实验一 流体流动阻力的测定.doc

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实验一流体流动阻力的测定

一、实验目的和任务

1.了解流体流过管路系统的阻力损失的测定方法;

2.测定流体流过圆形直管的阻力,确定摩擦系数λ与流体Re的关系;

3.测定流体流过管件的阻力,局部阻力系数ξ;

4.学会压差计和流量计的使用方法;

5.识别管路中各个管件、阀门,并了解其作用;

二、实验原理

流体的流动性,即流体内部质点之间产生相对位移。真实流体质点的相对运动表现出剪切力,又称内摩擦力,流体的粘性是流动产生阻力的内在原因。流体与管壁面的摩擦亦产生摩擦阻力,统称为沿程阻力。此外,流体在管内流动时,还要受到管件、阀门等局部阻碍而增加的流动阻力,称为局部阻力。因此,研究流体流动阻力的大小是十分重要的。

2.1直管摩擦系数λ测定

流体在管道内流动时,由于流体粘性作用和涡流的影响产生阻力。阻力表现为流体的能量损失,其大小与管长、管径、流体流速等有关。流体流过直管的阻力计算公式,常用以下各种形式表示:

式中hf——以能量损失表示的阻力,J/kg;

Hf——以压头损失表示的阻力,m液柱;

△Pf——以压降表示的阻力,N/m2

L——管道长,m

d——管道内径,m;

u——流体平均流速,m/s;

P——流体密度,kg/m3;

λ——摩擦系数,无因次;

g——重力加速度,g一9.81m/s2。.

λ为直管摩擦系数,由于流体流动类型不同,产生阻力的原因也不同。层流时流体流动主要克服流体粘性作用的内摩擦力。湍流时除流体的粘性作用外,还包括涡流及管壁粗糙度的影响,因此λ的计算式形式各不相同。层流时,利用计算直管压降的哈根-泊谡叶公式:

和直管阻力计算公式(3),比较整理得到λ的理论计算式为

由此式可见,λ与管壁粗糙度ε无关,仅为雷诺数的函数。

湍流时,由于流体流动的复杂性和管壁粗糙度的影响,λ的计算比层流复杂,是利用因次分析和实验得到计算公式。将影响阻力的许多因素表示为压降的函数,即

通过因次分析得到以下准数函数式,

也与计算直管阻力的公式(3)相比较,整理得到:

由此式可见,湍流时直管摩擦系数λ,是流体流动Re和管壁相对粗糙度ε/d的函数。此函数的具体形式通过实验确定。

许多学者实验研究了上述函数关系,其中较简单的是柏拉修斯(Blasius)公式:

此式适用于光滑管,Re在2500~1×105范围内。对粗糙管λ与Re的关系,可见化工原理教材上册摩擦系数λ与雷诺数Re及相对粗糙度ε/d的关系图及其他学者的计算公式。本实验是利用水作实验,在管长、管径和管壁粗糙度一定的条件下,改变水的流量,测定直管阻力,即流体压力降ΔPf=P1-P2,然后分别计算λ和Re值,考察两者的关系。

2.2局部阻力系数ξ测定

流体在管路中流过管件如阀门、弯头、三通、突然扩大或突然收缩等处时,产生涡流形成阻力,习惯称为局部阻力。其计算式表示为

式中,ξ称为局部阻力系数,无因次。它与管件的几何形状与Re有关。当Re大到一定时,ξ与Re无关,成为定值。管件的局部阻力系数ξ也都是由实验测定的。

三、实验装置

3.1设备的主要技术数据:

⒈被测光滑直管段:管径d—0.008m;管长L—1.698m;材料—不锈钢管

被测粗糙直管段:管径d—0.010m;管长L—1.698m;材料—不锈钢管

⒉被测局部阻力直管段:管径d—0.015m;管长L—1.2m;材料—不锈钢管

3.玻璃转子流量计:

型号测量范围

LZB—40100~1000(L/h)

LZB—1010~100(L/h)

3.2实验流程

水泵2将储水槽1中的水抽出,送入实验系统,首先经玻璃转子流量计15、16测量流量,然后送入被测直管段测量流体在光滑管或粗糙管的流动阻力,或经10测量局部阻力后回到储水槽,水循环使用。被测直管段流体流动阻力△p可根据其数值大小分别采用变送器12或空气-水倒置∪型管22来测量。

图1流动阻力实验流程示意图

1-水箱;2-离心泵;3、4-放水阀;5、13-缓冲罐;6-局部阻力近端测压阀;7、15-局部阻力远端测压阀;8、20-粗糙管测压回水阀;9、19-光滑管测压阀;10-局部阻力管阀;11-U型管进水阀;12-压力传感器;14-

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