管道流体阻力的测定
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管道流体阻力的测定
(CEA-F03)
一、实验目的
研究管路系统中的流体流动和输送,其中重要的问题之一,是确定流体在流动过程中的能量损耗。
流体流动时的能量损耗(压头损失),主要由于管路系统中存在着各种阻力。管路中的各种阻力可分为沿程阻力(直管阻力)和局部阻力两大类。
本实验的目的,是以实验方法直接测定摩擦系数λ和局部阻力系数ζ。
二、实验原理
当不可压缩流体在圆形导管中流动时,在管路系统中任意两个界面之间列出机械能衡算方程为
f
2
2
22211
122h u P gZ u P gZ +++=++ρρ J · kg –1 (1)
或
f
22
22211122H g u g P Z g u g P Z +++=++ρρ m 液柱 (2)
式中: Z — 流体的位压头,m 液柱; P — 流体的压强,P a ;
u — 流体的平均流速,m · s –1;
ρ - 流体的密度,kg · m – 3;
h f - 流动系统内因阻力造成的能量损失,J · kg –1; H f - 流动系统内因阻力造成的压头损失,m 液柱。 符号下标1和2分别表示上游和下游截面上的数值。 假若:(1)水作为实验物系,则水可视为不可压缩流体;
(2)实验导管是按水平装置的,则Z 1 = Z 2;
(3)实验导管的上下游截面上的横截面积相同,则u 1 = u 2。
因此(1)和(2)两式分别可简化为
ρ
2
1f p p h -= J · kg –1 (3)
g p p H ρ2
1f -=
m 水柱 (4)
由此可见,因阻力造成的能量损失(压头损失),可由管路系统的两界面之间的压力差(压头差)来测定。
流体在圆形直管内流动时,流体因磨擦阻力所造成的能量损失(压头损失),有如下一般关系式:
22
2
1f u d l p p h ⋅
⋅=-=
λρ
J · kg –1 (5)
或
g u d l g p p H 22
21f ⋅
⋅=-=λρ m 液柱 (6) 式中:d - 圆形直管的直径,m ; l - 圆形直管的长度,m ; λ - 摩擦系数,(无因次)。
大量试验研究表明:摩擦系数λ与流体的密度ρ和粘度μ管径d 、流速u 和管壁粗糙度ε有关。应用因次分析的方法,可以得出摩擦系数与雷诺数和管壁相对粗糙度ε/d 存在函数关系,即
)
(Re d f ελ、= (7)
通过实验测得λ和Re 数据可以在双对数坐标上标绘出试验曲线。当Re <2000时,摩擦系数λ与管壁粗糙度ε无关。当流体在直管中呈湍流时,λ不仅与雷诺数有关,而且与管壁相对粗糙度有关。
当流体流过管路系统时,因遇各种管件、阀门和测量仪表等而产生局部阻力,所造成的能量损失(压头损失),有如下一般关系式:
2'2
f u h ζ
= J · kg –1
或
g u H 2'2
f'ζ
= m 液柱 式中:u - 连接管件等的直管中流体的平均流速,m · s –1;
ζ - 局部阻力系数(无因次)。
由于造成局部阻力的原因和条件极为复杂,各种局部阻力系数的具体数值,都需要通过实验直接测定。
三、实验装置
本实验装置主要是由循环水系统(或高位稳压水槽)、试验管路系统和高位排气水槽串联组合而成,每条测试管的测压口通过转换阀组与压差计连通。
压差由一倒置U 形水柱压差计显示。孔板流量计的读数由另一倒置U 形水柱压差计显
示。该装置的流程如图1所示。
试验管路系统是由五条玻璃直管平行,排列经U形弯管串联连接而成。每条直管上分
别配置光滑管、粗糙管、骤然扩大与缩小管、阀门和孔板流量计。每根试验管测试段长度,
即两测压口距离均为0.6m。流程图中标出符号G和D分别表示上游测压口(高压侧)和下
游测压口(低压侧)。测压口位置的配置,以保证上游测压口距U形弯管接口的距离,以及
下游测压口距造成局部阻力处的距离,均大于50倍管径。
图1 管路流体阻力实验装置流程
1.循环水泵2.光滑试验管3.粗糙试验管4.扩大与缩小试验管5.孔板流量计6.阀门7.转换阀组8.高位排气水槽作为实验用水,用循环水泵或直接用自来水由循环水槽送入试验管路系统,由下而上依
次流经各种流体阻力试验管,最后流入高位排气水槽。由高位排气水槽流出的水,返回循环
水槽。
水在试验管路中的流速,通过调节阀加以调节。流量由试验管路中的孔板流量,计测
量并由压差计显示读数。
四、试验方法
实验前准备工作需按如下步骤顺序进行操作:
(1)先将水灌满循环水槽,然后关闭试验导管入口的调节阀,再启动循环水泵。待泵运
转正常后,先将实验导管中的旋塞阀全部打开,并关闭转换组中的全部旋塞,然后缓慢开启
实验导管的入口调节阀。当水流满整个试验导管,并在高位排气水槽中有溢流水排出时,关
闭调节阀,停泵。
(2)检查循环水槽中的水位,一般需要再补充些水,防止水面低于泵吸入口。
(3)逐一检查并排除实验导管和连接管线中可能存在的空气泡。排除空气泡的方法是,先将转换阀组中被检一组测压口旋塞打开,然后打开倒置U形水柱压差计顶部的放空阀,直至排净空气泡再关闭放空阀。必要时可在流体流动状态下,按上述方法排除空气泡。
(4)调节倒置U形压差计的水柱高度。先将转换阀组上的旋塞全部关闭,然后打开压差及顶部放空阀,再缓慢开启转换阀组中的放空阀,这时压差计中液面徐徐下降。当压差计中的水柱高度居于标尺中间部位时,关闭转换阀组中的放空阀。为了便于观察,在临试验前,可由压差及顶部的放空处,滴入几滴红墨水,将压差计水柱染红。
(5)在高位排气水槽中悬挂一支温度计,用以测量水的温度。
(6)实验前需对孔板流量计进行标定,作出流量标定曲线。
实验测定时,按如下步骤进行操作:
(1)先检查实验导管中旋塞是否置于全开位置,其余测压旋塞和实验系统入口调节阀是否全部关闭。检查完毕启动循环水泵。
(2)待泵运转正常后,根据需要缓慢开启调节阀调节流量,流量大小由孔板流量计的压差计显示。
(3)待流量稳定后,将转换阀组中,与需要测定管路相连的一组旋塞置于全开位置。这时测压口与倒置U形水柱压差计接通,即可记录由压差计显示出压强降。
(4)当需改换测试部位时,只需将转换阀组由一组旋塞切换为另一组旋塞。例如,将G1和D1一组旋塞关闭,打开另一组G2和D2旋塞。这时,压差计与G1和D1测压口断开,而与G2和D2测压口接通,压差计显示读数即为第二支测试管的压强降。依次类推。
(5)改变流量,重复上述操作,测得各种实验导管中不同流速下的压强降。
(6)当测定旋塞在同一流量不同开度的流体阻力时,由于旋塞开度变小,流量必然会随之下降,为了保持流量不变,需将入口调节阀作相应调节。
(7)每测定一组流量与压降数据,同时记录水的温度。
实验注意事项:
(1)实验前务必将系统内存留的气泡排除干净,否则实验不能达到预期效果。
(2)若实验装置放置不用时,尤其是冬季,应将管路系统和水槽内水排放干净。
五、实验数据记录及结果
1.实验数据记录