管路阻力的测定

管路阻力的测定 一 实验目的 1. 学习管路阻力损失h ,管路摩擦系数λ及管件、阀门的局部阻力系数ζ的测f 定方法，并通过实验了解它们的变化规律，巩固对流体阻力基本理论的认识; 2. 测定直管摩擦系数λ与雷诺数Re 的关系，验证在一般湍流区内λ与Re 的关系曲线。 3. 测定管件、阀门的局部阻力系数ζ。 4. 学会倒U形压差计和涡轮流量计的使用方法。 5. 识辨组成管路的各种管件、阀门，了解其作用。 二 实验原理 流体通过由直管、管件和阀门等组成的管路系统时，由于粘性剪应力和涡流的存在，要损失一定的机械能。流体流经直管时所造成机械能损失称为直管阻力损失。流体通过管件、阀门时因流体运动方向和速度大小改变所引起的机械能损失称为局部阻力损失。 1. 直管阻力摩擦系数λ的测定。 流体在水平等径直管中稳定流动时，阻力损失为: 2,ppplu,f12h,,,, (3-1) fd2,, 22dhdp,ff,,,即， (3-2) 22lulu, 式中:λ——只管阻力摩擦系数，无因次;d——直管内径，m; ΔP——流体流经l米直管的压力降，Pa;l——直管长度，m; f H——单位质量流体流经l米直管的机械能损失，J/kg; f 3 u——流体在管内流动的平均流速，m/s;ρ——流体密度，kg/m. 64层流时， (3-3) ,,Re du,Re, (3-4) , 式中:Re——雷诺准数，无因次;μ——流体粘度，kg/(m.s). 湍流时λ是雷诺准数Re和相对粗糙度(ε/d)的函数，须由实验确定。 由式(3-2)可知，欲测定λ，需确定L、d，测定ΔP、u、ρ、μ等参数。f L、d为装置参数，ρ、μ通过测定流体温度，再查有关手册而得，u通过测定流 体流量，再由管径计算得到。 3例如本装置采用涡轮流量计测流量V(m/h)。 V (3-5) u,2900,d ΔP可用U型管、倒置U型管、测压直管等液柱压差计测定，或采用差压变f 送器和二次仪显示。 (1) 当采用倒置U型管液柱压差计时， ,,pgR, (3-6) f 式中:R——水柱高度，m。 (2) 当采用U型管液柱压差计时， ,,,pgR(),, (3-7) f0 3式中:R——液柱高度，m;ρ——指示液密度，kg/m。 0 根据实验装置结构参数L、d，指示液密度ρ，流体温度t，及实验室时测00定的流量V、液柱压差计的读数R，通过式(3-5)、(3-6)或(3-7)、(3-4)和(3-2)求取R和λ，再将R和λ标绘在双对数坐标图上。 ee 2. 局部阻力系数ξ的测定。 局部阻力损失通常有两种表示方法，即当量长度法和阻力系数法。本实验采用阻力系数法。 阻力系数法:流体通过某一管件或阀门时的机械能损失表示为流体在小管径内流动时平均动能的某一倍数，局部阻力的这种计算方法，称为阻力系数法。即: 2,p'ufh',,, (3-8) fg2, 2',pf,,故 (3-9) 2gu, 式中:ξ——局部阻力系数，无因次;ΔP’——局部阻力压强降，Pa; f 32 ρ——流体密度，kg/m; g——重力加速度，9.81m/s; 根据连接管件或阀门两端管径中小管的直径d，指示液密度ρ，流体温度t，00及实验室时测定的流量V、液柱压差计的读数R，通过式(3-5)、(3-6)或(3-7)、(3-9)求取管件或阀门的局部阻力系数ξ。 三、实验装置与 1. 实验装置 实验装置LB201D如图3-1所示 1- 离心泵;2-进口压力变送器;3-铂热电阻(测量水温);4-出口压力变送器;5-电器仪表控制箱;6-均压环;7-粗糙管;8-光滑管(离心泵实验中充当离心泵管路);9-局部阻力管;10-管路选择球阀;11-涡轮流量计;12-局部阻力管上的闸阀;13-电动调节阀;14-差压变送器;15-水箱 图3-1 管路阻力实验装置流程示意图 实验对象部分是由贮水箱，离心泵，不同管径、材质的水管，各种阀门、管件，涡轮流量计和倒U型压差计等所组成的。管路部分有三段并联的长直管，分别为用于测点局部阻力系数，光滑管直管阻力系数和粗糙管直管阻力系数。测定局部阻力部分使用不锈钢管，其上装有待测管管件(闸阀);光滑管直管阻力的测定同样使用内壁光滑的不锈钢管，而粗糙管直管阻力的测定对象为管道内壁较粗糙的镀锌管。 水的流量使用涡轮流量计测量，管路和管件的阻力采用差压变送器将差压信 号传递给无纸记录仪。 2.装置参数 装置参数如表3-1所示。由于管子的材质存在批次的差异，所以可能会产生 管径的不同，所以表3-1中的管内径只能作为参考。 表3-1 管路阻力实验装置参数表 装置1 名称 材质 管内径(mm) 测量长度 (cm) 管路号 管内径 局部阻力 闸阀 1A 20.0 95 光滑管 不锈钢管 1B 20.0 100 粗糙管 镀锌铁管 1C 21.0 100 四 实验步骤 1泵启动:首先对水箱进行灌水，然后关闭出口阀，打开总电源和仪表开关，启动水泵，待电机转动平稳后，把出口阀缓缓开到最大。 2 实验管路选择:选择实验管路，把对应的进口阀打开，并在出口阀最大开度下，保持全流量流动5-10min 3 流量调节:通过离心泵变频器调节管路流量，让流量从1到4m?/H范围内变化，建议每次实验变化0.5m?/h左右。每次改变流量，待流动到达稳定后，记下对应的压差值，自控状态，流量控制界面设定流量值或设定电动调节阀开度，待流量稳定记录相关数据即可。 4 计算:装置确定时，根据?p和u的实验测定值，可计算入和，在等温条件下，雷诺数Re=duρ/μ=Au，其中A为常数，因此只要调节管路流量，即可得到一系列入~Re曲线。 5 实验结束:关闭出口阀，关闭水泵和仪表电源，清理装置。 五、实验数据分析 实验日期:2010.12.02 实验人员:黄子珊 学号:200830600507 直管基本参数: 光滑管径20.0mm 光滑管长度100cm 光滑管材质 不锈钢管 粗糙管径21.0mm 粗糙管长度100cm 粗糙管材质 镀锌铁管 局部阻力(闸阀): 管径20.0mm 开度100% 表3—2 管路阻力实验原始数据及其处理 管路 实验 流量 流速 压降ΔP 温度 h λ Re f类型 次数 (m?/h) (m/s) (KPa) (?) 1 1 0.88 0.41 25.1 0.41 0.021178 19428.82 2 1.5 1.33 0.84 25.2 0.84 0.018995 29364.02 3 2 1.77 1.39 25.6 1.39 0.017747 39078.43 4 2.5 2.21 2.06 25.0 2.07 0.016953 48792.84 光滑管 5 3 2.65 2.83 25.0 2.84 0.016177 58507.26 6 3.5 3.10 3.71 25.3 3.72 0.015484 68442.45 7 4 3.54 4.72 25.0 4.74 0.015130 78156.86 8 4.5 3.98 5.77 24.8 5.79 0.014621 87871.28 9 4.9 4.33 6.61 24.7 6.63 0.014145 95598.65 1 1 0.80 0.61 25.0 0.61 0.040031 18545.70 2 1.5 1.20 1.21 25.0 1.21 0.035292 27818.54 3 2 1.60 2.12 25.0 2.13 0.034945 37091.39 4 2.5 2.01 3.29 25.0 3.30 0.034306 46596.06 粗糙管 5 3 2.41 4.68 25.1 4.70 0.033987 55868.91 6 3.5 2.81 6.37 25.1 6.39 0.033989 65141.76 7 4 3.21 8.25 25.2 8.28 0.033750 74414.61 8 4.5 3.61 10.38 25.7 10.42 0.033582 83687.45 9 4.93 3.96 12.51 25.8 12.55 0.033613 91801.20 管路 压降Δ实验 流量 流速 温度类型 P’ h' ξ Re f次数 (m?/h) (m/s) (?) (KPa) 1 1 0.88 0.49 26.4 0.060 0.154953 19428.82 2 1.5 1.33 0.95 26.3 0.116 0.131520 29364.02 3 2 1.77 1.58 26.6 0.193 0.123504 39078.43 4 2.5 2.21 2.53 26.0 0.310 0.126855 48792.84 局部阻5 3 2.65 3.86 25.9 0.473 0.134606 58507.26 力管 6 3.5 3.10 5.10 25.8 0.624 0.129962 68442.45 7 4 3.54 6.57 26.4 0.804 0.128389 78156.86 8 4.5 3.98 8.23 25.7 1.008 0.127234 87871.28 9 5 4.42 9.97 26.1 1.221 0.124974 97585.69 2(计算过程举例 1)直管阻力摩擦系数λ的测定 通过查阅有关数据水在25?的物性为:.5kg/m3,kg/(m?s); u=90.27 由实验数据可得，U==m/s hf=0.41J/kg 0.021178 λ= 当流体为滞流或层流时，Re=19428.82 2)局部阻力系数ξ的测定 管路的局部压降等于管道总压降减去光滑管压降，即: 由hf’==ξ得ξ=0.154953 3(根据粗糙管实验结果，在双对数坐标纸上标绘制曲线得: lgRe,lgλ曲线 4(根据光滑管实验结果，对照布拉修斯方程，计算其误差。 对光滑管实验结果使用布拉修斯方程λ=计算结果如下表: 实验次布拉休斯方程 λ Re 误差 数 计算结果 0.021178 19428.82 1 0.026799 20.97% 0.018995 29364.02 2 0.024170 21.41% 3 0.017747 39078.43 0.022504 21.14% 0.016953 48792.84 4 0.021289 20.37% 5 0.016177 58507.26 0.020344 20.48% 0.015484 68442.45 6 0.019562 20.84% 0.015130 78156.86 7 0.018923 20.04% 0.014621 87871.28 8 0.018377 20.44% 0.014145 95598.65 9 0.017994 21.39% ,5(根据局部阻力实验结果，在双对数坐标纸上标绘实测的,Re曲线。求出闸 ,阀一定开度时的平均值。 ,,Re曲线 6(对实验现象和实验结果进行分析讨论。 (1)由λ,Re曲线图可知,在一定的范围内，随着Re的增大, 摩擦系数λ随之减小。当Re在28000左右时，λ变成平缓下降。 (2)由ζ-Re曲线图可知，随着Re的增大,阻力系数ζ先减少,后稍有上升, 再平缓下降。此图与书本上的图相比，大概趋势不太相同，可能又是压力没有平衡好导致读数产生误差，从而引起实验误差。 六、思考 1.在对装置做排气时，是否一定要关闭流程尾部的出口阀,为什么, 答:应该关闭。 应为这样可以把管道中的气泡全部排出。 2.如何检测管路中的空气已经被排除干净, 答:在流动测定中气体在管路中，对流动的压力测量产生偏差，在实验中一定要排出气体，让流体在管路中流动，这样流体的流动测定才能准确。当流出的液体无气泡是就可以证明空气已经排干净了。 3.以水做介质所测得的λ,Re关系能否适用于其他流体,如何应用, 答:可以用于牛顿流体的类比，牛顿流体的本构关系一致。应该是类似平行的曲线，但雷诺数本身并不是十分准确，建议取中间段曲线，不要用两边端数据。雷诺数本身只与速度，粘度和管径一次相关，不同流体的粘度可以查表。 4.在不同设备上(包括不同管径)，不同水温下测定的λ,Re数据能否关联在同一条曲线上, 答: 一次改变一个变量，是可以关联出曲线的，一次改变多个变量时不可以的。另外，不要奢望可以做出一个多项式之类的好的曲线，这是不可2.一次改变一个变量，是可以关联出曲线的，一次改变多个变量时不可以的。 5.如果测哑口、孔边缘有毛刺或安装不垂直，对静压的测量有何影响, 答:没有影响.静压是流体内部分子运动造成的.表现的形式是流体的位能.是上液面和下液面的垂直高度差.只要静压一定.高度差就一定.如果用弹簧压力表测量压力是一样的.所以没有影响. 6.将实验曲线与教材上相应曲线比较。分析其误差及误差产生的原因。 答:λ,Re曲线图可知,在一定的范围内，随着Re的增大, 摩擦系数λ随之减小，当Re在28000左右时，λ变成平缓下降;ζ-Re曲线图可知，随着Re的增大,阻力系数ζ先减少,后稍有上升,再平缓下降。两者可能是由于压力没有平衡好导致读数产生误差，从而引起实验误差。