化工原理、流体流动阻力测定实验资料

流体流动阻力测定的实验

一、实验目的及任务

1．学习直管摩擦阻力ΔΡƒ、直管摩擦系数λ的测定方法。

2．掌握直管摩擦系数λ与雷诺数Re和相对粗糙度之间的关系及其变化规律。 3．掌握局部摩擦阻力ΔΡƒ、局部阻力系数ζ的测定方法。

4．学习压强差的几种测量方法和提高其测量精确度的一些技巧。

二、基本原理

流体在管路中流动时，由于黏性剪应力和涡流的存在，不可避免地会引起流体压力损耗。这种损耗包括流体在流动时所产生的直管阻力损失和局部阻力损失。

1.直管阻力损失

流体流过直管时的摩擦系数与阻力损失之间的关系可用下式表示

式中 d管径，m； l管长，m； u流速，m / s； 摩擦系数。

在一定的流速下，测出阻力损失，按下式即可求出摩擦系数

lu2hfd2 （1-1）

d2hf2lu阻力损失hf可通过对两截面间作机械能衡算求出

hf(z1z2)g （1-2）

p1p2u1u2 （1-3） 2对于水平等径直管，z1=z2，u1=u2，上式可简化为

hf式中 p1-p2—两截面的压强差，Pa； 流体的密度，kg/m3 pf两截面的压强差，Pa。

由式（1-4）可知，对于水平等径直管只要测出两截面上静压强的差即可算出hf。两截面上静压强的差可用压差计测出。流速由流量计测得，在已知管径d和平均流速u 的情况下，只需测出流体的温度t，查出该流体的密度ρ和黏度μ，则可求出雷诺数Re，从而得出流体流过直管的摩擦系数λ与雷诺数Re的关系。

2.局部阻力损失

p1p2pf （1-4）

阀门、突然扩大、突然缩小、弯头、三通等管件的局部阻力系数可用下式计算

hf(三、实验装置流程和主要设备

2)2 （1-5） u1.实验装置流程 流体流动阻力实验流程如图1-1所示。

图1-1 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；

2. 被测光滑直管段： 管径d—0.008m； 管长L—1.69m； 材料—不锈钢管

被测粗糙直管段： 管径 d—0.010m； 管长L—1.69m； 材料—不锈钢管 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: 200 KPa 4．直流数字电压表:

型号: PZ139 测量范围: 0 ～ 200 KPa 5．离心泵:

型号: WB70/055 流量: 8(m／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—40 100～1000(L／h) 1.5 LZB—10 10～100(L／h) 2.5

3

四、实验方法及步骤

1. 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) 2. 直流数字表的使用方法请详细阅读使用说明书。

3. 大流量状态下的压差测量系统，应先接电预热10～15分钟，调好数字表的零点，然后启动泵进行实验。

4.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全开。 ⑵ 在流量为零条件下，打开光滑管测压进水阀19和回水阀9，旋开倒置U型管进水阀11，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。

操作方法如下：

开大流量，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，将流量阀关闭；慢慢旋开倒置U型管上部的放空阀21，打开阀3、4，使液柱降至零点上下时马上关闭，管内形成气-水柱，此时管内液柱高度差应为零。然后关闭放空阀21。

图1-2 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

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。应在最大流量和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。 5. 粗糙管阻力测定

（1）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。

（2） 从小流量到最大流量，一般测取15~20组数据。 （3） 直管段的压差用差压变送器测量。

光滑管和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。 6．局部阻力测定

关闭阀门17和18，全开或半开阀门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。 7．测取水箱水温。

8．待数据测量完毕，关闭流量调节阀，停泵。

五、使用实验设备应注意的事项

⒈ 直流数字表操作方法请仔细阅读说明书后,方可使用。

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和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。

六、实验预习

1.预习流体流动中的守恒原理。

2.预习流体流动时产生阻力的损失的原因，掌握直管阻力损失和局部阻力损失的研究方法及计算方法。

3.熟悉实验装置的流程、设备、仪表和操作方法，确定需查找的各种参数和需测定的各种参数，熟悉相关参数的测取方法和手段。 七、实验报告要求

1.在双对数坐标纸上绘制出湍流时Red关系曲线。

2.在双对数坐标纸上绘出层流时Re关系曲线。 3.计算局部阻力系数。

4.将光滑管的Re关系与Blasius公式进行比较。

5.实验报告中的数据处理要有计算过程示例。 6.对实验现象和实验结果进行分析讨论。 八、思考题

1.为什么在对某一管路或管件测量时，其余各水路必须切断？ 2.本实验中使用了哪些测定压强差的方法？它们各有什么特点？ 3.在测量前为什么要将设备中的空气排尽？怎样才能迅速地排净？

4.在不同设备（包括相对粗糙度相同而管径不同）、不同温度下测定的Re数据能否关联在一条曲线上？

附： 实验数据的计算及实验数据记录表

⑴ 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和相对粗糙度的函数，即f(Re,/d)，对一定的相对粗糙度而言，f(Re)。

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：

hfP1P2Pf （1-5）

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）

hf整理（1）（2）两式得

Pflu2 （1-6）

d22dPf2 （1-7） ludu （1-8）

 Re式中：d管径，m ；

 Pf直管阻力引起的压强降，Pa； l管长，m； u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和管径d都已固定。若水温一定，则水的密度ρ和粘度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△Pf与流速u（流量V）之间的关系。 根据实验数据和式（1-7）可计算出不同流速下的直管摩擦系数λ，用式（1-8）计算对应的Re，从而整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系，绘出λ与Re的关系曲线。

⑵ 局部阻力系数的测定

hfP'fu2 （1-9） 22P'f u2 （1-10）

式中：局部阻力系数，无因次； Pf'局部阻力引起的压强降，Pa；

h'f局部阻力引起的能量损失，J／kg。

图1-3 局部阻力测量取压口布置图

局部阻力引起的压强降Pf' 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’和b-b＇，见图3，使

ab＝bc ； a＇b＇＝b＇c＇ 则 △Pf，a b ＝△Pf，bc ； △Pf，a＇b＇= △Pf，b＇c＇ 在a~a＇之间列柏努利方程式： Pa－Pa＇ =2△Pf，a b+2△Pf，a＇b＇+△P

＇

f （1-11）

在b~b＇之间列柏努利方程式： Pb－Pb＇ = △Pf，bc+△Pf，b＇c＇+△Pf

= △Pf，a b+△Pf，a＇b＇+△Pf （1-12） 联立式（1-11）和（1-12），则：

Pf'＝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。

＇

＇

（3）实验数据记录表

表一、直管阻力实验数据表 光滑直管内径8.0mm、管长1.69米

t= μ＝ ρ＝ R Q ΔPu Re λ （L/h） （KPa） （mmH2O） （Pa） （m/s） 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

表二、直管阻力实验数据表 粗糙直管内径10.0mm、管长1.69米

t= μ＝ ρ＝ R u QΔPRe λ （L/h） （KPa） （mmH2O） （Pa） （m/s） 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

序实验条件 号 1 2 3 4 5 6

表三、局部阻力实验数据表 近端压差 远端压差 Q u （L/h） （KPa） （KPa） （m/s） 局部阻力压差 阻力系数ζ （KPa）