单相流动阻力测定实验

单向流动阻力测定实验装置说明书天津大学化工基础实验中心2013．061一、实验目的：1.学习直管摩擦阻力△Pf、直管摩擦系数的测定方法。2.掌握直管摩擦系数与雷诺数Re和相对粗糙度之间的关系及其变化规律。3.掌握局部摩擦阻力△Pf、局部阻力系数ζ的测定方法。4.学习压强差的几种测量方法和提高其测量精确度的一些技巧。二、实验内容：1.测定实验管路内流体流动的阻力和直管摩擦系数。2.测定并绘制实验管路内流体流动的直管摩擦系数与雷诺数Re和相对粗糙度之间的关系曲线。3.测定管路部件局部摩擦阻力△Pf和局部阻力系数ζ。三、实验原理：1.直管摩擦系数与雷诺数Re的测定流体在管道内流动时，由于流体的粘性作用和涡流的影响会产生阻力。流体在直管内流动阻力的大小与管长、管径、流体流速和管道摩擦系数有关，它们之间存在如下关系：22udlhfPf（1）22uPldf（2）udRe（3）式中：d管径，m；fP直管阻力引起的压强降，Pa；l管长，m；流体的密度，kg/m3；u流速，m/s；流体的粘度，N·s/m2。直管摩擦系数λ与雷诺数Re之间有一定的关系，这个关系一般用曲线来表示。在实验装置中，直管段管长l和管径d都已固定。若水温一定，则水的密度和粘度也是定值。所以本实验实质上是测定直管段流体阻力引起的压强降fP与流速u（流量V）之间的关系。根据实验数据和式（1-2）可计算出不同流速下的直管摩擦系数，用式（3）2计算对应的Re，从而整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系，绘出与Re的关系曲线。2．局部阻力系数的测定:22'uPhff（4）2'2uPf（5）式中：局部阻力系数，无因次；'fP局部阻力引起的压强降，Pa；'fh局部阻力引起的能量损失，J／kg。图-1局部阻力测量取压口布置图局部阻力引起的压强降'fP可用下面的方法测量：在一条各处直径相等的直管段上，安装待测局部阻力的阀门，在其上、下游开两对测压口a-a'和b-b＇，见图1-1，使ab＝bca＇b＇＝b＇c＇则△Pf，ab＝△Pf，bc；△Pf，a＇b＇=△Pf，b＇c＇在a~a＇之间列柏努利方程式：Pa－Pa＇=2△Pf，ab+2△Pf，a＇b＇+△P＇f（1-6）在b~b＇之间列柏努利方程式：Pb－Pb＇=△Pf，bc+△Pf，b＇c＇+△P＇f=△Pf，ab+△Pf，a＇b＇+△P＇f（1-7）联立式（1-6）和（1-7），则：'fP＝2（Pb－Pb＇）－（Pa－Pa＇）为了便于区分，称（Pb－Pb＇）为近点压差，（Pa－Pa＇）为远点压差。其数值通过差压传感器来测量。四、实验装置基本情况:1.实验装置技术参数离心泵：型号WB70/055流量8m3／h扬程:12m电机功率550W被测直管段：光滑管管径d=0.0078(m)管长L-1.70(m)材料不锈钢粗糙管管径d=0.01(m)管长L-1.70(m)材料不锈钢被测局部阻力直管:管径d=0.015(m)管长L-1.70(m)材料不锈钢3玻璃转子流量计：型号LZB—25测量范围100~1000（L/h）型号LZB—10测量范围10~100（L/h）压差传感器：型号LXWY测量范围200KPa数字显示仪表:温度测量Pt100数显仪表：AI501B压差测量压差传感器数显仪表：AI501BV242.单相流动阻力测定实验装置流程示意图（见图-2）图-2单相流动阻力测定实验装置流程示意图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-粗糙管测压阀；9、19-光滑管测压阀；10-局部阻力管阀；11-U型管进出水阀；12-压力传感器；14-大流量调节阀；15、16-水转子流量计；17-光滑管阀；18-粗糙管阀；21-倒置U型管放空阀；22-倒置U型管；23-水箱放水阀；24-放水阀；43.单相流动阻力测定实验装置面板示意图见图-3图-3实验装置面板示意图五、实验方法及步骤：1.向储水槽内注水至水满为止。(最好使用蒸馏水，以保持流体清洁)2.光滑管阻力测定：①关闭粗糙管路阀门，将光滑管路阀门全开，在流量为零条件下，打开通向倒置U型管的进水阀，检查导压管内是否有气泡存在。若倒置U型管内液柱高度差不为零，则表明导压管内存在气泡。需要进行赶气泡操作。导压系统如图三所示。操作方法如下：加大流量，打开U型管进出水阀门11，使倒置U型管内液体充分流动，以赶出管路内的气泡；若观察气泡已赶净，将流量调节阀24关闭，U型管进出水阀11关闭，慢慢旋开倒置U型管上部的放空阀26后，分别缓慢打开阀门3、4，使液柱降至中点上下时马上关闭，管内形成气—水柱，此时管内液柱高度差不一定为零。然后关闭放空阀26，打开U型管进出水阀11，此时U型管两液柱的高度差应为零（1—2mm的高度差可以忽略），如不为零则表明管路中仍有气泡存在，需要重复进行赶气泡操作。②该装置两个转子流量计并联连接，根据流量大小选择不同量程的流量计测量流量。③差压变送器与倒置U型管亦是并联连接，用于测量压差，小流量时用∪型管压差计测量，大流量时用差压变送器测量。应在最大流量和最小流量之间进行5实验操作，一般测取15～20组数据。注：在测大流量的压差时应关闭U型管的进出水阀11，防止水利用U型管形成回路影响实验数据。图-4导压系统示意图3、4-排水阀；11-U型管进水阀；12-压力传感器；26-U型管放空阀；27-U型管3.粗糙管阻力测定：关闭光滑管阀，将粗糙管阀全开，从小流量到最大流量，测取15~20组数据。4.测取水箱水温。待数据测量完毕，关闭流量调节阀，停泵。5.粗糙管、局部阻力测量方法同前。六、实验操作注意事项：1.启动离心泵之前以及从光滑管阻力测量过渡到其它测量之前，都必须检查所有流量调节阀是否关闭。2.利用压力传感器测量大流量下△P时,应切断空气—水倒置∪型玻璃管的阀门否则将影响测量数值的准确。3.在实验过程中每调节一个流量之后应待流量和直管压降的数据稳定以后方可记录数据。七、附数据处理过程举例：计算过程1.流体阻力测量(1)直管摩擦系数与雷诺数Re的测定①光滑管小流量数据：Q＝60(L／h)h＝67(ｍｍH2O)(表一第17组数据)6实验水温t=27.7℃粘度＝0.85×10-3(Pa.s)密度＝995.81（kg／m3）管内流速53.07800.0)4/(1000/3600/60)4(22dQu（m/s）阻力降1000/6781.95.8199hgPf=656(Pa)雷诺数31085.05.819953.07800.0Reud3.19×103阻力系数2253.06561.705.81998700.022uPLdf4.97×10-2②粗糙管大流量数据：Q＝300(L／h)△P＝24.7(kPa)(表二第13组数据)实验水温t=27.7℃粘度＝0.85×10-3(Pa.s)密度＝995.81（kg／m3）管内流速2201.0)4/(1000/3600/300)4(dQu1.06（m/s）阻力降fP24.7×1000=24700（Pa)雷诺数31085.05.819906.101.0Reud1.24×104阻力系数2206.10024770.15.819901.022uPLdf=0.262.局部阻力系数的测定局部阻力实验数据：Q＝800(L／h)近端压差＝49.6(kPa)远端压差＝50.1(kPa)实验水温t=29.2℃粘度＝0.82×10-3(Pa.s)密度＝995.40（kg／m3）管内流速：26.10015.0)4/(1000/3600/800)4(22dQu（m/s）局部阻力：'fP＝2(Pb－Pb＇)－(Pa－Pa＇)=（2×49.6-50.1）×1000=49100（Pa)7局部阻力系数：3.6226.1004915.40992222'uPf3.单相流动阻力实验数据记录表（光滑管）见表一表一单相流动阻力实验数据记录表（光滑管）光滑管内径7.8mm管长1.70m液体温度℃液体密度kg/m液体粘度μ=Pa.S序号流量(l/h)直管压差ΔPΔP（Pa）流速u(m/s)Reλ（kPa）（mmH2o）123456789101112131415161718194.单相流动阻力实验数据记录（粗糙管）见表二表二单相流动阻力实验数据记录表（粗糙管）粗糙直管内径10mm管长1.70液体温度27.7℃液体密度ρ=995.81kg/m液体粘度μ=0.85mPa.S序号流量(l/h)直管压差ΔPΔP（Pa）流速u(m/s)Reλ（kPa）（mmH2o）11000145.51455003.54495230.138392900114.31143003.18445700.13422380096.9969002.83396180.144018470072.3723002.48346660.14034560055.5555002.12297140.14664650041.6416001.77247610.15827740027.3273001.42198090.16229830015.6156001.06148570.1648792006.565000.7199050.154561010026325770.3549520.24513119022722240.3244570.26121128018918520.2839620.27525137013913620.2534670.26440146010810580.2129710.279621550817940.1824760.301995.单相流体阻力实验装置数据记录（局部阻力）见表三表三流体阻力实验数据记录表（局部阻力）序号流量Q近端压差远端压差流速u局部阻力阻力系数ζ（l/h）（kPa）（kPa）(m/s)压差（kPa）180049.650.11.264910062.3260028.328.60.942800063.2340013.113.30.631290065.56.直管摩擦阻力系数与雷诺准数关系图见图5图5直管摩擦阻力系数与雷诺准数关系图