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流体流动阻力测定

作者:管理员    发布于:2015-01-08 02:35:20    文字:【】【】【

一、    实验目的

1、掌握流体经直管和管阀件时阻力损失的测定方法。通过实验了解流体流动中能量损失的变化规律。

2、测定直管摩擦系数λ于雷诺准数Re的关系。

3、测定流体流经闸阀等管件时的局部阻力系数ξ

4、学会压差计和流量计的适用方法。

5、观察组成管路的各种管件、阀件,并了解其作用。

二、    实验原理

    流体在管内流动时,犹豫粘性剪应力和涡流的存在,不可避免得要消耗一定的机械能,这种机械能的消耗包括流体流经直管的沿程阻力和因流体运动方向改变所引起的局部阻力。

1、沿程阻力

影响阻力损失的因素很多,尤其对湍流流体,目前尚不能完全用理论方法求解,必须通过实验研究其规律。为了减少实验工作量,使实验结果具有普遍意义,必须采用因次分析方法将各变量组合成准数关联式。根据因次分析,影响阻力损失的因素有,

       (a)流体性质:密度ρ、粘度μ

       (b)管路的几何尺寸:管径d、管长l、管壁粗糙度ε

       (c)流动条件:流速μ

可表示为:

则式中,λ称为摩擦系数。层流 (滞流)时,λ64Re;湍流时λ是雷诺准数Re和相对粗糙度的函数,须由实验确定

(2)局部阻力

    局部阻力通常有两种表示方法,即当量长度法和阻力系数法。

(a)当量长度法

      流体流过某管件或阀门时,因局部阻力造成的损失,相当于流体流过与其具有相当管径长度的直管阻力损失,这个直管长度称为当量长度,用符号le表示。

则流体在管路中流动时的总阻力损失为b)阻力系数法流体通过某一管件或阀门时的阻力损失用流体在管路中的动能系数来表示,这种计算局部阻力的方法,称为阻力系数法。

即式中,ξ——局部阻力系数,无因次;u ——在小截面管中流体的平均流速,ms

三、    实验装置流程

1)实验装置

     实验装置如图所示主要由高位槽,不同管径、材质的管子,各种阀门和管件、转子流量计等组成。第一根为不锈钢光滑管,第二根为镀锌铁管,分别用于光滑管和粗糙管湍流流体流动阻力的测定。第三根为不锈钢管,装有待测闸阀,用于局部阻力的测定。    

2)装置结构尺寸

 

名称

 

材质

内管径(mm

 

测量段长度

    m

装置号1

装置号2

光滑管

不锈钢管

28.974

28.4755

 1.2

          

粗糙管

镀锌铁管

27.7406

27.7406

局部阻力

闸阀

27.8878

27.8878

层流管

钢管

8

8

2.5

 

四、    实验步骤及注意事项

1       做光滑管、粗糙管、局部阻力实验时,关闭阀5和阀6.

2       打开泵的出口阀2与灌水阀、排气阀,给水泵灌水,管好后关闭泵的排气阀、出口阀2和灌水阀。打开总电源,打开仪表电源,开关旋到直接位置,离心泵停止按钮亮,按下启动按钮启动离心泵。

3       换换打开泵的出口阀2,及歌管阀门,做好倒U型压差计的排气准备。

4       U型压差计的适用方法,对倒U型压差计在带压且零流量的情况下进行排气调零。

5       当装置确定后,根据实验测定值,可计算λξ,在等温条件下,雷诺数Re=duρ/μ=Au 其中A为常数,因此只要调节流量调节阀,可得一系列λ~Re的实验点,绘出λ~Re曲线。

6       半开阀,缓缓调节阀3,稳定后,正确测取压差和流量等参数。再改变流量,读取不同流量下的测取压差和流量等有关参数。

7       流量从1m?/h开始,每改变0.4左右,测实验数据并记录。

8       做层流管实验时,关闭阀45,打开阀36,正常启动水泵后,关闭转子流量计上的层流流量调节阀,对小倒U型压差计进行排气调零工作。

五、原始实验数据(附页)

光滑管

流量(L/h

H1(cm)

H2(cm)

H(cm)

闸阀

流量(L/h

H1(cm)

H2(cm)

H(cm)

1

5000

18.32

57.65

39.33

1

5000

16.25

36.45

20.20

2

4600

18.30

55.70

37.40

2

4600

14.70

36.50

21.80

3

4200

18.55

53.75

35.50

3

4200

12.40

36.40

24.00

4

3800

18.65

51.55

32.90

4

4000

11.35

36.40

25.05

5

3400

18.85

49.75

30.90

5

3800

9.70

36.45

26.75

6

3000

18.85

48.10

29.25

6

3600

7.65

36.85

29.20

7

2600

18.90

46.70

27.80

7

3400

7.90

36.40

28.50

8

2200

18.90

45.10

26.20

8

3000

6.30

36.40

30.10

粗糙管

流量(L/h

H1(cm)

H2(cm)

H(cm)

层流

流量(L/h

H1(cm)

H2(cm)

H(cm)

1

5000

13.20

63.55

50.35

1

96

40.40

58.35

17.95

2

4600

14.80

59.80

45.00

2

84

42.80

56.70

13.90

3

4200

15.20

57.00

41.80

3

72

44.20

55.05

10.85

4

3800

15.60

54.05

38.45

4

60

45.85

53.45

7.60

5

3400

16.20

51.45

35.25

5

48

47.55

51.80

4.25

6

3000

16.85

48.95

32.10

6

36

48.25

51.10

2.85

7

2600

17.00

46.00

29.00

7

24

48.80

50.70

1.90

8

2200

17.50

44.25

26.75

8

12

49.30

50.25

0.95

六、数据处理

(1)查数据可知 黏度:1.1111 *10-3 Pa.s  密度:998.6 kg/m3   p =ρgH   L=1.2md=27.7406mm(粗糙管)L=1.2md=28.4755mm(光滑管)L=1.2md=28.8878mm(闸阀)L=2.5md=8mm(层流管)

次数

闸阀

粗糙管

 光滑管

层流

ΔP/pa

u2/m2*s-2

 

ΔP/pa

u2/m2*s-2

ΔP/pa

u2/m2*s-2

ΔP/pa

u2*10-3/m2*s-2

1

2017.2

5.28

5028.0

5.28

3927.5

5.28

1792.5

0.2809

2

2176.9

4.47

4493.7

4.47

3734.8

4.47

1388.1

0.2116

3

2396.6

3.73

4174.1

3.73

3545.0

3.73

1083.5

0.1600

4

2501.5

3.38

3839.6

3.05

3219.7

3.05

758.9

0.1089

5

2671.3

3.05

3520.1

2.44

3085.7

2.44

424.4

0.0676

6

2915.9

2.74

3205.5

1.90

2920.9

1.90

284.6

0.0400

7

2846.0

2.44

2896.0

1.73

2776.1

1.73

189.7

0.0169

8

3005.8

1.90

2671.3

1.02

2616.3

1.02

94.9

0.0049

        

序号

粗糙管阻力

层流阻力

直管摩擦系数λ

雷诺数Re

直管摩擦系数λ

雷诺数Re

1

0.0438

57289.10

0.0401

3810.7

2

0.0464

52711.82

0.0427

3307.4

3

0.0517

48151.44

0.0425

2826.0

4

0.0584

43541.62

0.0438

2372.7

5

0.0669

38944.83

0.0395

1869.4

6

0.0776

34366.22

0.0447

1438.0

7

0.0778

32792.74

0.0706

934.7

8

0.1211

25178.06

0.1217

503.3

序号

光滑管阻力

闸阀阻力

直管摩擦系数λ

雷诺数Re

局部阻力系数ξ

1

0.0385

55289.13

0.765

2

0.0435

51184.56

0.975

3

0.0489

46834.04

1.287

4

0.0556

42483.31

1.482

5

0.0685

37876.62

1.750

6

0.0793

33525.87

2.133

7

0.1014

28919.26

2.345

8

0.1324

24568.64

3.171

 1)粗糙管

由数据作图得:

2.根据光滑管数据,对照柏拉修斯方程,计算误差。柏拉修斯公式: λ=(0.3164)/Re^(0.25),上式适用范围为Re=5*103~1*105, 计算得到的误差非常大,有个别数据的误差达到了百分之几百,分析原因,造成误差的原因是测量U形压差计时U形管一边读数基本没变,可能是管间没有连通。

(3). 由得

局部阻力:      d=27.8878mm   黏度:1.1111 *10-3 Pa.s得到ξ填于上表。

平均ξ=1.7385 

七、结果分析与讨论

从上面的数据及所作出的图来看,本次实验存在一定误差,可能有几方面的原因:

测定H时读刻度时存在误差,不与凹液面最低处相齐平;流量未控制得当,未在平衡时读数;仪器漏气;系统本身的误差;液柱还没有稳定就开始读数。

八、思考题解答

1、流体流动时为什么会产生摩擦阻力?摩擦阻力以哪几中形式反映出来?

流体的黏性是产生阻力的主要原因,由于管壁间的摩擦易产生摩擦阻力形式有沿程阻力和局部阻力。

2、如何检验测试系统内的空气已经被排除干净?若测压管道中存有气体将对测量带来什么影响?

实验开始前和结束后,都应关闭泵的出口阀,检查倒U型压差计各臂读数是否相同,如不相等,则测压系统中有气泡,需重新排气。

3、以水做介质所测得的?关系能否适用于其他流体?

可以用于牛顿流体的类比,牛顿流体的本构关系一致。应该类似平行的曲线,但雷诺数本身并不十分准确,建议取中间段曲线,不要用两边端数据。

4、若要减少流动时的阻力,你认为从哪些方面着手去解决?

在管道壁上施加电场来减小流动阻力;让流体以喷淋的方式流动。

 

 
 
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