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文檔簡介
實驗一流體流動阻力的測定
一、實驗目的
1.了解流體流過直管或管件阻力的測定方法。
2.掌握直管摩擦系數人與雷諾數Re之間關系的變化規律。
3.熟悉液柱壓差計和轉子流量計的使用方法。
4.測定流體流過閥門、變徑管件(突然擴大、突然縮小)的局部阻力系數
二、實驗內容
1.測定流體流經直管(不銹鋼管、鍍鋅管)時摩擦系數人與雷諾數Re之間關系。
2.測定全開截止閥、突然擴大及突然縮小的阻力系數
三、基本原理
流體在管路中流動時,由于粘性剪應力和渦流的存在,不可避免地引起流體壓力的損失。流
體在流動時所產生的阻力有直管摩擦阻力(又稱沿程阻力)和管件的局部阻力。這兩種阻力,
一般都是用流體的壓頭損失hf或壓強降(Pf表示。
L直管阻力
直管摩擦阻力hf與摩擦系數\之間關系(范寧公式)如下:
(1—D
-直管阻力損失,
直管長度,
直管內徑,m;
流體平均速度,m/s;
摩擦系數,無因次。
其中摩擦系數人是雷諾數Re和管壁相對粗糙度£/d的函數,即入二f(Rc,£/d)。對一定相對粗
糙度而言,X=f(Re);人隨£/d和Re的變化規律與流體流動的類型有關。層流時,入僅隨Re
變化,即人=f(Re);湍流時,入既隨Re變化又隨相對粗糙度£/d改變,即人=f(Re,£/d)。
據柏努利方程式可知阻力損失hf的計算如下:
22
P1-P2產2
hf=(Zi-Z2)g+一“(1-2)
P2
當流體在等直徑的水平管中流動時,產生的摩擦阻力可由式(1-2)化簡而得:
ht=(1-3)
P
式中(——流體的平均密度,kg/m3;
pi——上游測壓截面的壓強,Pa;
P2——下游測壓截面的壓強,Pa;
(p——兩測壓點之間的壓強差,Pa;
(pf單位體積的流體所損失的機械能,Pao
其中壓強差(p的大小采用液柱壓差計來測量,即在實驗設備上于待測直管的兩端或管件兩
側各安裝一個測壓孔,并使之與壓差計相連,便可測出相應壓差(p的大小。本實驗的工作介
質為水,在一定的管路中流體流動阻力的大小與流體流速密切相關。流速大,產生的阻力
大,相應的壓差大;流速小,阻力損失小,對應的壓差也小。為擴大測量范圍,提高測量的
準確度,小流量下用水一空氣(型壓差計;大流量下用水一水銀U型壓差計。據流體靜力學
原理,對水一空氣(型壓差計,壓差(p為
Ap=(p-p空氣)gAR弋pgAR(1—4)
式中(R——壓差計的讀數,mH20;
g---重力加速度,m/s2;
(空氣——空氣在操作條件下的密度,Kg/m3o
對于水一水銀U型壓差計,有
△p=(pHg—p)gAR(1—5)
式中(Hg——水銀的密度,kg/m3o
其余符號的意義同式(1-4)。
整理(1—1)和(1—3)兩式得:
、2dNp
入=——7—(1—6)
P
而Re=(1—7)
式中——流體的平均粘度,Pa-So
在實驗設備中,管長1與管內徑d已固定,用水進行實驗,若水溫不變,則(與(也是定值。所
以該實驗即為測定直管段的流動阻力引起壓強降(P與流速的關系。流量Vh的測定用轉子流
量計,據管內徑的大小可算出流速u的值。調節一系列的流量就可測定和計算一系列的(與
Re值,在雙對數坐標中繪出一Re關系曲線。
2.局部阻力
局部阻力是由于流體流經管件、閥門及流量計時,因流速的大小和方向都發生了變化,流
體受到干擾和沖擊,渦流現象加劇而造成的。局部阻力通常有兩種表示方法,即當量長度
法和阻力系數法。當量長度法是將流體流過管件或閥門而產生的局部阻力,用相當于流體
流過與其具有相同管徑的若干米長的直管阻力損失來表示,這個直管長度稱為當量長度,
用le表示。其特點是便于管路總阻力的計算。而局部阻力的測定通常采用阻力系數法。
據阻力計算通式
h尸(1—8)
式中一一局部阻力系數,無因次;
u——在小截面管中流體的平均流速,m/so
對于處在水平管路上的管件或閥門亦有式(1—3)這一關系,由此可知
Ap=\pf=phf(1—9)
即兩測壓點間的壓強差△〃等于因流動阻力而引起的壓強降△心
(1)全開的截止閥
式(1—9)中(pf為兩測壓點間的局部阻力與直管阻力之和。由于管件或閥門距測壓孔的直管
長度很短,引起的摩擦阻力與局部阻力相比可以忽略,(pf可近似認為全部由局部阻力損失引
起。
△pf的大小通過測量Ap來獲得。由于全開的截止閥的阻力系數較大??所以Ap采用水一水銀U
型壓差計來測量??原理同式△□—?????由式△□—????和式△□一可????導出:
(1—10)
的大小與管徑、閥門的材料及加工精度有關。
⑵突然擴大與突然縮小
在水平管的兩測壓點間列柏努力方程式
=+hf(1一11)
局部阻力lif—十(1—12)
式中pl——上游測壓截面的壓強,Pa;
p2——下游測壓截面的壓強,Pa;
u1上游側管內流體的流速,m;s;
□2——下游側管內流體的流速,m;1so
由此可見,(pf的大小除了包括局部阻力損失和可忽略的摩擦阻力損失之外,還包括動能和靜
壓能之間能量轉換值。由于突然獷大與突然縮小阻力系數W1,(p可由水一空氣(型壓差計
來測量,而阻力系數(可由式(1—4)、式(1—8)、式(1—12)聯立求得。特別注意(p與動能變化
的正負值。同樣調節一系列的流量,可獲取相應的阻力系數(值。
四、實驗裝置與流程
1.實驗流程
實驗裝置流程如圖所示。水由離心泵從循環水槽中抽出,經兩個并聯的轉子流量計計量后
通過閥門控制流體流經不同的管路系統,最后流回水槽循環使用。管路系統中兩根不同材
料的直管用于測定直管阻力、第三根用于測定截止閥、突然擴大與突然縮小的局部阻力。
2.測壓系統
測壓系統采用U型、(型兩類壓差計。本裝置有三套水一水銀U型壓差計,四套水一空氣(型
壓差計,根據流量大小選用不同的壓差計來測量管件的壓力降。所有壓差計在使用前都需
進行排氣操作。
3.流量測量
大流量,用大轉子流量計(LZB-80)測量;小流量,用小轉子流量計(LZB-40)測量。
4.主要設備尺寸
(1)DN25鍍鋅管:d內=27.5mm,l=3.5m;
(2)DN25不銹鋼管:d內=27.5mm,l=3.5m;
(3)DN25不銹鋼截止閥;
(4)d1=27.5mm,d2=52.5mm的突然擴大;dl=52.5mm,d2=27.5mm的突然縮小,材質均為不銹
鋼。
⑸1ST托架式單極單吸離心泵,規格:IST65-50-125;
(6)不銹鋼水槽:長1200mm(寬600mm(高800mm。
五、實驗步驟
1.熟悉實驗裝置,了解各閥門、旋塞的作用。
2.檢查水槽是否充滿水,給水槽注水。
3.關閉離心泵的出口閥,防止因啟動電流太大而損壞電動機。同時關閉應該關閉的閥門,
以防液體滲漏,影響流量和壓強的測量。
4.檢查泵軸、葉輪是否轉動。若轉動靈活,接通電源,打開開關,啟動離心泵。
5.排氣
(1)管路排氣。在大流量下,使管內呈單相穩定流動,
測壓導管排氣。對待測管路上的壓差計的引壓管依次排氣:在大流量下,打開U型壓差計上
端的放氣旋塞,排除引壓管內的氣泡;(型壓差計的排氣,將其上端的放氣旋塞打開,直至
連續出水為止,之后調整其液位為滿刻度的1/2高度。
檢查排氣是否完善。將水量開大后,再關閉離心泵的出口閥,觀察壓差計兩端的液位是否
平齊。若不平齊,繼續排氣操作。注意(型壓差計的流量不得超過6m3/h。
流體流動阻力實驗裝置流程圖
1.離心泵2.泵開關3.泵出口調節閥4.球閥5.轉子流量計6.光滑管7.粗糙管
&突然擴大9.突然縮小10.截止閥11.水槽12.壓差計面板13.U型壓差計14.(型壓差計
6.數據測量
⑴測量阻力的順序依次為光滑管、粗糙管、局部阻力(閥門、突然擴大、突然縮小同時測
量),實驗數據記錄在原始數據表中。
⑵直管阻力
⑶用離心泵的出口閥來調節流量作實驗。調節一個閥門開度,須經一定時間穩定后,記錄
一個流量,同時記錄壓差計的讀數。實驗從最小流量到最大流量依次測取12?15組數據。
為盡可能使實驗數據在對數坐標中分布均勻,用小流量計測取5?6組數據,用大流量計測
取7?9組數據。
(4)局部阻力
7.局部阻力的測定與直管阻力的測定步驟相同。在2.0m3/h?6.0m3/h之間,按從小到大的
順序依次測5組數據。
實驗結
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