實(shí)驗(yàn)3---管路流體阻力的測定.doc

.實(shí)驗(yàn)三 管路流體阻力的測定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?流體流動時的能量損耗（壓頭損失），主要由于管路系統(tǒng)中存在著各種阻力。管路中的各種阻力可分為沿程阻力（直管阻力）和局部阻力兩大類。 本實(shí)驗(yàn)的目的，是以實(shí)驗(yàn)方法直接測定摩擦系數(shù)和局部阻力系數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)原理 當(dāng)不可壓縮流體在圓形導(dǎo)管中流動時，在管路系統(tǒng)內(nèi)任意二截面之間，機(jī)械能衡算方程為： Jkg-1（1）或 m液柱（2）式中，hf 單位質(zhì)量流體因流體阻力所造成的能量損失，Jkg-1； Hf 單位重量流體因流體阻力所造成的能量損失，即壓頭損失，m 液柱。 若：（1）水作為試驗(yàn)物系，則水可視為不可壓縮流體； （2）試驗(yàn)導(dǎo)管水平裝置，則Z1=Z2； （3）試驗(yàn)導(dǎo)管的上下游截面的橫截面積相同，則u1=u2。因此（1）和（2）兩式分別可簡化為： Jkg-1（3） m水柱（4）由此可見，因阻力造成的能量損失（壓頭損失），可由管路系統(tǒng)的兩截面之間的壓力差（壓頭差）來測定。 當(dāng)流體在圓形直管內(nèi)流動時，流體因摩擦阻力所造成的能量損失（壓頭損失），有如下一般關(guān)系式： Jkg-1（4）或 m水柱（5）式中；d 圓形直管的管徑，m；l 圓形直管的長度，m； 摩擦系數(shù)，無因次。 大量實(shí)驗(yàn)研究表明，摩擦系數(shù)又與流體的密度、粘度、管徑d、流速u和管壁粗糙度有關(guān)。用因次分析的方法，可以得摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)、管壁相對粗糙度/d存在函數(shù)關(guān)系，即 （7） 通過實(shí)驗(yàn)測得和Re數(shù)據(jù)，可以在雙對數(shù)坐標(biāo)上標(biāo)繪出實(shí)驗(yàn)曲線。當(dāng)Re2000時，摩擦系數(shù)與管壁粗糙度無關(guān)。當(dāng)流體在直管中呈湍流時，不僅與雷諾數(shù)有關(guān)，而且與管壁相對粗糙度有關(guān)。 當(dāng)流體流過管路系統(tǒng)時，因遇各種管件、閥門和測量儀表等而產(chǎn)生局部阻力，所造成的能量損失（壓頭損失），有如下一般關(guān)系式： Jkg-1（8）或 m液柱（9）式中，u 連接管件直管中流體的平均流速，m s-1； 局部阻力系數(shù)無因次。 由于造成局部阻力的原因和條件極為復(fù)雜，各種局部阻力系數(shù)的具體數(shù)值，都需要通過實(shí)驗(yàn)直接測定。三、實(shí)驗(yàn)裝置 本實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，主要是由循環(huán)水系統(tǒng)（或高位穩(wěn)壓水槽）、試驗(yàn)管路系統(tǒng)和高位排氣水槽串聯(lián)組合而成，每條測試管的測壓口通過轉(zhuǎn)換閥組與壓差計(jì)連通。壓差由一倒置U形水柱壓差計(jì)顯示?？装辶髁坑?jì)的讀數(shù)由另一倒置U形水柱壓差計(jì)顯示。 圖1 管路流體阻力實(shí)驗(yàn)裝置流程1、循環(huán)水泵；2、光滑試驗(yàn)管；3、粗糙試驗(yàn)管；4、擴(kuò)大與縮小試驗(yàn)管；5、孔板流量計(jì)；6、閥門；7、轉(zhuǎn)換閥組；8、高位排氣水槽。試驗(yàn)管路系統(tǒng)是由五條玻璃直管平行排列，經(jīng)U形彎管串聯(lián)連接而成。每條直管上分別配置光滑管、粗糙管、驟然擴(kuò)大與縮小管、閥門和孔板流量計(jì)。每根試驗(yàn)管測試段長度，即兩測壓口距離均為0.6m。流程圖中標(biāo)出符號 G和 D分別表示上游測壓口（高壓側(cè)）和下游測壓口 （低壓側(cè)）。測壓口位置的配置，以保證上游測壓口距U形彎管接口的距離，以及下游測壓口距造成局部阻力處的距離，均大于50倍管徑。 作為試驗(yàn)用水，用循環(huán)水泵或直接用自來水由循環(huán)水槽送入試驗(yàn)管路系統(tǒng)，由下而上依次流經(jīng)各種流體阻力試驗(yàn)管，最后流入高位排氣水槽。由高位排氣水槽溢流出來的水，返回循環(huán)水槽。 水在試驗(yàn)管路中的流速，通過調(diào)節(jié)閥加以調(diào)節(jié)。流量由試驗(yàn)管路中的孔板流量計(jì)測量，并由壓差計(jì)顯示讀數(shù)。四、實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備工作： （1）先將水灌滿循環(huán)水槽，然后關(guān)閉試驗(yàn)導(dǎo)管入口的調(diào)節(jié)閥，再啟動循環(huán)水泵。待泵運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，先將試驗(yàn)導(dǎo)管中的旋塞閥全部打開，并關(guān)閉轉(zhuǎn)換閥組中的全部旋塞，然后緩慢開啟試驗(yàn)導(dǎo)管的入口調(diào)節(jié)閥。當(dāng)水流滿整個試驗(yàn)導(dǎo)管，并在高位排氣水槽中有溢流水排出時，關(guān)閉調(diào)節(jié)閥，停泵。（2）檢查循環(huán)水槽中的水位，一般需要再補(bǔ)充些水，防止水面低于泵吸入口。（3）逐一檢查并排除試驗(yàn)導(dǎo)管和聯(lián)接管線中可能存在的空氣泡。排除空氣泡的方法是，先將轉(zhuǎn)換閥組中被檢一組測壓口旋塞打開，然后打開倒置U形水柱壓差計(jì)頂部的放空閥，直至排盡空氣泡再關(guān)閉放空閥。必要時可在流體流動狀態(tài)下，按上述方法排除空氣泡。（4）調(diào)節(jié)倒置U形壓差計(jì)的水柱高度。先將轉(zhuǎn)換閥組上的旋塞全部關(guān)閉，然后打開壓差計(jì)頂部放空閥，再緩慢開啟轉(zhuǎn)換閥組中的放空閥，這時壓差計(jì)中液面徐徐下降。當(dāng)壓差計(jì)中的水柱高度居于標(biāo)尺中間部位時，關(guān)閉轉(zhuǎn)換閥組中的放空閥。為了便于觀察，在臨實(shí)驗(yàn)前，可由壓差計(jì)項(xiàng)部的放空處，滴入幾滴紅墨水，將壓差計(jì)水柱染紅。（5）在高位排氣水槽中懸掛一支溫度計(jì)，用以測量水的溫度。（6）實(shí)驗(yàn)前需對孔板流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，作出流量標(biāo)定曲線。 實(shí)驗(yàn)操作步驟：（1）先檢查試驗(yàn)導(dǎo)管中旋塞是否置于全開位置，其余測壓旋塞和試驗(yàn)系統(tǒng)入口調(diào)節(jié)閥是否全部關(guān)閉。檢查完畢啟動循環(huán)水泵。（2）待泵運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，根據(jù)需要緩慢開啟調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量，流量大小由孔板流量計(jì)的壓差計(jì)顯示。（3）待流量穩(wěn)定后，將轉(zhuǎn)換閥組中，與需要測定管路相連的一組旋塞置于全開位置，這時測壓口與倒置U形水柱壓差計(jì)接通，即可記錄由壓差計(jì)顯示出壓強(qiáng)降。 （4）當(dāng)需改換測試部位時，只需將轉(zhuǎn)換閥組由一組旋塞切換為另一組旋塞。例如，將G1和D1一組旋塞關(guān)閉，打開另一組G2和D2 旋塞。這時，壓差計(jì)與G1和D1測壓口斷開，而與G2和D2測壓口接通，壓差計(jì)顯示讀數(shù)即為第二支測試管的壓強(qiáng)降。以此類推。 （5）改變流量，重復(fù)上述操作，測得各試驗(yàn)導(dǎo)管中不同流速下的壓強(qiáng)降。（6）當(dāng)測定旋塞在同一流量不同開度的流體阻力時，由于旋塞開度變小，流量必然會隨之下降，為了保持流量不變，需將入口調(diào)節(jié)閥作相應(yīng)調(diào)節(jié)。（7）每測定一組流量與壓強(qiáng)降數(shù)據(jù)，同時記錄水的溫度。實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)： （1）實(shí)驗(yàn)前務(wù)必將系統(tǒng)內(nèi)存留的氣泡排除干凈，否則實(shí)驗(yàn)不能達(dá)到預(yù)期效果。（2）若實(shí)驗(yàn)裝置放置不用時，尤其是冬季，應(yīng)將管路系統(tǒng)和水槽內(nèi)水排放干凈。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及整理 1、實(shí)驗(yàn)基本參數(shù) 試驗(yàn)導(dǎo)管的內(nèi)徑 d17 mm 試驗(yàn)導(dǎo)管的測試段長度l600 mm 粗糙管的粗糙度=0.4 mm 粗糙管的相對粗糙度/d=0.0235 孔板流量計(jì)的孔徑d0=11 mm 旋塞的孔徑dv= mm 2、流量標(biāo)定曲線 3、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表1 孔板流量計(jì)的壓差計(jì)讀書記錄表實(shí)驗(yàn)序號1234567孔板流量計(jì)的壓差計(jì)讀數(shù)，R/mmHg水流量的計(jì)算式中，C0為孔板系數(shù)，一般控制C0值在0.60.7之間；d0為孔板流量計(jì)的孔徑，mm。 表2 數(shù)據(jù)記錄表實(shí)驗(yàn)序號1234567孔板流量計(jì)的壓差計(jì)讀數(shù)，R/mmHg水的流量，Vs/m3s-1水的流速，u/ms-1水的溫度，T/水的密度，/kgm-3水的粘度，10-4/Pas光滑管壓頭損失，Hf1/mmH2O粗糙管壓頭損失，Hf2/mmH2O旋塞壓頭損失（全開）Hf1/mmH2O孔板流量計(jì)壓頭損失，Hf2/mmH2O計(jì)算和（1）光滑管： （2）粗糙管： （3）孔板流量計(jì)： （4）旋塞： （4）數(shù)據(jù)整理表3 數(shù)據(jù)整理表實(shí)驗(yàn)序號123456