一、实验名称：配管实习与流体流动摩擦实验.DOCVIP

一、實驗名稱：配管實習與流體流動摩擦實驗 二、單元目標： 管、管件及配管圖的認識。 自流體在圓管中流動之摩擦損失（friction loss）之測定，研討摩擦因數（friction factor）與雷諾數間之關係。 測定流體在管件（pipe fittings）之摩擦損失，了解管件相當長度（equivalent length）之意義。 認識各種流量計用來測量液體之原理及推求流量計的放洩係數（discharge coefficient） 三、相關知識： 管件： 管件用以連接兩管，分配管路或改變流體之流動方向。凡管徑吋以下之管多用螺旋接合（screw joint）連接。 （二）流體在圓管內的行為： 1.雷諾數 流體流經圓管內的行為，與管子的直徑D，流體流速U，流體密度ρ及流體黏度μ有關，將這幾個變數組合成一個無因次群，稱為雷諾數，是表示流體行為的重要指標，其定義為： (1) 當Re＜2100時，管內各點流體以直線流動，互不相擾，稱為層流（laminar flow）。當Re＞4000時，各點流體已不規則方向流動，互相干擾及混合，稱為擾流(turbulent flow)。 2.平均速度 流體在圓管內的平均速度 與體積流率Q的關係如下式： (2) 式中 A：圓管截面積 D：圓管內徑 當流體經不同直徑管子時，流速會改變，可由下式求得： (3) 或 (4) （三）流體的機械能平衡： 直管的摩擦 流體流經直管時，會與管壁發生摩擦，使壓力降低，此摩擦損失可由泛寧摩擦方程式（Fanning friction equation）求得： (5) 式中 －ΔP：直管的摩擦壓力損失 ：直管的摩擦能損失 L：直管管長（m） D：直管內徑（m） f：泛寧摩擦因數 ：SI制 M.K.S制9.8kg?m/kgf?s2 f受雷諾數及管內壁粗糙程度影響，其中e／D稱為湘對粗糙度（relative roughness），而粗糙度e式紙幣內壁凹凸的平均高度，與管材料及至管方法有關。 2.管線中的摩擦 流體流經管件因流向或流速改變形成漩渦，而有壓力降落，稱為管件的摩擦。一般流動系統中，管線係由數個異徑管藉管件連結而成，且以閥控制流量。因此，一般言之，管線中之摩擦損失應包括管、管件、閥、擴大及縮小等能量損耗。此摩擦損失可以比照泛寧方程式，以相當於同管徑同流速的直管多少長度造成相同摩擦損失表示，此長度稱為相當長度（equivalent length）。 (6) 式中 －ΔP：摩擦壓力損失 ：摩擦能損失 ：相當管長（m） （四）差壓計： 測量任何兩點間壓力差的壓力儀器，稱為差壓計。通常使用的是U型管差壓計（U-tube manometer），由玻璃或塑膠管做成U型，兩端保持開通，以連接測定的兩點，管內注入較欲測流體密度大的流體，如水銀、四氯化碳等。當管之兩端有差壓時，所示得差壓與液柱高之關係如下式： (8) 式中 －ΔP：U型管兩端之差壓（N／㎡） ：U型管兩端之壓力（N／㎡） Δh：差壓計內封流體液柱高度差（m） ：差壓計內封流體之密度（kg/m3） ρ：待測流體之密度（kg/m3） g：重力加速度（m/s2） ：變換因子，SI制 (8) 由(8)式知，讀取U型管兩邊液柱的高度差Δh，即可求得a、b兩端之壓力差。差壓計內封液體的選擇，視待測差壓的大小及靈敏度而定，於較大的壓差時（大於103Pa）通常使用水銀；而較小的壓差，使用四氯化碳（比重1.60）。 （五）面積式流量計： 以改變流體在管路的截面積而測量流量的裝置，稱為面積式流量計，以浮子流量計（rotameter）為最常見，是由一上寬下窄的玻璃測定管、浮子及固定套所構成。 流體在玻璃測定管內流動，再較大的體積流率時，浮子的位置必須升高，增大浮子與玻璃間空隙，以維持固定的速率。 浮子流量計的體積流率可由下式求得： (9) (10) 式中 Q：流體之體積流率（m3/s or m3/h）