流體流動阻力的測定

試驗名稱：流體流淌阻力的測定一、試驗?zāi)康募叭蝿?wù)：.把握測定流體流淌阻力試驗的一般方法。.測定直管的摩擦阻力系數(shù)及突然擴(kuò)大管的局部阻力系數(shù)。.驗證湍流區(qū)內(nèi)摩擦阻力系數(shù)為雷諾數(shù)和相對粗糙度的函數(shù)。.將所得光滑管的方程與Blasius方程相比較。二、試驗原理：流體輸送的管路由直管和閥門、彎頭、流量計等部件組成。由于粘性和渦流作用，流體在輸送過程中會有機(jī)械能損失。這些能量損失包括流體流經(jīng)直管時的直管阻力和流經(jīng)管道部件時的局部阻力，統(tǒng)稱為流體流淌阻力。.依據(jù)機(jī)械能衡算方程，測量不行壓縮流體直管或局部的阻力（P1山、IP2避、?,4+-+^）~\gZ2+萬+了J+"e假如管道無變徑，沒有外加能量，無論水平或傾斜放置，上式可簡化為：P1~P2?p7pP△p為截面1到2之間直管段的虛擬壓強(qiáng)差，即單位體積流體的總勢能差，通過壓差傳感器直接測量得到。.流體流淌阻力與流體性質(zhì)、流道的幾何尺寸以及流淌狀態(tài)有關(guān)，可表示為：?p=由量綱分析可以得到四個無量綱數(shù)群：歐拉數(shù)Eu=?p/p/,雷諾數(shù)Re=由年/生相對粗糙度￡/d和長徑比//d從而有?pdup￡I--=收^萬萬）nu2,〃dd??；l=6（Re,￡/d）,可得摩擦系數(shù)與阻力損失之間的關(guān)系：?pIu^=7=AdX2從而得到試驗中摩擦系數(shù)的計算式2?pdA=——puI當(dāng)流體在管徑為d的圓形管中流淌時，選取兩個截面，用壓差傳感器測出兩個截面的靜壓差,即可求出流體的流淌阻力。依據(jù)伯努利方程摩擦系數(shù)與靜壓差的關(guān)系，可以求出摩擦系數(shù)。轉(zhuǎn)變流速可測得不同Re下的入，可以求出某一相對粗糙度下的人-Re關(guān)系。在湍流區(qū)內(nèi)摩擦系數(shù)2=e（Re,￡/d）,對于光滑管（水力學(xué)光滑），大量試驗證明，Re在IO,?IO,氛圍內(nèi)，入與Re的關(guān)系遵循Blasius關(guān)系式，即A=O.3163//?e025對于粗糙管，入與Re的關(guān)系以圖來表示。.對局部阻力，可用局部阻力系數(shù)法表示：U2Hf=對于擴(kuò)大和縮小的直管，式中的流速依據(jù)細(xì)管的流速來計算。對一段突然擴(kuò)大的圓直管，局部阻力遠(yuǎn)大于其直管阻力。由忽視直管阻力時的伯努利方程可以得到局部阻力系數(shù)的計算式:式中，小、比2分別為細(xì)管和粗管中的平均流速，？p為2,1截面的壓差。突然擴(kuò)大管的理論計算式為：（=（1-4/42）2,41、心分別為細(xì)管和粗管的流通截面積。三、試驗流程：本試驗裝置如圖1所示，管道水平安裝，水循環(huán)使用，其中管5為不銹鋼管，測壓點(diǎn)之間距1.50m,內(nèi)徑21.0mm；管6為鍍鋅鋼管，測壓點(diǎn)間距離1.50m,內(nèi)徑22.,5mm；管7為突然擴(kuò)大管，由16.0mm擴(kuò)大至42.0mm。各測量元件由測壓口與壓差傳感器相連，通過管口的球閥切換被測管路，系統(tǒng)流量由渦輪番量計3調(diào)整，離心泵的功率由變頻器通過轉(zhuǎn)變輸入頻率掌握轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)掌握。四、試驗操作要點(diǎn)：L開泵：在關(guān)閉全部閥門的狀況下，打開電源，啟動變頻器至50Hz,固定轉(zhuǎn)速，觀看泵出口壓力穩(wěn)定后，即可進(jìn)行排氣。.排氣：在對某一管路進(jìn)行試驗之前，排盡設(shè)施主管和該管路及對應(yīng)測壓管路內(nèi)的空氣，每切換管路都要排一次氣。關(guān)閉其他掌握閥，打開對應(yīng)管路的掌握閥、測壓閥和排氣閥，在50Hz下，調(diào)整流量至1-2租3/兒待2min以上，壓差傳感器示數(shù)穩(wěn)定后，關(guān)閉排氣閥和流量調(diào)整閥，在流量為0下觀看壓差傳感器示數(shù)是否為0,若有較大偏差則氣未排盡，若偏差較小且穩(wěn)定則紀(jì)錄初始偏差值。.試驗數(shù)據(jù)測?。捍_定排氣完畢且其余管路切換閥和測壓閥關(guān)閉后，調(diào)整變頻器至25Hz左右。對于直管阻力，依據(jù)流量由大到小的挨次，測取10組數(shù)據(jù)，掌握壓差在3.7?0.7kpa之間。對于突然擴(kuò)大管的阻力，可測取3組數(shù)據(jù)。測取數(shù)據(jù)時，每個數(shù)據(jù)點(diǎn)取值應(yīng)等待2min以上且壓差和流量穩(wěn)定為某值或在很小范圍內(nèi)波動。波動時可取其中點(diǎn)。五、原始數(shù)據(jù)及處理：L原始數(shù)據(jù)紀(jì)錄水的物理性質(zhì)：測定光滑管時，25C。下，p=996.95kg/m3,n=0.8973mPa/s測定粗糙管及突然擴(kuò)大管時，26.5C°T,p=996.58g/m3,尸0.8641mPa/s⑴光滑管和粗糙管試驗數(shù)據(jù)光滑管數(shù)據(jù)：不銹鋼管，l=l,500m,d=21.0mm,8-0.02mm,零點(diǎn)誤差po=-不04kPa。粗糙管數(shù)據(jù)：鍍鋅鋼管，l=l,500m,d=22.5mm,s-0.2mm,零點(diǎn)誤差po=-O.O6kPa。表1光滑管和粗糙管原始數(shù)據(jù)紀(jì)錄表序號光滑管流量/(m般h")壓差/(kPa)粗糙管流量/(n?*h1)壓差/(kPa)13.697.143.696.6123.345.993.365.5633.15.23.064.6542.74.022.753.7552.453.392.443.0262.082.52.022.1371.711.751.731.681.361.141.371.0591.030.71.010.59100.690.320.690.3(2)突然擴(kuò)大局部阻力系數(shù)測定數(shù)據(jù)突擴(kuò)管：dl=16.0mm,d2=42.0mm,初始誤差pO=-0.04kPa。表2突然擴(kuò)大局部阻力系數(shù)數(shù)據(jù)紀(jì)錄表序號流量/(m隈h")壓差/(kPa)13.573.1622.511.5431.460.492.數(shù)據(jù)處理表3光滑管數(shù)據(jù)處理表序號流量/(m般h")流速/(m*s/)實際壓差/(kPa)Re入入b13.692.967.18690340.023030.0195123.342.686.03624860.023600.0200133.12.495.24579960.023810.0203842.72.174.06505130.024320.0211052.451.963.43458360.024950.0216262.081.672.54389130.025640.0225271.711.371.79319910.026730.0236581.361.091.18254430.027860.0250491.030.830.74192700.030460.02685100.690.550.36129090.033020.02967其中，入b項為依據(jù)Blasius公式計算的理論摩擦系數(shù)值。直管阻力系數(shù)的計算示例：Qp4q^4X3.691z-八，，由表3中第1組數(shù)據(jù)為例，u=彳=菽=3.14X(21.0XI。-3)2X3600m/5=2?96m/sdup(21.0XIO-3)X2.96X996.95Re===69034〃0.8973xIO-32?pd2x(7.18x103)x(21.0xIO-3)A=--=5=0.02303puzl996.95x2.962x1.50.31630.3163兒===0.01951Re。'69O34025表4粗糙管數(shù)據(jù)處理表序號流量/(m限h1)流速/(m*s“)實際壓差/(kPa)Re入13.692.586.67668960.0302123.362.355.62609130.0307033.062.144.71554740.0310242.751.923.81498540.0310752.441.703.08442340.0319162.021.412.19366200.0331071.731.211.66313630.0342181.370.961.11248370.0364891.010.710.65183100.03930100.690.480.36125090.04664圖2光滑管和粗糙管的入?Re關(guān)系曲線曲線分析：(a)光滑管和粗糙管的摩擦系數(shù)均隨Re的增大而減小，且隨著Re的增大，摩擦系數(shù)減小的趨勢趨緩。(b)在同一Re下，相對粗糙度更高的粗糙管比光滑管的摩擦系數(shù)更大，說明e/d越大，摩擦系數(shù)越大。⑹在同一Re下，光滑管的摩擦系數(shù)大于水力學(xué)光滑摩擦系數(shù)的理論值，說明試驗用的光滑管和理論光滑有肯定差距。表5突然擴(kuò)大管數(shù)據(jù)處理表序號流量/(m3*h/)壓差/(kPa)細(xì)管流速/(m*s/)粗管流速/(m*s」)13.5722.5131.463.201.580.534.933.472.020.720.500.290.71490.71520.7175局部阻力的計算示例：以表5中第1組數(shù)據(jù)為例，qvm4X3.5713600m/S=4-93m/s“ITTdi3.14X(16.0X10-3)24x3.571x^77^-m/s=0.72m/sJoUU22?pu?+<=i--4x3.571x^77^-m/s=0.72m/sJoUU22?pu?+<=i--r-

ui0.722+2x=1-3.20x1()34.93996.585=0.7149&7Td23.14x(42.0x10-3)<=^—=0.7159理論值6二(1-/11M2)2=(1一屏/盤)2=(1—162/422)2=0.7308相對偏差<-Ct<-Ct<-Ctx100%=0.7159<-Ctx100%=0.7159-0.73080.7308x100%=2.04%五、結(jié)果爭論分析L本次曲線擬合的相對大小比較精確，但是其中表現(xiàn)的趨勢不明顯，并未得到隨著雷諾數(shù)增大，摩擦系數(shù)趨近于某一值的結(jié)論?？赡苁菧y定的摩擦系數(shù)和雷諾數(shù)范圍較小，假如增大測定的雷諾數(shù)上限，即在更高的流速下做試驗，可以看到更好的趨勢。2.測定的局部阻力系數(shù)和理論值接近，說明試驗結(jié)果較好。試驗值低于理論值，可能是試驗設(shè)施本身存在損耗，細(xì)管在高流量下腐蝕變粗的結(jié)果?？梢钥吹诫S著流量增大有提升趨勢，而的三次結(jié)果的差值應(yīng)當(dāng)是被忽視的直管阻力的影響，因而隨著流量增大，表觀的局部阻力系數(shù)應(yīng)當(dāng)增大而不是減小，可能是試驗紀(jì)錄和計算舍入的影響。六、思索題.在不同設(shè)施(包括相對粗糙度相同而管徑不同)、不同溫度下測定的人-Re數(shù)據(jù)能否關(guān)聯(lián)在一條曲線上？答：僅在相對粗糙度不同時可以。由；l=6(Re,"d)知，摩擦系數(shù)是雷諾數(shù)和相對粗糙度的函數(shù)，當(dāng)相對粗糙度不變時，可以關(guān)聯(lián)出一條摩擦系數(shù)和雷諾數(shù)的曲線，而相對粗糙度與溫度無關(guān)。因此，當(dāng)且僅當(dāng)相對保持粗糙度不變時，不同設(shè)施，不同溫度的入-Re數(shù)據(jù)能關(guān)聯(lián)在一條曲線上。.以水為工作流體所測得的人-Re關(guān)系能否適用于其他種類的牛頓性流體？為什么？答：可以。由a=e（Re,￡/d）知，摩擦系數(shù)是雷諾數(shù)