管路阻力的测定

1、实验题目：管路阻力的测定一 实验目的1. 学习管路阻力损失hf ,管路摩擦系数及管件、阀门的局部阻力系数的测定方法，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. 测定直管摩擦系数与雷诺数Re 的关系，验证在一般湍流区内与Re 的关系曲线。3. 测定管件、阀门的局部阻力系数。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

2、械能损失称为局部阻力损失。1. 直管阻力摩擦系数的测定。 流体在水平等径直管中稳定流动时，阻力损失为： （3-1）即， （3-2）式中：只管阻力摩擦系数，无因次；d直管内径，m； Pf流体流经l米直管的压力降，Pa；l直管长度，m； Hf单位质量流体流经l米直管的机械能损失，J/kg； u流体在管内流动的平均流速，m/s；流体密度，kg/m3.层流时， （3-3） （3-4）式中：Re雷诺准数，无因次；流体粘度，kg/(m.s).湍流时是雷诺准数Re和相对粗糙度（/d）的函数，须由实验确定。由式（3-2）可知，欲测定，需确定L、d，测定Pf、u、等参数。L、d为装置参数，、通过测定流体温度，再

3、查有关手册而得，u通过测定流体流量，再由管径计算得到。例如本装置采用涡轮流量计测流量V（m3/h）。 （3-5）Pf可用U型管、倒置U型管、测压直管等液柱压差计测定，或采用差压变送器和二次仪表显示。（1） 当采用倒置U型管液柱压差计时， （3-6）式中：R水柱高度，m。（2） 当采用U型管液柱压差计时， （3-7）式中：R液柱高度，m；0指示液密度，kg/m3。根据实验装置结构参数L、d，指示液密度0，流体温度t0，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）、（3-4）和（3-2）求取Re和，再将Re和标绘在双对数坐标图上。2. 局部阻力系数的测定。局

4、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： （3-8）故 （3-9）式中：局部阻力系数，无因次；Pf局部阻力压强降，Pa； 流体密度，kg/m3； g重力加速度，9.81m/s2；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0，流体温度t0，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。三 实验步骤1泵启动：首先对水箱进行灌水，然后关闭

5、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5-10min3 流量调节：通过离心泵变频器调节管路流量，让流量从1到4m³/H范围内变化，建议每次实验变化0.5m³/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=du/=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R

6、e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。四 实验记录与计算1、实验日期：2013-10-15 实验人员：谢敬媚 学号：201130600623 直管基本参数：光滑管径：20mm 长度：100cm 光滑管材质：不锈钢管 粗糙管径：21mm 长度：100cm 粗糙管材质：镀锌铁管局部阻力（闸阀）：管径：20mm 开度：100%实验次数流量m³/h流速m/s压降p Kpa温度hf（J/kg）雷诺数Re光滑管1.00 0.88 0.12 34.70.120708 0.0062 24344.68 1.50 1.33 0.35 34.60.352054 0.0080 36

7、518.27 2.00 1.77 0.69 34.40.694002 0.0089 48694.35 2.50 2.21 1.03 34.41.035973 0.0085 60867.94 3.00 2.65 1.50 34.41.508699 0.0086 73041.53 3.50 3.10 2.07 34.42.082005 0.0087 85215.12 4.00 3.54 2.70 34.62.715844 0.0087 97382.05 4.50 3.98 3.30 34.63.319365 0.0084 109554.80 5.00 4.42 4.10 34.74.124201

8、0.0084 121723.39 粗糙管1.00 0.80 1.06 34.91.066331 0.0696 23183.80 1.50 1.20 2.10 34.72.112396 0.0612 34778.11 2.00 1.60 3.60 34.63.621126 0.0591 46372.40 2.50 2.01 5.53 34.75.562642 0.0581 57963.52 3.00 2.41 8.41 34.68.459352 0.0613 69558.60 3.50 2.81 10.98 34.611.044433 0.0588 81151.70 4.00 3.21 14.5

9、8 34.714.666060 0.0598 92741.63 4.50 3.61 14.99 34.915.079527 0.0486 104327.10 5.00 4.01 14.99 35.115.080574 0.0394 115910.95 实验次数流量m³/h流速m/s压降pKpa温度hf（J/kg）雷诺数Re局部阻力管1.00 0.88 0.24 350.241442 0.308515 24342.16 1.50 1.33 0.58 34.90.583464 0.262800 36514.48 2.00 1.77 1.00 34.91.005972 0.199243 4

10、8685.98 2.50 2.21 1.57 34.91.579377 0.222123 60857.47 3.00 2.65 2.23 34.92.243319 0.208526 73028.97 3.50 3.10 2.98 34.92.997798 0.190979 85200.46 4.00 3.54 3.91 34.93.933352 0.194422 97371.96 4.50 3.98 4.95 34.94.979564 0.209478 109543.45 5.00 4.42 5.97 356.005861 0.192308 121710.78 2、计算过程举例光滑管取流量为1

11、m³/h为例，测得实验数据为：压降p /p =0.12 Kpa；温度=34.7；光滑管管道内径d=20mm；长度L=100cm；由此可知密度为=994.132 kg/m³；粘度= 0.7225*10-3Pa*s； 计算出光滑管液体的平均速度为： =0.88m/s；光滑管压力降为： hf=p/=0.120708 J/kg; =0.0062; =24344.68;粗糙管计算计算同上，在此，不在详述；局部阻力管取流量为1m³/h为例，测得实验数据为压降p =0.24 Kpa；温度=35；局部阻力管内径20mm，长度L=95cm；由此可知密度为=994.029 kg/m&

12、#179;；粘度= 0.7225*10-3 Pa*s；计算出局部阻力管液体的平均速度为： =0.88m/s；局部阻力管的闸阀压力降为： hf=p-p /=0.241442 J/kg； =0.308515；=24342.16；3、粗糙管的实验结论图：图1将上述的曲线以及数据对照食品工程原理教材上的莫迪图可估算出该粗糙管的相对粗糙度和绝对粗糙度。相对粗糙度：/d=0.02绝对粗糙度：=0.02*0.021=0.00424、根据光滑管实验结果Re可知流体流动类型为湍流，运用布拉休斯方程可进行对修正可得出如下表格： 流量m³/h修正值误差10.0062 0.0253 0.7564 1.50.

13、0080 0.0229 0.6506 20.0089 0.0213 0.5837 2.50.0085 0.0201 0.5794 30.0086 0.0192 0.5548 3.50.0087 0.0185 0.5309 40.0087 0.0179 0.5156 4.50.0084 0.0174 0.5182 50.0084 0.0169 0.5022 平均值0.5769 5、局部阻力实验结果如图所示：图2根据实验数据，得出测得的平均局部阻力系数= 0.2209 五 实验分析（1）本实验所得的曲线与教材上的总体上走势一致。误差可能产生于制作曲线所采用的装置不同,标准以同，同学们仪器使用的不熟

14、悉,诸如排气、预热、读数操作等。另外,实验中操作人员的人为判断不同,环境引起的读数不稳定,也会引起误差。（2）根据双对数坐标纸上lglgRe曲线图1可知,在测量范围内，随着Re的增大, 摩擦系数随之减小。当lgRe在4.4到5之间时，平缓下降；又当lgRe在5之后，的下降走势变得剧烈，前者原因是因为，根据Re值的大小，可以判断出流体的流动类型为湍流，又根据布拉休斯方程得知，与Re成反比，而后者是因为流量没有稳定好，压力没有平衡好导致读数产生误差，从而引起实验误差。（3）与修正的之间存在较大的误差，原因可能为修正的本来就是一个范围值，不是准确值，因此两者的比较存在较大的差异。的测定是在流量没有稳

15、定好，压力没有平衡好读取的，因此这样也会造成差异（4）由-Re曲线图可知，在20000-40000左右时，随着Re的增大,阻力系数随之降低，当Re在4000060000时，随着Re的增大，阻力系数随之增大，随后呈平缓降低的趋势。随Re的增加本是降低的，但是在4000060000区域时呈相反状况，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 思考题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？不能关闭，如若关闭则管路系统无法形成回路，液体无法进入管路把把管道中的空气全部排出。2.如何检测管路中的空气已经被排除干净？选择其中一管道，打开该管路，接着开动水泵，管路中气体会从水箱中的排气管排出，当再无气泡从排气管中冒出，则管路中空气被排空。3.以水做介质所测得的Re关系能否适用于其他流体？如何应用？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Re数据能否关联在同一条曲线上？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