测定管道流体阻力.docVIP

管道流体阻力的测定 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 J · kg –1 (1) 或 m液柱 (2) 式中： Z — 流体的位压头，m液柱； P — 流体的压强，Pa； 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Z1 = Z2； (3)实验导管的上下游截面上的横截面积相同，则u1 = u 2。 因此(1)和(2)两式分别可简化为 J · kg –1 (3) 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： J · kg –1 (5) 或 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 (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： J · kg –1 或 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