流體流動(dòng)阻力的測(cè)定

1、流體流動(dòng)阻力的測(cè)定精TTMSsystemofficeroomTTMS16H-TTMS2A-TTMS8Q8-實(shí)驗(yàn)名稱：流體流動(dòng)阻力的測(cè)定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募叭蝿?wù)：1 .2 .掌握測(cè)定流體流動(dòng)阻力實(shí)驗(yàn)的一般方法。3 .4 .測(cè)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)。5 .6 .驗(yàn)證湍流區(qū)內(nèi)摩擦阻力系數(shù)為雷諾數(shù)和相對(duì)粗糙度的函數(shù)。7 .8 .將所得光滑管的方程與Blasius方程相比較。二、實(shí)驗(yàn)原理：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(huì)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(dòng)阻力。1 .2

2、 .根據(jù)機(jī)械能衡算方程，測(cè)量不可壓縮流體直管或局部的阻力%=("1+7+t)-.+一沙兒如果管道無變徑，沒有外加能量，無論水平或傾斜放置，上式可簡(jiǎn)化為:p=pJppp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(shì)能差,通過壓差傳感器直接測(cè)量得到O3.4 .流體流動(dòng)阻力與流體性質(zhì)、流道的幾何尺寸以及流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，可表示為：由量綱分析可以得到四個(gè)無量綱數(shù)群:歐拉數(shù)Eu=p/pa2,雷諾數(shù)Re=dp/從相對(duì)粗糙度£/d和長徑比“d從而有取a=3(Re,£/d),可得摩擦系數(shù)與阻力損失之間的關(guān)系：P,IU2Hf=Ax/pd2從而得到實(shí)驗(yàn)中摩擦系數(shù)的計(jì)算式pu2l

3、當(dāng)流體在管徑為d的圓形管中流動(dòng)時(shí)，選取兩個(gè)截面,用壓差傳感器測(cè)出兩個(gè)截面的靜壓差，即可求出流體的流動(dòng)阻力。根據(jù)伯努利方程摩擦系數(shù)與靜壓差的關(guān)系，可以求出摩擦系數(shù)。改變流速可測(cè)得不同Re下的入，可以求出某一相對(duì)粗糙度下的人-Re關(guān)系。在湍流區(qū)內(nèi)摩擦系數(shù)a=6(Re,"d),對(duì)于光滑管(水力學(xué)光滑)，大量實(shí)驗(yàn)證明，Re在氛圍內(nèi)，入與Re的關(guān)系遵循Blasius關(guān)系式，即A=0.3163/Re62s對(duì)于粗糙管，入與Re的關(guān)系以圖來表示。5 .6 .對(duì)局部阻力，可用局部阻力系數(shù)法表示：7 .%=吟對(duì)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(duì)一段突然擴(kuò)大的圓直管，局部阻力遠(yuǎn)大于其直

4、管阻力。由忽略直管阻力時(shí)的伯努利方程可以得到局部阻力系數(shù)的計(jì)算式:心+2?p/pS一工2式中，加、物分別為細(xì)管和粗管中的平均流速，P為2,1截面的壓差。突然擴(kuò)大管的理論計(jì)算式為：(=(1-AM2)2.41、42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)險(xiǎn)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(cè)壓點(diǎn)之間距，內(nèi)徑；管6為鍍鋅鋼管，測(cè)壓點(diǎn)間距離，內(nèi)徑22.5mm；管7為突然擴(kuò)大管，由擴(kuò)大至。各測(cè)量元件由測(cè)壓口與壓差傳感器相連，通過管口的球閥切換被測(cè)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)控制。四、實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)：L開泵：在關(guān)閉所

5、有閥門的情況下，打開電源，啟動(dòng)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(duì)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(duì)應(yīng)測(cè)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(duì)應(yīng)管路的控制閥、測(cè)壓閥和排氣閥，在50Hz下，調(diào)節(jié)流量至1-263",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(cè)?。捍_定排氣完畢且其余管路切換閥和測(cè)壓閥關(guān)閉后，調(diào)節(jié)變頻器至25Hz左右。對(duì)于直管阻力，按照流量由大到小的順序，測(cè)取10組

6、數(shù)據(jù)，控制壓差在之間。對(duì)于突然擴(kuò)大管的阻力，可測(cè)取3組數(shù)據(jù)。測(cè)取數(shù)據(jù)時(shí)，每個(gè)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(dòng)。波動(dòng)時(shí)可取其中點(diǎn)。五、原始數(shù)據(jù)及處理：L原始數(shù)據(jù)記錄水的物理性質(zhì)：測(cè)定光滑管時(shí),25C。下，p=m3,p=s測(cè)定粗糙管及突然擴(kuò)大管時(shí)，C。下，p=m；n=sQ)光滑管和粗糙管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)光滑管數(shù)據(jù)：不銹鋼管，I二，d二，零點(diǎn)誤差po二。粗糙管數(shù)據(jù)：鍍鋅鋼管，I二，d二，零點(diǎn)誤差P。二。表1光滑管和粗糙管原始數(shù)據(jù)記錄表光滑管粗糙管序號(hào)流量/(m-h1)壓差流kPa)流量壓差/(kPa)12345678910突然擴(kuò)大局部阻力系數(shù)測(cè)定數(shù)據(jù)突擴(kuò)管：dl=,d2=

7、,初始誤差p0二。表2突然擴(kuò)大局部阻力系數(shù)數(shù)據(jù)記錄表流量/(m3+h)壓差/(kPa)-2.數(shù)據(jù)處理表3光滑管數(shù)據(jù)處理表序號(hào)流量/(m,h1)流速/(m*s")實(shí)際壓差/(kPa)Re入入臺(tái)1690342624863579964505135458366389137319918254439192701012909其中，入b項(xiàng)為根據(jù)Blasius公式計(jì)算的理論摩擦系數(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，qv4X3.691,u=五=新=3.14x(21.0x10-3)2X3600A=296mlsdup(21.0XIO-3)X2.96X996.95Re=0=690340.89

8、73xIO-2?pd2x(7.18x103)x(21.0xIO-3)“k的一/2彘2x7=0023030.31630.31634=Re025=69034。25=001951表4粗糙管數(shù)據(jù)處理表序號(hào)流量/(m，h)流速/(m*s-)實(shí)際壓差/(kPa)ReX1668962609133554744498545442346366207313638248379183101012509圖2光滑管和粗糙管的入Re關(guān)系曲線曲線分析：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(shì)趨緩。(b)在同一Re下，相對(duì)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

9、，摩擦系數(shù)越大。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)處理表序4流量/(m3*h")壓差/(kPa)細(xì)管流速/(m+s)粗管流速/(m*s)123局部阻力的計(jì)算示例：以表5中第1組數(shù)據(jù)為例，%23.142?p4X3.57xx(16.0x10”36004X3.571m/s=4.93m/sX(42.0X10”X旃姐=0.72s0.722+2x3.20x1031-4.932996.58=0.7149=寧=0.7159理論值4=(1-A1/A2)2=(1-嫌/返¥=(1-162/422)2=0.730

10、80.7159-0.73080.7308X100%=2.04%測(cè)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L本次曲線擬合的相對(duì)大小比較準(zhǔn)確，但是其中表現(xiàn)的趨勢(shì)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(cè)定的摩擦系數(shù)和雷諾數(shù)范圍較小，如果增大測(cè)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(shì)。2 .測(cè)定的局部阻力系數(shù)和理論值接近，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。可以看到隨著流量增大有上升趨勢(shì)，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

11、減小，可能是實(shí)驗(yàn)記錄和計(jì)算舍入的影響。六、思考題3 .在不同設(shè)備(包括相對(duì)粗糙度相同而管徑不同)、不同溫度下測(cè)定的人-Re數(shù)據(jù)能否關(guān)聯(lián)在一條曲線上？答：僅在相對(duì)粗糙度不同時(shí)可以。由;l=6(Re,£/d)知，摩擦系數(shù)是雷諾數(shù)和相對(duì)粗糙度的函數(shù)，當(dāng)相對(duì)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(duì)粗糙度與溫度無關(guān)。因此，當(dāng)且僅當(dāng)相對(duì)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。4 .以水為工作流體所測(cè)得的人-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;l=4>(Re,£/d)知，摩擦系數(shù)是雷諾數(shù)和相對(duì)粗糙度的函數(shù)，當(dāng)保持相對(duì)粗糙度不變時(shí)，流體性質(zhì)對(duì)入-Re關(guān)系不產(chǎn)生影響，可以適