化学原理实验组II.docVIP

2.管道阻力实验 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和局部阻力系数。 二、实验原理 当不可压缩流体体在圆形导管中流动时，在管路系统内任意二个截面之间列出机械能衡算方程为 　　J·kg　　　　　　　（1） 或 　　m液柱　　　　　　　（2） 式中 ——流体的位压头，m液柱； ——流体的压强，Pa； EMBED Equation.3 ——流体的平均流速，m·s； EMBED Equation.3 ——流体密度，kg·m； ——流动系统内因阻力造成的能量损失，J·kg； ——单位重量流体因流体阻力所造成的能量损失，即所谓压头损失，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。 假设： （1）水作为试验物系，则水可视为不可压缩液体； （2）试验导管是按水平装置的，则； （3）试验导管的上下游截面上的横截面积相同，则。 因此（1）和（2）两式分别可简化为 　J·kg（3） ； m液柱　 （4） 。 由此可见，因阻力造成的能量损失（压头损失），可由管路系统的两截面之间的压力差（压头差）来测定。 当流体在圆形直管内流动时，流体因摩擦阻力所造成的能量损失（压头损失），有如下一般关系： 　　J·kg　　　　　　　　　（5） 或 　　　m液柱　　　　　　　　（6） 式中： ——圆形直管的管径，m； ——圆形直管的长度，m； ——摩擦系数，［无因次］。 大量实验研究表明：摩擦系数与流体的密度和粘度，管径、流速和管壁粗糙度有关。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存在函数关系，即 　　　　　　　　　　　　　　　　　（7） 通过实验测得和数据，可以在双对数坐标上标绘出实验曲线。当＜2000时，摩擦系数与管壁粗糙度无关。当流体在直管中呈湍流时，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： 　　（J·kg） ； 　　（m液柱） 。 式中： ——连接管件等的直管中流体的平均流速，m·s； ——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（实验仪CEA—F03型） 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。 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。 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。 作为试验用水，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，最后充入高位排气水槽。由高位排气水槽溢流出来的水，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、实验方法 实验前准备工作须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。洋运转正常后，先将试验导管中的旋塞阀全部打开，并关闭转换阀组中的全部旋塞，然后缓慢开启试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量，一般需要再补充些水，防止水面低于泵吸入口。 （3）逐一检查并排除试验导管和联接管线中可能存在的空气泡。排除空气泡的方法是，先将转换阀组中被栓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，直至排尽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，然后打开压差计顶部放空阀，再缓慢开启