（m3／h）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
LZB—40100～1000（L／h）1.5
LZB—1010～100（L／h）2.5
（7）涡轮流量计：
型号：
LWY-15测量范围：
0～6m3/h
2.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
⒈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）
⒉直流数字表的使用方法请详细阅读使用说明书。
⒊大流量状态下的压差测量系统，应先接电预热10～15分钟，纪录数字表的初始值，然后启动泵进行实验。
⒋光滑管阻力测定：
⑴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。
⑵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。
⑶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。
⑷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。
应在最大流量与最小流量之间进行实验，一般测取15～20组数据。
建议当流量小于300L／h时,只用倒置∪型管来测量压差。
⒌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。
⑵从小流量到最大流量，一般测取15~20组数据。
⑶直管段的压差用差压变送器测量。
光滑管与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。
⒋局部阻力测定
关闭阀门17与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。
⒌测取水箱水温。
⒍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
⒈压力与温度的数值由数字仪表直接读取，记好初始值就可。
⒉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。
⒊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。
⒋在实验过程中每调节一个流量之后应待流量与直管压降的数据稳定以后方可记录数据。
⒌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：
26.40C粘度：
0.0008825Pa·s（N.s/m2）密度：
996.7kg/m3
序
号
流量
Q（L.h-1）
R
压降
△P（KPa）
流速
u（m.s-1）
Re
λ
KPa
mmH2O
1
10
32.6
32.3
0.00294
0.0553
499.5599
0.009092
2
15
32.8
32.2
0.00588
0.0829
749.3399
0.008082
3
20
33
32.3
0.00686
0.1106
999.1199
0.005304
4
25
33.3
32.3
0.0098
0.1382
1248.8998
0.004849
5
30
33.4
32.1
0.01274
0.1659
1498.6798
0.004378
6
40
34
31.6
0.02352
0.2212
1998.2397
0.004546
7
50
34.7
31
0.03626
0.2765
2497.7997
0.004485
8
60
35.5
30.2
0.05194
0.3317
2997.3596
0.004462
9
70
36
29.9
0.05978
0.3870
3496.9195
0.003773
10
80
37.2
28.8
0.08232
0.4423
3996.4795
0.003978
11
90
37.7
28.3
0.09212
0.4976
4496.0394
0.003517
12
100
39.8
26.5
0.13034
0.5529
4995.5993
0.004031
13
150
42.6
23.6
0.1862
0.8294
7493.3990
0.002559
14
200
51.5
15.5
0.3528
1.1058
9991.1987
0.002728
15
300
7.7
1.6587
14986.7980
0.026459
16
400
13.7
2.2116
19982.3974
0.026480
17
500
21.0
2.7645
24977.9967
0.025978
18
600
29.2
3.3174
29973.5960
0.025084
19
700
38.7
3.8703
34969.1954
0.024425
20
800
49.5
4.4232
39964.7947
0.023919
21
900
63.4
4.9761
44960.3941
0.024206
22
1000
77.7
5.5290
49955.9934
0.024029
表2直管阻力实验数据表（粗糙管）
温度：
28.60C粘度：
0.000842Pa·s（N.s/m2）密度：
996.2kg/m3
序
号
流量
Q（L.h-1）
R
压降
△P（KPa）
流速
u（m.s-1）
Re
λ
KPa
mmH2O
1
10
33.8
32.0
0.01764
0.0354
418.6608
0.1666
2
15
34.5
31.5
0.0294
0.0531
627.9912
0.1234
3
20
35.3
30.8
0.0441
0.0708
837.3216
0.1041
4
25
36.2
30.1
0.05978
0.0885
1046.6520
0.0903
5
30
37.2
29.2
0.0784
0.1062
1255.9824
0.0823
6
40
39.6
26.9
0.12446
0.1415
1674.6432
0.0735
7
50
42.2
24.5
0.17346
0.1769
2093.3039
0.0655
8
60
45.8
21.4
0.23912
0.2123
2511.9647
0.0627
9
70
46.9
20.4
0.2597
0.2477
2930.6255
0.0500
10
80
52.1
15.9
0.35476
0.2831
3349.2863
0.0523
11
90
3.6
0.3185
3767.9471
0.4197
12
100
5.3
0.3539
4186.6079
0.5005
13
150
7.6
0.5308
6279.9118
0.3189
14
200
13.2
0.7077
8373.2158
0.3116
15
300
27.8
1.0616
12559.8237
0.2917
16
400
47.6
1.4154
16746.4316
0.2809
17
500
72.9
1.7693
20933.0395
0.2753
18
600
101
2.1231
25119.6474
0.2649
19
700
131.9
2.4770
29306.2553
0.2542
表3局部阻力实验数据表（全开）
温度：
29.10C密度：
996.0kg/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
ξ
1
600
0.9
1.2
0.9436
0.6
1.3531
2
650
1.0
1.4
1.0223
0.6
1.1529
3
700
1.2
1.5
1.1009
0.9
1.4912
4
750
1.3
1.8
1.1795
0.8
1.1546
5
800
1.5
2.0
1.2582
1
1.2685
6
850
1.6
2.2
1.3368
1
1.1237
7
900
1.8
2.5
1.4154
1.1
1.1025
8
950
2.1
2.8
1.4941
1.4
1.2594
表4局部阻力实验数据表（半开）
温度：
29.80C密度：
996.0kg/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
ξ
1
600
18.0
18.2
0.9436
17.8
40.1419
2
650
20.9
21.3
1.0223
20.5
39.3919
3
700
24.9
25.3
1.1009
24.5
40.5929
4
750
28.8
29.3
1.1795
28.3
40.8455
5
800
33.0
33.6
1.2582
32.4
41.1003
6
850
37.2
37.8
1.3368
36.6
41.1266
7
900
43.1
43.9
1.4154
42.3
42.3970
8
950
48.2
49.0
1.4941
47.4
42.6394
光滑管与粗糙管的λRe关系曲线
（注：
在粗糙管实验中，14，15组实验数据误差较大，舍去。
）
Re<4×103时为层流，此时的λ随着Re的增大而减小，符合公式λ=64/Re，Re=4×103～1×104时，湍流程度不大，管内的层流，内层较厚，管壁粗糙表面为层流内层覆盖，λ受Re影响大，λ随着Re的增大而减小。
随着Re增大，湍动加剧，层流内层变薄，粗糙度影响明显增加，当Re增大到一定值时，粗糙表面几乎暴露在湍流主体中，λ与Re关系不大，λ—Re曲线趋于水平线。
由于粗糙管的摩擦系数λ比光滑管的小，所以粗糙管的λ—Re曲线较早的趋于水平。
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