流体阻力测定实验目的和原理.doc

湘潭市祺润教学设备科技有限公司
流体流动阻力测定实验
一、实验目的
1．掌握测定流体流经直管、管件和阀门时阻力损失的一般实验方法。
2．测定直管摩擦系数λ与雷诺准数Re的关系，验证在一般湍流区内λ与Re的关系曲线。
3．测定流体流经管件、阀门时的局部阻力系数x。
4．学会差压传感器和涡轮流量计的使用方法。
5．识辨组成管路的各种管件、阀门，并了解其作用。
二、基本原理
流体通过由直管、管件（如三通和弯头等）和阀门等组成的管路系统时，由于粘性剪应力和涡流应力的存在，要损失一定的机械能。流体流经直管时所造成机械能损失称为直管阻力损失。流体通过管件、阀门时因流体运动方向和速度大小改变所引起的机械能损失称为局部阻力损失。
1．直管阻力摩擦系数λ的测定
流体在水平等径直管中稳定流动时，阻力损失为：

（1）

即， （2）

式中： λ —直管阻力摩擦系数，无因次；
d —直管内径，m；
—流体流经l米直管的压力降，Pa；
—单位质量流体流经l米直管的机械能损失，J/kg；
ρ —流体密度，kg/m3；
l —直管长度，m；
u —流体在管内流动的平均流速，m/s。
滞流(层流)时，
（3）
（4）
式中：Re —雷诺准数，无因次；
μ —流体粘度，kg/(m·s)。
湍流时λ是雷诺准数Re和相对粗糙度（ε/d）的函数，须由实验确定。
由式（2）可知，欲测定λ，需确定l、d，测定、u、ρ、μ等参数。 l、d为装置参数（装置参数表格中给出）， ρ、μ通过测定流体温度，再查有关手册而得， u通过测定流体流量，再由管径计算得到。
例如本装置采用涡轮流量计测流量，V，m3/h。
(5)
可用U型管、倒置U型管、测压直管等液柱压差计测定，或采用差压变送器和二次仪表显示。
（1）当采用倒置U型管液柱压差计时
(6)
式中：R－水柱高度，m。
（2）当采用U型管液柱压差计时
(7)
式中：R－液柱高度，m；
－指示液密度，kg/m3。
根据实验装置结构参数l、d，指示液密度，流体温度t0(查流体物性ρ、μ)，及实验时测定的流量V、液柱压差计的读数R，通过式(5)、(6)或(7)、(4)和式(2)求取Re和λ，再将Re和λ标绘在双对数坐标图上。
2．局部阻力系数x 的测定
局部阻力损失通常有两种表示方法，即当量长度法和阻力系数法。
(1) 当量长度法
流体流过某管件或阀门时造成的机械能损失看作与某一长度为的同直径的管道所产生的机械能损失相当，此折合的管道长度称为当量长度，用符号表示。这样，就可以用直管阻力的公式来计算局部阻力损失，而且在管路计算时可将管路中的直管长度与管件、阀门的当量长度合并在一起计算，则流体在管路中流动时的总机械能损失 为：

(8)
(2) 阻力系数法
流体通过某一管件或阀门时的机械能损失表示为流体在小管径内流动时平均动能的某一倍数，局部阻力的这种计算方法，称为阻力系数法。即：
(9)
故 (10)
式中：x —局部阻力系数，无因次；
－局部阻力压强降，Pa；（本装置中，所测得的压降应扣除两测压口间直管段的压降，直管段的压降由直管阻力实验结果求取。）
ρ —流体密度，kg/m3；
g —重力加速度，9.81m/s2；
u —流体在小截面管中的平均流速，m／s。
待测的管件和阀门由现场指定。本实验采用阻力系数法表示管件或阀门的局部阻力损失。
根据连接管件或阀门两端管径中小管的直径d，指示液密度，流体温度t0(查流体物性ρ、μ)，及实验时测定的流量V、液柱压差计的读数R，通过式(5)、(6)或(7)、(10)求取管件或阀门的局部阻力系数x。
三． 数据记录
1、 实验原始数据记录如下表：
直管基本参数
管内径（mm）
测量段长度（cm）
局部阻力
20
95
光滑管
20
100
粗糙管
21
100

序号
流量（m3/h）
流体温度（℃）
光滑管压差（kPa）
粗糙管压差（kPa）
局部阻力管压差（kPa）
光
粗
局部
光
粗
局部

1
4.47
4.32
4.46
33.2
32.2
34
5.50
0
7.20
2
4.17
4
4.15
33.4
32.3
34.3
4.84
0
6.38
3
3.87
3.69
3.85
33.6
32.5
34.5
4.28
0
5.59
4
3.57
3.39
3.54
33.7
32.8
34.7
3.70
0
4.70
5
3.27
3.09
3.25
33
33
34.8
3.18
0
4.10
6
2.98
2.80
2.95
33.1
33.1
34.9
2.75
0
3.48

2.数据处理与分析

阻力摩擦系数λ
Re
阻力摩擦系数λ
误差
0.014145799
104.681
0.0989
0.0848
0.014303855
98.24345
0.1005
0.0862
0.014685937
91.60461
0.1023
0.0876
0.014919186
84.78846
0.1043
0.0893
0.0152831
77.91563
0.1065
0.0912
0.015914024
71.17908
0.1089
0.0930

光滑管压差（KPa
局部阻力管压差（KPa）
△P'f（Pa）
流量（局部）
u（m/s）
ξ
5.5
7.2
1.615
4.46
3.945506016
0.20870043
4.84
6.38
1.463
4.15
3.671266808
0.218357778
4.28
5.59
1.2445
3.85
3.405874027
0.215821137
3.7
4.7
0.95
3.54
3.13163482
0.194866693
3.18
4.1
0.874
3.25
2.875088464
0.212698901
2.75
3.48
0.6935
2.95
2.609695683
0.204843868

平均ξ=0.21
四． 讨论
1.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：应该关闭。 因为这样可以把管道中的气泡全部排出。
2.如何检测管路中空气已经被排除干净？
答：在流动测定中气体在管路中，对流动的压力测量产生偏差，在实验中一定要排出气体，让流体在管路中流动，这样流体的流动测定才能准确。当流出的液体无气泡是就可以证明空气已经排干净了。
3..以水做介质所测得的λ～ Re 关系能否适用于其它流体 ?
答： 可以用于牛顿流体的类比，牛顿流体的本构关系一致。应该是类似平行的曲线，但雷诺数本身并不是十分准确，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。
4.实验中出现什么问题？什么现象？原因何在？
答：粗糙管压差为0，对数据处理与分析没有影响，可能是实验设备出现问题。
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