流体阻力的测定.docx
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流体阻力的测定
流体阻力的测定实验报告
二、实验目的
1、学习U型压差计的使用;
2、学习直管阻力损失(hf)的测定方法,计算出摩擦系数(λ)和雷诺准数(Re),在双对数坐标纸上作λ-Re关系曲线;
3、学习测量闸阀和90°弯头的局部阻力损失(hf`)的方法,计算局部阻力系数(ξ)。
4、观察组成管路的各种管件、阀件,并了解其作用。
三、实验原理
流体在管道中流动时,由于粘性力与涡流的存在,必然会引起能量的损失,这些损失可分为两类,即直管(沿程)阻力损失(hf)和管件的局部阻力损失(hf`)。
(1)、直管阻力损失
流体在圆形管流动时的阻力损失可用范宁公式计算:
(1)
式中:
λ——摩擦系数
l——直管长[m]
d——管内径[m]
u——管内流速[m/s],由下式计算:
(2)
V——流量[m3/h],由孔板流量计测定
直管阻力损失由图2-2-1-1(a)装置测定,原理如下:
在截面AA’及BB’之间列出柏努利方程:
因是同内径的水平管段,故
,上式移项整理得:
(3)
在图2-2-1-1(a)所示的U形压差计内00`截面列能量方程:
图2-2-1-1直管阻力测定
整理上式得:
(4)
将上式(4)代入式(3)得:
(5)
式中:
g=9.8[N/kg]—重力加速度
R——压差读数[CCl4],[m]
ρs=1590[kg/m3]——CCl4的密度
ρ——水的密度[kg/m3],由水温查表得
若用图2-2-1-1(b)的∩压差计测压降(本实验室采用),则由式(3)得:
(6)
或
(7)
式中:
R`——∩压差计读数[mH2O]
将式(5)或式(4)之值入
(1)中,移项整理得摩擦系数计算值。
(8)
雷诺数Re按下式计算:
(9)
式中:
μ——水的粘度[Pa·s],由水温查表得
其余符号同上。
(2)、局部阻力损失
克服局部阻力引起能量损失常用下式表示:
(10)
式中:
u——流体在管中的流速[m/s]
ξ——局部阻力系数
如图2-2-1-2(a)所示,根据柏努利方程推导出流体流过90°弯头局部阻力的计算式为:
如图2-2-1-2(b)所示,流体流过闸阀时的局部阻力的计算式经推导也与上式相同。
式中:
g=9.8[N/kg]—重力加速度
R——∩型压差计读数[mH20]
图2-2-1-2(a)局部阻力(90°弯头)测定
图2-2-1-2(b)局部阻力(闸阀)测定
所以阻力系数由上式(10)可求:
(11)
四、实验设备流程图
本实验有十二套设备可供测定用,其中六套测闸阀的局部阻力,另六套测弯头的局部阻力,它们的典型流程如图2-2-1-3所示。
以测定闸阀的局部阻力为例,水泵2把水从水箱1吸上后经总管路送至各需用的的分管路。
直管阻力分路被测段为AB,管径为40mm,管长为L1=2M,设分控制阀4。
局部阻力被测管件为闸阀7,管径为40mm,设分控制阀6。
实验时每路的流量均由孔板流量计8测定,最后水流回水箱1。
经阀9的支路为排管路系统内空气用。
1、水箱2、水泵3、灌水排气阀4、直管阻力控制阀5、直管实验段
6、局部阻力控制阀7、闸阀8、孔板流量计9、排空气阀
图2-2-1-3管道阻力实验装置
五、实验方法步骤
1、检查转动联轴器是否灵活,关闭水箱处底阀,打开控制阀4或6,打开灌水阀3灌水入泵排除空气,灌水阀3出口处有水连续溢流后,关闭灌水阀3。
关控制阀4和6,接通电源启动泵,若见泵运转不正常即断电检查。
泵启动运转后,将水箱处底阀全开。
2、排除系统中空气,把分路控制阀4、6,把全部测压旋塞打开,有水连续排出水箱后,关控制阀4、6。
观察各压差计的读数是否稳定,若全部不稳定,应继续排气,方法可把水流量开大一些。
若个别压差不稳定,则采取个别排气措施,但必须在小流量下进行,否则会冲跑指示液。
若压差计全部稳定,说明空气已排完,关闭系统全部阀门、旋塞。
作好测数据准备。
3、测取数据:
岗位分工好后先测直管阻力。
打开旋塞A、B,打开阀4,把阀4慢慢由小调至大观察AB的压差及流量计压差变化,确定AB段压差的最大量程,然后在最大量程范围内,测量由大至小最少测取8个数据,同时记录孔板流量计压差读数,查取流量,读数毕,关闭阀4和旋塞A、B。
4、测定局部阻力:
检查阀4是否关闭,打开阀6,把阀6慢慢由小调至大观察流体流过全开截止阀时压差计及流量计压差变化,确定截止阀压差计的最大量程,然后在最大量程范围内,测量由大至小测取4个数据,同时记录孔板流量计压差读数,查取流量,实验完成后关闭阀6,停水泵,测取水温。
注:
如没有流量与孔板流量计压差读数关联式,则请按流量计校核方法测取。
6、原始数据记录表
7、实验注意事项
1、整个实验过程中要注意安全
2、实验过程中读数要准确
3、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。
4、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。
5、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。
8、结果分析与讨论
1.结果误差分析
从上面的数据及所作出的图来看,本次实验存在一定误差,可能有几方面的原因:
1 给离心泵灌水排气时间不是很充足,仪器漏气。
2 对倒U型压差计进行排气和调零时,压差计两端在带压且零流量时的液位高度并不是完全相等。
3 每次改变流量后,流量控制不得当或是流动并未彻底达到稳定,记下了流量和压差读数。
4 量仪器自身带来的误差,即系统本身的误差。
5 测定t时刻读数时存在误差,不与凹液面最低处相齐平;
2、讨论
1、在测量前为什么要将设备中的空气排净?
如何检验测试系统内的空气已经被排除干净?
若测压管道中存有气体将对测量带来什么影响?
答:
排气是为了保证流体的连续流动。
实验开始前和结束后,都应关闭泵的出口阀,检查倒U型压差计各臂读数是否相同,如不相等,则测压系统中有气泡,需重新排气。
2、在不同设备、不同温度下测定的λ-Re数据能否关联在一条曲线上?
答:
只要相对粗糙度相同,λ-Re数据就能关联到一条曲线上。
3、测出的直管摩擦阻力与设备的放置状态有关吗?
为什么?
答:
无关。
根据机械能守恒有
U形压差计的
所以
不变,故λ不会改变。
4、如果要增加雷诺数的范围,可采取哪些措施?
答:
雷诺数
故可增大管径、增大流速等方法使雷诺数增大。
5、以水做介质所测得的?
关系能否适用于其他流体?
答:
可以用于牛顿流体的类比,牛顿流体的本构关系一致。
应该类似平行的曲线,但雷诺数本身并不十分准确,建议取中间段曲线,不要用两边端数据。
雷诺数本身只与速度,粘度和管径一次相关,不同流体的粘度可以查表。
6、流体流动时为什么会产生摩擦阻力?
摩擦阻力以哪几中形式反映出来?
答:
流体的黏性是产生阻力的主要原因,由于管壁间的摩擦易产生摩擦阻力形式有沿程阻力和局部阻力。
7.在对装置做排气工作时,是否一定要关闭流程尾部的出口阀?
为什么?
答案:
应该关闭。
应为这样可以把管道中的气泡全部排出。
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