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1、流体力学综合实验装置 流体流动阻力测定 一、实验目的一、实验目的1掌握测定流体流经直管、管件和阀门时阻力损失的一般实验方法。2测定直管摩擦系数与雷诺准数Re的关系，验证在一般湍流区内与Re的关系曲线。3测定流体流经管件、阀门时的局部阻力系数。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，并了解其作用。二、基本原理二、基本原理 流体通过由直管、管件（如三通和弯头等）和阀门等组成的管路系统时，由于粘性剪应力和涡流应力的存在，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
2、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：即，式中：直管阻力摩擦系数，无因次；d 直管内径，m；流体流经l米直管的压力降，Pa；单位质量流体流经l米直管的机械能损失，J/kg；流体密度，kg/m3；l 直管长度，m；u 流体在管内流动的平均流速，m/s。滞流(层流)时，式中：Re 雷诺准数，无因次；流体粘度，kg/(ms)。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。由上式可知，欲测定，需确定l、d，测定、u、等参数。l、d为装置参数（装置参数表格中给出），、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。2局部阻力系
3、数 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。(1)当量长度法 流体流过某管件或阀门时造成的机械能损失看作与某一长度为 的同直径的管道所产生的机械能损失相当，此折合的管道长度称为当量长度，用符号 表示。这样，就可以用直管阻力的公式来计算局部阻力损失，而且在管路计算时可将管路中的直管长度与管件、阀门的当量长度合并在一起计算，则流体在管路中流动时的总机械能损失 为：(2)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：故 式中：局部阻力系数，无因次；局部阻力压强降，Pa；流体密度，kg
4、/m3；g 重力加速度，9.81m/s2；u 流体在小截面管中的平均流速，ms。本实验采用阻力系数法表示管件或阀门的局部阻力损失。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 ，流体温度t0(查流体物性、)，及实验时测定的流量V、液柱压差计的读数R，通过上述公式求取管件或阀门的局部阻力系数。三、实验装置与流程三、实验装置与流程 1、实验装置实验装置如图1所示：1水箱；2离心泵；3进口压力表；4出口压力表；5涡轮流量计；6闸阀；7球阀；8倒U形压差计；9均压环；10球阀；11局部阻力管上的闸阀；12出水管路闸阀；13水箱放水阀；14-温度计 图1 实验装置流程示意图2.实验流程实验对象部
5、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。管路部分有四段并联的长直管，分别为用于测定局部阻力系数，光滑管直管阻力系数，粗糙管直管阻力系数以及层流管阻力系数。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，粗糙管直管阻力的测定对象为管道内壁较粗糙的镀锌管，测定层流管阻力系数使用的是不锈钢管。水的流量使用玻璃转子流量计测量，管路和管件的阻力采用倒U形压差计将进口出口的压差直接显示出来。3装置参数装置参数如表1所示。表1装置1名称材质管内径（mm）测量段长度（cm）管路号管内径粗糙管镀锌铁管
6、1A21.0100光滑管不锈钢管1B20.0100局部阻力管不锈钢管1A20.094.5四、实验步骤四、实验步骤1泵启动：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，对水泵进行灌泵，以防止气缚，然后打开水泵，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：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510min。3.排气：排气：先进行管路的引压操作。需打开光滑管均压环上的引压阀A和B后，对1号倒U型管（这种压差计内充空气，以待测液体为指示液，一般用于测量液体小压差的场合）进行操作如下，其结构如图2所示。图2 倒U型管压差计
7、1低压侧阀门；2高压侧阀门；3进气阀门；4平衡阀门；5出水活栓a)排出系统和导压管内的气泡。关闭管路总出口阀7，使系统处于零流量、高扬程状态。关闭进气阀门(3)和出水活栓(5)以及平衡阀门(4)。打开高压侧阀门(2)和低压侧阀门(1)使实验系统的水经过系统管路、导压管、高压侧阀门(2)、倒U形管、低压侧阀门(1)排出系统。b)玻璃管吸入空气。排净气泡后，关闭(1)和(2)两个阀门，打开平衡阀(4)和出水活栓(5)进气阀(3)，使玻璃管内的水排净并吸人空气。c)平衡水位。关闭阀(4)、(5)、(3)，然后打开(1)和(2)两个阀门，让水进入玻璃管至平衡水位(此时系统中的出水阀门始终是关闭的，管路
8、中的水在零流量时，U形管内水位是平衡的。)压差计即处于待用状态 d)调节管路总出口阀，则被测对象在不同流量下对应的差压，就反应为倒U型管压差计的左右水柱之差。4引压：引压：打开对应实验管路的手阀,然后适当调节流量大小，看是否倒U形压差计可以正常指示。5流量调节：流量调节：手控出水闸阀，,然后开启管路出口阀，调节流量，让流量从小到大或从大到小变化。每次改变流量，待流动达到稳定后，记下对应的压差值，主要获取实验参数为：流量Q、测量段压差P，及流体温度t；管内径d和测量段管长L为给定的装置参数。按上步操作，由小到大或由大到小调节管路总出口阀，待各参数显示稳定后，读取各项数据，共作810组实验点。6进
9、行粗糙管阻力测定：进行粗糙管阻力测定：先打开粗糙管的阀门，然后将管路上的闸阀开到最大开度，重复15步骤。7进行局部阻力管阻力测定：进行局部阻力管阻力测定：先打开局部阻力管的阀门，然后将管路上的闸阀开到最大开度，重复15步骤。8实验结束：实验结束：关闭出口阀，关闭水泵和仪表电源，清理装置。9计算：计算：装置确定时，根据和u的实验测定值，可计算和，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Re的实验点，从而绘出Re曲线。五、实验数据处理五、实验数据处理根据上述实验测得的数据填写到下表：实验日期：实验人员：学号：温度：装置号：直管基本参数：光滑管径 粗
10、糙管径 局部阻力管径 表2序号流量(m3/h)光滑管mmH2O粗糙管mmH2O局部阻力mmH2O左右压差左右压差左右压差六、实验报告六、实验报告 1根据粗糙管实验结果，在双对数坐标纸上标绘出Re曲线，对照化工原理教材上有关曲线图，即可估算出该管的相对粗糙度和绝对粗糙度。2根据光滑管实验结果，对照柏拉修斯方程，计算其误差。3根据局部阻力实验结果，求出闸阀全开时的平均值。4对实验结果进行分析讨论。七、思考题七、思考题 1在对装置做排气工作时，是否一定要关闭流程尾部的出口阀?为什么?2如何检测管路中的空气已经被排除干净?3以水做介质所测得的Re关系能否适用于其它流体?如何应用?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?5如果测压口、孔边缘有毛刺或安装不垂直，对静压的测量有何影响?