流體流動阻力地測定

1、實(shí)用文檔標(biāo)準(zhǔn)文案實(shí)驗(yàn)名稱：流體流動阻力的測定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募叭蝿?wù):1.掌握測定流體流動阻力實(shí)驗(yàn)的一般方法。2.測定直管的摩擦阻力系數(shù)及突然擴(kuò)大管的局部阻力系數(shù)。3.驗(yàn)證湍流區(qū)內(nèi)摩擦阻力系數(shù)為雷諾數(shù)和相對粗糙度的函數(shù)。4.將所得光滑管的方程與Blasius方程相比較。流體輸送的管路由直管和閥門、彎頭、流量計(jì)等部件組成。由于粘性和渦流作用，流 體在輸送過程中會有機(jī)械能損失。這些能量損失包括流體流經(jīng)直管時(shí)的直管阻力和流經(jīng)管 道部件時(shí)的局部阻力，統(tǒng)稱為流體流動阻力。1.根據(jù)機(jī)械能衡算方程，測量不可壓縮流體直管或局部的阻力? ? ? ?= (?+刁+ -) - (?+刁+ -) + ?如果管道無變徑，沒有

2、外加能量，無論水平或傾斜放置，上式可簡化為：p為截面1到2之間直管段的虛擬壓強(qiáng)差，即單位體積流體的總勢能差，通過壓差傳感器直接測量得到。2.流體流動阻力與流體性質(zhì)、流道的幾何尺寸以及流動狀態(tài)有關(guān)，可表示為:?= ?(?*?)由量綱分析可以得到四個無量綱數(shù)群：歐拉數(shù)Eu = ?/?雷諾數(shù)? ?/?相對粗糙度/d和長徑比？?/?從而有? ?=?( ? ,???？?= ?(?/?)可得摩擦系數(shù)與阻力損失之間的關(guān)系:? ? ?*?= ? X?？2從而得到實(shí)驗(yàn)中摩擦系數(shù)的計(jì)算式2?當(dāng)流體在管徑為d的圓形管中流動時(shí)，選取兩個截面，用壓差傳感器測出兩個截面的 靜壓差，即可求出流體的流動阻力。根據(jù)伯努利方程摩擦

3、系數(shù)與靜壓差的關(guān)系，可以求出實(shí)驗(yàn)原理:?- ? ? ?加=齊?實(shí)用文檔標(biāo)準(zhǔn)文案摩擦系數(shù)。改變流速可測得不同Re下的入，可以求出某一相對粗糙度下的入-Re關(guān)系。在湍流區(qū)內(nèi)摩擦系數(shù)？?= ?（?/?,）對于光滑管（水力學(xué)光滑），大量實(shí)驗(yàn)證明，Re在103105氛圍內(nèi)，入與Re的關(guān)系遵循Blasius關(guān)系式，即? 0.3163/?平5對于粗糙管，入與Re的關(guān)系以圖來表示。3.對局部阻力，可用局部阻力系數(shù)法表示：?= ?-2對于擴(kuò)大和縮小的直管，式中的流速按照細(xì)管的流速來計(jì)算。對一段突然擴(kuò)大的圓直管，局部阻力遠(yuǎn)大于其直管阻力。由忽略直管阻力時(shí)的伯努利 方程? ? ? ? ?= ?2 =（刁+ y）-（

4、厲+ y）可以得到局部阻力系數(shù)的計(jì)算式：?+2?/?= 1 L?式中，?、?分別為細(xì)管和粗管中的平均流速，？?為2,1截面的壓差。2突然擴(kuò)大管的理論計(jì)算式為：Z=（1 - ?/?2）,?、？分別為細(xì)管和粗管的流通截面積。三、 實(shí)驗(yàn)流程：本實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，管道水平安裝，水循環(huán)使用，其中管5為不銹鋼管，測壓點(diǎn)之間距1.50m，內(nèi)徑21.0mm；管6為鍍鋅鋼管，測壓點(diǎn)間距離1.50m,內(nèi)徑22.5mm;管7為突然擴(kuò)大管，由16.0mm擴(kuò)大至42.0mmo各測量元件由測壓口與壓差傳感器相連，通過 管口的球閥切換被測管路，系統(tǒng)流量由渦輪流量計(jì)3調(diào)節(jié)，離心泵的功率由變頻器通過改變輸入頻率控制轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)

5、控制。四、 實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)：1.開泵：在關(guān)閉所有閥門的情況下，打開電源，啟動變頻器至50Hz,固定轉(zhuǎn)速，觀察泵出口壓力穩(wěn)定后，即可進(jìn)行排氣。2.排氣：在對某一管路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，排盡設(shè)備主管和該管路及對應(yīng)測壓管路內(nèi)的空 氣，每切換管路都要排一次氣。關(guān)閉其他控制閥，打開對應(yīng)管路的控制閥、測壓閥和排氣閥，在50Hz下，調(diào)節(jié)流量至1-2 ?3/?，待2min以上，壓差傳感器示數(shù)穩(wěn)定后，關(guān)閉排氣 閥和流量調(diào)節(jié)閥，在流量為0下觀察壓差傳感器示數(shù)是否為0,若有較大偏差則氣未排盡，若偏差較小且穩(wěn)定則記錄初始偏差值。3.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測?。捍_定排氣完畢且其余管路切換閥和測壓閥關(guān)閉后，調(diào)節(jié)變頻器至25Hz左右。對于直管阻

6、力，按照流量由大到小的順序，測取10組數(shù)據(jù)，控制壓差在實(shí)用文檔標(biāo)準(zhǔn)文案3.70.7kpa之間。對于突然擴(kuò)大管的阻力，可測取3組數(shù)據(jù)。測取數(shù)據(jù)時(shí)，每個數(shù)據(jù)點(diǎn)取值應(yīng)等待2min以上且壓差和流量穩(wěn)定為某值或在很小范圍內(nèi)波動。波動時(shí)可取其中點(diǎn)。圖1流體阻力試驗(yàn)流程圖水箱；2矚心泵；3-渦輪流量計(jì)；d 主管路切換閥（球閥）乩不銹鋼宦；&鍍鋅鋼管；7-突然擴(kuò)大管；8-流量謁節(jié)閥（閘潟）；9變頻器五、原始數(shù)據(jù)及處理：1.原始數(shù)據(jù)記錄水的物理性質(zhì)：3測定光滑管時(shí)，25C下，p=996.95kg/m，卩=0.8973mPa/s測定粗糙管及突然擴(kuò)大管時(shí)，26.5C下，p=996.58g/m3,卩=0.86

7、41mPa/s（1）光滑管和粗糙管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)用文檔標(biāo)準(zhǔn)文案光滑管數(shù)據(jù)：不銹鋼管，l=1.500m,d=21.0mm0.02mm,零點(diǎn)誤差po=-O.O4kPa。粗糙管數(shù)據(jù)：鍍鋅鋼管，l=1.500m,d=22.5mm,0.2mm,零點(diǎn)誤差p=-0.06kPa。實(shí)用文檔4標(biāo)準(zhǔn)文案表1光滑管和粗糙管原始數(shù)據(jù)記錄表骨口. 序號光滑管流量 /(m3*h1) 壓差 /(kPa)粗糙管流量 /(m3*h-1)壓差 /(kPa)13.697.143.696.6123.345.993.365.5633.15.23.064.6542.74.022.753.7552.453.392.443.0262.082.52

8、.022.1371.711.751.731.681.361.141.371.0591.030.71.010.59100.690.320.690.3(2)突然擴(kuò)大局部阻力系數(shù)測定數(shù)據(jù)突擴(kuò)管：d1=16.0mm,d2-42.0mm,初始誤差p0-0.04kPa。表2突然擴(kuò)大局部阻力系數(shù)數(shù)據(jù)記錄表骨口. 序號流量 /(m3*h-1)壓差/(kPa)13.573.1622.511.5431.460.492.數(shù)據(jù)處理13.692.967.18690340.023030.0195123.342.686.03624860.023600.0200133.12.495.24579960.023810.02038

9、42.72.174.06505130.024320.0211052.451.963.43458360.024950.0216262.081.672.54389130.025640.0225271.711.371.79319910.026730.0236581.361.091.18254430.027860.0250Re入入b序號流量/(m3*h-1)流速/(m*s-1)表3光滑管數(shù)據(jù)處理表實(shí)際壓差/(kPa)實(shí)用文檔7標(biāo)準(zhǔn)文案0.026891.030.830.74192700.030465100.690.550.36129090.033020.0296其中，入b項(xiàng)為根據(jù)Blasius公式計(jì)算的

10、理論摩擦系數(shù)值。直管阻力系數(shù)的計(jì)算示例: 由表3中第1組數(shù)據(jù)為例,4X3.6913.14X(21.0X10-3)2%3600 ?=2.96?/?=竺?(21.0 X10-3) X 2叮96.95=69034?0.8973X10-32? 2X18X103)X(21.0X10-3)?996.95X2.962X1.50.31630.3163?=習(xí)?跖=69034025=0.01951表4粗糙管數(shù)據(jù)處理表骨口. 序號流量 /(m3*h-1)流速 /(m*s-1)實(shí)際壓差/(kPa)Re入13.692.586.67668960.0302123.362.355.62609130.0307033.062.1

11、44.71554740.0310242.751.923.81498540.0310752.441.703.08442340.0319162.021.412.19366200.0331071.731.211.66313630.0342181.370.961.11248370.0364891.010.710.65183100.03930100.690.480.36125090.04664?4?= ?=0.02303實(shí)用文檔標(biāo)準(zhǔn)文案光滑咎*BlasiHE理論値*超耘管圖2光滑管和粗糙管的入-Re關(guān)系曲線曲線分析：(a)光滑管和粗糙管的摩擦系數(shù)均隨Re的增大而減小，且隨著Re的增大，摩擦系數(shù)減小的趨勢

12、趨緩。(b)在同一Re下，相對粗糙度更高的粗糙管比光滑管的摩擦系數(shù)更大，說明&/d越大,摩擦系數(shù)越大。(c)在同一Re下，光滑管的摩擦系數(shù)大于水力學(xué)光滑摩擦系數(shù)的理論值，說明實(shí)驗(yàn)用的光滑管和理論光滑有一定差距。表5突然擴(kuò)大管數(shù)據(jù)處理表骨口.序號流量 /(m3*h-1)壓差/(kPa)細(xì)管流速/(m*s-1)粗管流速/(m*s-1)Z13.573.204.930.720.714922.511.583.470.500.715231.460.532.020.290.7175局部阻力的計(jì)算示例：以表5中第1組數(shù)據(jù)為例，?4?4X3.571?=一=2=乙2X?/?=4.93?/?1?3.14X(

13、16.0X10-3)23600?4?4X3.571? =5 =-O2X?/?=0.72?/?0(M5D.C25O O1 521.533 S 4 4 5 5 5 505Rfixio*實(shí)用文檔標(biāo)準(zhǔn)文案?2? 3.14X(42.0X10-3)23600實(shí)用文檔標(biāo)準(zhǔn)文案?= = 0.71593相對偏差測量值與理論值基本符合，但存在一定誤差。五、結(jié)果討論分析1.本次曲線擬合的相對大小比較準(zhǔn)確，但是其中表現(xiàn)的趨勢不明顯，并未得到隨著雷諾數(shù)增大，摩擦系數(shù)趨近于某一值的結(jié)論?？赡苁菧y定的摩擦系數(shù)和雷諾數(shù)范圍較小，如果增大測定的雷諾數(shù)上限，即在更高的流速下做實(shí)驗(yàn)，可以看到更好的趨勢。2.測定的局部阻力系數(shù)和理論

14、值接近，說明實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好。 實(shí)驗(yàn)值低于理論值，可能是實(shí)驗(yàn)設(shè)備本身存在損耗，細(xì)管在高流量下腐蝕變粗的結(jié)果?？梢钥吹诫S著流量增大有上升趨勢，而的三次結(jié)果的差值應(yīng)該是被忽略的直管阻力的影響，因而隨著流量增大，表觀的局部阻力系數(shù)應(yīng)該增大而不是減小，可能是實(shí)驗(yàn)記錄和計(jì)算舍入的影響。六、思考題1.在不同設(shè)備（包括相對粗糙度相同而管徑不同）、不同溫度下測定的入-Re數(shù)據(jù)能否關(guān)聯(lián)在一條曲線上？答：僅在相對粗糙度不同時(shí)可以。由？?= ?（?/?知，摩擦系數(shù)是雷諾數(shù)和相對粗糙度的函數(shù)，當(dāng)相對粗糙度不變時(shí)， 可以關(guān)聯(lián)出一條摩擦系數(shù)和雷諾數(shù)的曲線，而相對粗糙度與溫度無關(guān)。因此，當(dāng)且僅當(dāng)相對保持粗糙度不變時(shí)，不同設(shè)備，不同溫度的入-Re數(shù)據(jù)能關(guān)聯(lián)在一條曲線上。2.以水為工作流體所測得的入-Re關(guān)系能否適用于其他種類的牛頓性流體？為什么？答：可以。由？?= ?（?/?知，摩擦系數(shù)是雷諾數(shù)和相對粗糙度的函數(shù)，當(dāng)保持相對 粗糙度不變時(shí)，流體性質(zhì)對入-Re關(guān)系不產(chǎn)生影響，可以適用于所有流體。3.測出的直管摩擦阻力與設(shè)備的放置狀態(tài)有關(guān)系嗎？為什么？（管徑、管長一樣，且R=R=R，見圖3）答：沒有關(guān)系。因?yàn)橛?jì)算中的壓差值實(shí)際上是總勢能差，可以通過壓差傳感器直接測得。本實(shí)驗(yàn)中因?yàn)楣艿浪椒胖?，?/p>