流體流動(dòng)阻力的測定

1、實(shí)驗(yàn)名稱流體流動(dòng)阻力的測定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募叭蝿?wù)：1. 掌握測定流體流動(dòng)阻力實(shí)驗(yàn)的一般方法。2. 測定直管的摩擦阻力系數(shù)及突然擴(kuò)大管的局部阻力系數(shù)。3. 驗(yàn)證湍流區(qū)內(nèi)摩擦阻力系數(shù)為雷諾數(shù)和相對粗糙度的函數(shù)。4. 將所得光滑管的方程與Blasius方程相比較。二、實(shí)驗(yàn)原理：流體輸送的管路由直管和閥門、彎頭、流量計(jì)等部件組成。由于粘性和 渦流作用，流體在輸送過程中會有機(jī)械能損失。這些能量損失包括流體流經(jīng) 直管時(shí)的直管阻力和流經(jīng)管道部件時(shí)的局部阻力，統(tǒng)稱為流體流動(dòng)阻力。1. 根據(jù)機(jī)械能衡算方程，測量不可壓縮流體直管或局部的阻力?.? = ( ?1 + 帀 +?2T)-(?2 +務(wù)孕+?如果管道無變徑，沒

2、有外加能量，無論水平或傾斜放置，上式可簡化為:?=?1' - ?2?" ? p為截面1到2之間直管段的虛擬壓強(qiáng)差，即單位體積流體的總勢能差，通過壓差傳感器直接測量得到。2. 流體流動(dòng)阻力與流體性質(zhì)、流道的幾何尺寸以及流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，可表示為:?= ?(?,?,?,?,?,?)由量綱分析可以得到四個(gè)無量綱數(shù)群：歐拉數(shù)Eu =? ?/ ?字,雷諾數(shù)?= ? ?,相對粗糙度£ / d和長徑比？?/?=2?從而有? ? ? ? ?強(qiáng)=?(?,?) ?) 取?=:?(?,?/?)，可得摩擦系數(shù)與阻力損失之間的關(guān)系:? ?2? = ?X? ? - - ? 2從而得到實(shí)驗(yàn)中摩擦系數(shù)

3、的計(jì)算式當(dāng)流體在管徑為d的圓形管中流動(dòng)時(shí)，選取兩個(gè)截面，用壓差傳感器測 出兩個(gè)截面的靜壓差，即可求出流體的流動(dòng)阻力。根據(jù)伯努利方程摩擦系數(shù) 與靜壓差的關(guān)系，可以求出摩擦系數(shù)。改變流速可測得不同Re下的入，可以求出某一相對粗糙度下的入-Re關(guān)系。在湍流區(qū)內(nèi)摩擦系數(shù)？= ?(?/?)，對于光滑管(水力學(xué)光滑)，大量實(shí)驗(yàn)證明，Re在103105氛圍內(nèi)，入與Re的關(guān)系遵循Blasius關(guān)系式,?= 0.3163/?嚴(yán)對于粗糙管，入與Re的關(guān)系以圖來表示。3. 對局部阻力，可用局部阻力系數(shù)法表示：?24. ? = ?對于擴(kuò)大和縮小的直管，式中的流速按照細(xì)管的流速來計(jì)算。對一段突然擴(kuò)大的圓直管，局部阻力遠(yuǎn)

4、大于其直管阻力。由忽略直管阻 力時(shí)的伯努利方程? = ? = ( + ) - ( +? 2 ? 2 ?可以得到局部阻力系數(shù)的計(jì)算式:?2+ 2?/? = 1 -?2差。式中，？、?2分別為細(xì)管和粗管中的平均流速,?為 2,1截面的壓突然擴(kuò)大管的理論計(jì)算式為：Z(1 - ?1/?2)，?1、?2分別為細(xì)管和粗管的流通截面積。三、實(shí)驗(yàn)流程:5為不銹本實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，管道水平安裝，水循環(huán)使用，其中管 鋼管，測壓點(diǎn)之間距，內(nèi)徑；管6為鍍鋅鋼管，測壓點(diǎn)間距離，內(nèi)徑22.5mm;管7為突然擴(kuò)大管，由擴(kuò)大至。各測量元件由測壓口與壓差傳感器相連，通 過管口的球閥切換被測管路，系統(tǒng)流量由渦輪流量計(jì) 3調(diào)節(jié)，

5、離心泵的功率 由變頻器通過改變輸入頻率控制轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)控制。四、實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)：1. 開泵：在關(guān)閉所有閥門的情況下，打開電源，啟動(dòng)變頻器至50Hz,固定轉(zhuǎn)速，觀察泵出口壓力穩(wěn)定后，即可進(jìn)行排氣。2. 排氣：在對某一管路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，排盡設(shè)備主管和該管路及對應(yīng)測壓管路內(nèi)的空氣，每切換管路都要排一次氣。關(guān)閉其他控制閥，打開對應(yīng)管 路的控制閥、測壓閥和排氣閥，在50Hz下，調(diào)節(jié)流量至1-2?3/?，待2min 以上，壓差傳感器示數(shù)穩(wěn)定后，關(guān)閉排氣閥和流量調(diào)節(jié)閥，在流量為0下觀察壓差傳感器示數(shù)是否為0,若有較大偏差則氣未排盡，若偏差較小且穩(wěn)定則記錄初始偏差值。103. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測?。捍_定排氣完畢且其余管路

6、切換閥和測壓閥關(guān)閉后，調(diào) 節(jié)變頻器至25Hz左右。對于直管阻力，按照流量由大到小的順序，測取 組數(shù)據(jù)，控制壓差在之間。對于突然擴(kuò)大管的阻力，可測取 3組數(shù)據(jù)。測 取數(shù)據(jù)時(shí)，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)取值應(yīng)等待 2min以上且壓差和流量穩(wěn)定為某值或在 很小范圍內(nèi)波動(dòng)。波動(dòng)時(shí)可取其中點(diǎn)。五、原始數(shù)據(jù)及處理：1. 原始數(shù)據(jù)記錄水的物理性質(zhì)：測定光滑管時(shí)，25C下，P二m,u =s測定粗糙管及突然擴(kuò)大管時(shí)，c下，p二m, =s(1)光滑管和粗糙管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)光滑管數(shù)據(jù)：不銹鋼管，匸，d二，零點(diǎn)誤差po=。 粗糙管數(shù)據(jù)：鍍鋅鋼管，匸，d二，零點(diǎn)誤差p°=。表1光滑管和粗糙管原始數(shù)據(jù)記錄表光滑管粗糙管序號流量 /(

7、m3*h-1) 壓差 /(kPa) 流量 /(m3*h-1) 壓差 /(kPa)12345678910(2)突然擴(kuò)大局部阻力系數(shù)測定數(shù)據(jù)突擴(kuò)管：d仁，d2=,初始誤差p0=表2突然擴(kuò)大局部阻力系數(shù)數(shù)據(jù)記錄表骨口. 序號流量 /(m3*h-1)壓差/(kPa)1232. 數(shù)據(jù)處理表3光滑管數(shù)據(jù)處理表骨口. 序號流量 /(m3*h-1)流速 /(m*s -1)實(shí)際壓差/(kPa)Re入入b1690342624863579964505135458366389137319918254439192701012909其中，入b項(xiàng)為根據(jù)Blasius公式計(jì)算的理論摩擦系數(shù)值。直管阻力系數(shù)的計(jì)算示例: 由表3

8、中第1組數(shù)據(jù)為例,?4? = ?=4 X3.691- x?/?= 2.96?3.14 x (21.0 x 10- 3)23600? ? =?(21.0 X10-3) x 2.96 x 996.950.8973 X 10- 3= 690342? ?= =?強(qiáng)？2 x(7.18 x103) x(21.0 x10-3)2= 0.02303996.95 x2.962 x 1.5?0.31630.3163= ?"5= 69035= 0.01951表4粗糙管數(shù)據(jù)處理表骨口. 序號3 -1-1際丿壓流量/(m *h )流速/(m*s )/(kPa)Re入1668962609133554744498

9、545442346366207313638248379183101012509圖2光滑管和粗糙管的入-Re關(guān)系曲線曲線分析：(a) 光滑管和粗糙管的摩擦系數(shù)均隨 Re的增大而減小，且隨著 Re的增 大，摩擦系數(shù)減小的趨勢趨緩。(b) 在同一 Re下，相對粗糙度更高的粗糙管比光滑管的摩擦系數(shù)更大， 說明e /d越大，摩擦系數(shù)越大。(c) 在同一 Re下，光滑管的摩擦系數(shù)大于水力學(xué)光滑摩擦系數(shù)的理論值， 說明實(shí)驗(yàn)用的光滑管和理論光滑有一定差距。表5突然擴(kuò)大管數(shù)據(jù)處理表壓差序號 流量/(m3*h -1)差細(xì)管流速/(m*s-1) 粗管流速/(m*s -1)Z/(kPa)123局部阻力的計(jì)算示例：以表

10、5中第1組數(shù)據(jù)為例，?1 =?4?4 X3.571X'?/ ?=3600:4.93?/ ?'?1 ='?='3.14 x (16.0 x 10- 3)2?2 =?4?4 X3.571x?/ ?=3600':0.72?/ ?'?2 ='?=-2'3.14 X (42.0 X 10- 3)222?23.20 x 103?2+2?110722 + 2 x-ra-2= 1 -2= 0.7149?24.932?=二 0.7159理論值Z ?=(1 -?1/?2) 2 = (1 - ?呀/?2)2= (1 -倍/422)2 二 0.7308相

11、對偏差?_8 = I 一Z ?0.7159- 0.7308| x100%= | x100%= 2.04%0.7308?測量值與理論值基本符合，但存在一定誤差五、結(jié)果討論分析1. 本次曲線擬合的相對大小比較準(zhǔn)確，但是其中表現(xiàn)的趨勢不明顯，并 未得到隨著雷諾數(shù)增大，摩擦系數(shù)趨近于某一值的結(jié)論?？赡苁菧y定的摩擦 系數(shù)和雷諾數(shù)范圍較小，如果增大測定的雷諾數(shù)上限，即在更高的流速下做 實(shí)驗(yàn)，可以看到更好的趨勢。2. 測定的局部阻力系數(shù)和理論值接近，說明實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好。實(shí)驗(yàn)值低于 理論值，可能是實(shí)驗(yàn)設(shè)備本身存在損耗，細(xì)管在高流量下腐蝕變粗的結(jié)果?？梢钥吹诫S著流量增大有上升趨勢， 而的三次結(jié)果的差值應(yīng)該是被忽略

12、的直 管阻力的影響，因而隨著流量增大，表觀的局部阻力系數(shù)應(yīng)該增大而不是減 小，可能是實(shí)驗(yàn)記錄和計(jì)算舍入的影響。六、思考題1. 在不同設(shè)備(包括相對粗糙度相同而管徑不同)、不同溫度下測定的 入-Re數(shù)據(jù)能否關(guān)聯(lián)在一條曲線上？答：僅在相對粗糙度不同時(shí)可以。由？= ?(?/?)知，摩擦系數(shù)是雷諾數(shù)和相對粗糙度的函數(shù)，當(dāng)相對粗糙度不變時(shí)，可以關(guān)聯(lián)出一條摩擦 系數(shù)和雷諾數(shù)的曲線，而相對粗糙度與溫度無關(guān)。因此，當(dāng)且僅當(dāng)相對保持 粗糙度不變時(shí)，不同設(shè)備，不同溫度的入-Re數(shù)據(jù)能關(guān)聯(lián)在一條曲線上。2. 以水為工作流體所測得的入-Re關(guān)系能否適用于其他種類的牛頓性流 體？為什么？答：可以。由?= ?(?,?/ ?)知，摩擦系數(shù)是雷諾數(shù)和相對粗糙度 的函數(shù)，當(dāng)保持相對粗糙度不變時(shí)，流體性質(zhì)對入-Re關(guān)系不產(chǎn)生影響，可 以適用