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試驗(yàn)名稱:流體流淌阻力的測(cè)定一、試驗(yàn)?zāi)康募叭蝿?wù):.把握測(cè)定流體流淌阻力試驗(yàn)的一般方法。.測(cè)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(yàn)證湍流區(qū)內(nèi)摩擦阻力系數(shù)為雷諾數(shù)和相對(duì)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(yàn)原理:流體輸送的管路由直管和閥門、彎頭、流量計(jì)等部件組成。由于粘性和渦流作用,流體在輸送過程中會(huì)有機(jī)械能損失。這些能量損失包括流體流經(jīng)直管時(shí)的直管阻力和流經(jīng)管道部件時(shí)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(cè)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(jiǎn)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(shì)能差,通過壓差傳感器直接測(cè)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(gè)無量綱數(shù)群:歐拉數(shù)Eu=?p/p/,雷諾數(shù)Re=由年/生相對(duì)粗糙度£/d和長(zhǎng)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(yàn)中摩擦系數(shù)的計(jì)算式2?pdA=——puI當(dāng)流體在管徑為d的圓形管中流淌時(shí),選取兩個(gè)截面,用壓差傳感器測(cè)出兩個(gè)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(cè)得不同Re下的入,可以求出某一相對(duì)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(duì)于光滑管(水力學(xué)光滑),大量試驗(yàn)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(duì)于粗糙管,入與Re的關(guān)系以圖來表示。.對(duì)局部阻力,可用局部阻力系數(shù)法表示:U2Hf=對(duì)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(jì)算。對(duì)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(shí)的伯努利方程可以得到局部阻力系數(shù)的計(jì)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(jì)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(yàn)流程:本試驗(yàn)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(cè)壓點(diǎn)之間距1.50m,內(nèi)徑21.0mm;管6為鍍鋅鋼管,測(cè)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(cè)量元件由測(cè)壓口與壓差傳感器相連,通過管口的球閥切換被測(cè)管路,系統(tǒng)流量由渦輪番量計(jì)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(shí)現(xiàn)掌握。四、試驗(yàn)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(dòng)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(duì)某一管路進(jìn)行試驗(yàn)之前,排盡設(shè)施主管和該管路及對(duì)應(yīng)測(cè)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(duì)應(yīng)管路的掌握閥、測(cè)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(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)?。捍_定排氣完畢且其余管路切換閥和測(cè)壓閥關(guān)閉后,調(diào)整變頻器至25Hz左右。對(duì)于直管阻力,依據(jù)流量由大到小的挨次,測(cè)取10組數(shù)據(jù),掌握壓差在3.7?0.7kpa之間。對(duì)于突然擴(kuò)大管的阻力,可測(cè)取3組數(shù)據(jù)。測(cè)取數(shù)據(jù)時(shí),每個(gè)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(dòng)。波動(dòng)時(shí)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(cè)定光滑管時(shí),25C。下,p=996.95kg/m3,n=0.8973mPa/s測(cè)定粗糙管及突然擴(kuò)大管時(shí),26.5C°T,p=996.58g/m3,尸0.8641mPa/s⑴光滑管和粗糙管試驗(yàn)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(hào)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(cè)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(hào)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(hào)流量/(m般h")流速/(m*s/)實(shí)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(xiàng)為依據(jù)Blasius公式計(jì)算的理論摩擦系數(shù)值。直管阻力系數(shù)的計(jì)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(hào)流量/(m限h1)流速/(m*s“)實(shí)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(shì)趨緩。(b)在同一Re下,相對(duì)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(yàn)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(hào)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(jì)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(duì)偏差<-Ct<-Ct<-Ctx100%=0.7159<-Ctx100%=0.7159-0.73080.7308x100%=2.04%五、結(jié)果爭(zhēng)論分析L本次曲線擬合的相對(duì)大小比較精確,但是其中表現(xiàn)的趨勢(shì)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(cè)定的摩擦系數(shù)和雷諾數(shù)范圍較小,假如增大測(cè)定的雷諾數(shù)上限,即在更高的流速下做試驗(yàn),可以看到更好的趨勢(shì)。2.測(cè)定的局部阻力系數(shù)和理論值接近,說明試驗(yàn)結(jié)果較好。試驗(yàn)值低于理論值,可能是試驗(yàn)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(shì),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(yàn)紀(jì)錄和計(jì)算舍入的影響。六、思索題.在不同設(shè)施(包括相對(duì)粗糙度相同而管徑不同)、不同溫度下測(cè)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(duì)粗糙度不同時(shí)可以。由;l=6(Re,"d)知,摩擦系數(shù)是雷諾數(shù)和相對(duì)粗糙度的函數(shù),當(dāng)相對(duì)粗糙度不變時(shí),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(duì)粗糙度與溫度無關(guān)。因此,當(dāng)且僅當(dāng)相對(duì)保持粗糙度不變時(shí),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(cè)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)
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