流体阻力测定实验

流体阻力测定实验实验指导书

环境与市政工程学院

2015年11月

一、实验目的：

1.学习直管摩擦阻力f P ∆,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f P ∆,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、实验内容:

1.测定实验管路内流体流动的阻力和直管摩擦系数λ。

2.测定实验管路内流体流动的直管摩擦系数λ与雷诺数Re 和相对粗糙度之间的关系曲线。

3.测定管路部件局部摩擦阻力f P ∆和局部阻力系数ζ。 三、实验原理:

1.直管摩擦系数λ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)/(Re,d f ελ=，对一定的相对粗糙度而言，(Re)f =λ。

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： ρ

ρ

f

f P P P h ∆=

-=

2

1 （1）

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）

2

2u d l h f

P f λρ

==

∆ （2）

整理（1）（2）两式得 22u P l d f

∆⋅

⋅=ρλ （3） μ

ρ

⋅⋅=

u d Re （4）

式中： -d 管径，m ； -∆f P 直管阻力引起的压强降，Pa ；

-l 管长，m ； -u 流速，m / s ；

-ρ流体的密度，kg / m 3； -μ流体的粘度，N ·s / m 2。

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△P f 与流速u （流量V ）之间的关系。

根据实验数据和式（3）可计算出不同流速下的直管摩擦系数λ，用式（4）计算对应的Re ，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。 2．局部阻力系数ζ的测定 22

'u P h f

f ζρ

=∆=

' 2'2u

P f ∆⋅⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=ρζ 式中： -ζ局部阻力系数，无因次； -∆'f P 局部阻力引起的压强降，Pa ；

-'f h 局部阻力引起的能量损失，J ／kg 。

图-1 局部阻力测量取压口布置图

局部阻力引起的压强降'f P ∆ 可用下面方法测量：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，在上、下游各开两对测压口a-a'和b-b ＇如图-1，使 ab ＝bc ； a ＇b ＇＝b ＇c ＇，则 △P f ，a b ＝△P f ，bc ； △P f ，a ＇b ＇= △P f ，b ＇c ＇

在a ～a ＇之间列柏努利方程式 P a －P a ＇ =2△P f ，a b +2△P f ，a ＇b ＇+△P ＇f (5) 在b ～b ＇之间列柏努利方程式： P b －P b ＇ = △P f ，bc +△P f ，b ＇c ＇+△P ＇f

= △P f ，a b +△P f ，a ＇b ＇+△P ＇f （6） 联立式(5)和(6)，则：'f P ∆＝2(P b －P b ＇)－(P a －P a ＇)

为了实验方便，称(P b －P b ＇)为近点压差，称(P a －P a ＇)为远点压差。其数值用差压传感器来测量。

四、实验装置的基本情况: 1.实验装置流程示意图:

图-2 流动过程综合实验装置流程示意图

1-水箱；2-水泵；3-入口真空表；4-出口压力表；5、16-缓冲罐；6、14-测局部阻力近端阀；7、15-测局部阻力远端阀；8、17-粗糙管测压阀；9、21-光滑管测压阀；10-局部阻力阀；11-观测段；12-压力传感器；13-涡流流量计；18、25、26-阀门；19-普通管阀；20-粗糙管阀；22-小转子流量计；23-大转子流量计； 24水箱放水阀；27- 倒U型管放空阀；28-倒U型管；30、32-倒U型管排水阀；29、31-倒U型管平衡阀

实验装置流程简介

流体阻力测量：

水泵2将储水槽1中的水抽出，送入实验系统，经玻璃转子流量计22、23测量流量，然后送入被测直管段测量流体流动阻力，经回流管流回储水槽1。被测直管段流体流动阻力ΔP可根据其数值大小分别采用变送器12或空气—水倒置Ｕ型管来测量。

2.实验设备主要技术参数：

表-1实验设备主要技术参数

表-2 实验设备主要技术参数

3.实验装置面板图：

图-3 实验装置仪表面板图

五、实验方法及步骤：

1．流体阻力测量

（1）向储水槽内注水至水满为止。(最好使用蒸馏水，以保持流体清洁)

（2）光滑管阻力测定：

①关闭粗糙管路阀门8,17,20，将光滑管路阀门9,19,21全开，在流量为零条件下，打开通向倒置U型管的进水阀29,31，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4所示操作方法如下：

加大流量，打开U型管进出水阀门29,31，使倒置U型管内液体充分流动，以赶出管路内的气泡；若观察气泡已赶净，将流量调节阀26关闭，U型管进出水阀29,31关闭，慢慢旋开倒置U型管上部的放空阀26后，分别缓慢打开阀门30、32，使液柱降至中点上下时马上关闭，管内形成气—水柱，此时管内液柱高度差不一定为零。然后关闭放空阀27，打开U型管进出水阀29,31，此时U型管两液柱的高度差应为零（1—2mm的高度差可以忽略），如不为零则表明管路中仍有气泡存在，需要重复进行赶气泡操作。

图-4 导压系统示意图

32、32-排水阀；128-U型管进水阀；12-压力传感器；27-U型管放空阀；28-U型管

②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。

③差压变送器与倒置U型管亦是并联连接，用于测量压差，小流量时用∪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操作，一般测取15～20组数据。

注：在测大流量的压差时应关闭U型管的进出水阀29,31，防止水利用U型管形成回路影响实验数据。

(3) 粗糙管阻力测定：