1、1实验三 管道沿程损失实验实验类型：验证性实验学 时: 2适用对象：热能与动力工程专业、建筑环境与设备工程专业、环境工程专业、测控技术与仪器专业一、实验目的1、通过实验理解和掌握管道沿程损失的计算方法；2、了解沿程损失的影响因素。二、实验要求1、掌握管道沿程损失系数与雷诺数和管壁相对粗糙度间的定性和定量关系； 2、学会用三角堰测量流量的方法和波纹管差压计的使用方法。三、实验原理1、沿程损失的表达式流体沿等直径管道流动时，将产生沿程损失 ， 与管长 L、管内径 d、管壁当量粗fh糙度 、平均流速 、流体密度 、动力粘度 及流态间存在一个复杂的函数关系。根据相似原理分析， 可表示如下：fh2fRe
2、,dg令 Re,fd则 gdLh2f（3 1）式中 沿程损失系数。2、沿程损失的测量原理沿程损失 由实验方法求得。在水平实验管道的两个测点处，取 I-I 和 II-II 两个缓变fh流截面，以管道中心线为基准面，则管内不可压缩定常流动在两缓变流面间的伯努利方程为：（32）f2211 hgpzgpz由于管道水平放置，故上式中，z 1=z2；同时因实验管道为等直径圆管，所以有。因此，式（32）可改写为：g21（33）gph21f2式中 两缓变流截面间的压强差（Pa），由波纹管差压计测得。12p实验管道内的平均流速 由三角堰所测流量及管道内径计算求得：（34）24Vqd实验管道两测点间的长度 L 和
3、管道内径 d 均已知，因此，可求出该管道在某一工况下的沿程损失系数： （35）2fgh通过调节实验管道上流量调节阀的开度可改变管道内流体的平均流速 ，从而可测得不同 Re 数下的沿程损失系数。3、沿程损失的变化规律沿程损失 服从以下四种不同的规律：fh（1）层流区沿程损失 与平均流速成一次方关系， 可按下式计算：f， （36）Re64230（2）紊流水力光滑管区沿程损失 与平均流速的 1.75 次方成正比， 可按下面的经验公式计算：fh， （37）25.03164Re510e， （38）0.237.563R（3）紊流水力粗糙管过渡区沿程损失 与平均流速的（1.752）次方成正比， 可按下面的经
4、验公式计算：fh， （39）12.51g()3.7dRe8/70.8526.94162ddRe式中 绝对粗糙度。（4）紊流水力粗糙管区（平方阻力区）沿程损失 与平均流速的平方成正比， 可按下面的经验公式计算：fh3214g3.7d或 ， 21(2.)0.854162dRe（310）根据雷诺数 Re 及管壁相对粗糙度，用上述四个区域的经验公式计算出不同流动状态下的沿程损失系数 ，并与实验测得的沿程损失系数进行比较，若偏差太大，试分析原因。四、实验所需仪器、设备、材料（试剂）1、实验用水循环系统本实验用水为一循环系统，装置如图 31 所示。在图 31 所示的实验室地下，有一个容积为 150m3 的
5、地下水库，由水源泵组 5 将水库中的水经上水管 2 打入五楼恒位水箱 1 保持恒定水位。恒位水箱中的水，一部分经供水管3 供实验系统使用，经过实验管道 4 和流量测量水箱 6 后流回到地下水库；另一部分则通1650012237地下水库0.00564图 31 实验用水循环系统图1高位恒位水箱；2上水管；3供水管；4实验管路；5水源泵组；6三角堰；7溢流管。4过溢流管 7 进入地下水库，形成一个水循环系统。2、沿程损失实验装置该实验装置由实验管路、三角堰流量测量水箱及波纹管差压计等设备组成，如图 32所示。该装置中的实验段分别为 50mm 的镀锌钢管和 20mm 黄铜管，两测点间长度L=6m。恒位
6、水箱来水65843图 32 沿程阻力实验装置示意图1波纹管差压计；2 50mm 实验管段；3 20mm 实验管段；4流量调节阀；5三角堰；6标尺；7喷头；8三角堰。721连通玻璃管安装位置 34H maxH侧视图 主视图H0H连通玻璃管及标尺三角堰堰顶图 33 三角堰流量计示意图5三角堰流量计如图 33 所示，该三角堰为直角堰，即 =45。三角堰流量水箱外侧装2有连通玻璃管和标尺，连通玻璃管内的水位指示三角堰中的水位，水位变化高度可从标尺上读出，即H H H 0（m），称为堰顶淹深。其中 H 为某一测量工况下的连通玻璃管标尺读数，单位为 mm；H 0 为堰顶水位起始值（如图 33 所示），对于
7、 1实验台H0153mm，2实验台 H0=156mm。按下式即可求出体积流量 值。Vq（m 3/s） （311）521.4tgVq五、实验预习要求、实验条件、方法及步骤1、实验前复习教材中与沿程损失相关的理论知识。2、实验步骤本实验涉及高位恒位水箱、水源泵、地下水库及各种管道。实验系统较为庞大，因此，实验时必须注意按步骤进行。（1）启动水源泵，向五楼高位恒位水箱供水，等溢流水返回地下水库时，稳定 5 分钟后再进行实验。（2）黄铜管沿程损失实验 实验时，通过调节阀的开度来改变流量，实验顺序规定流量由小到大，共进行 15个工况点的测量。记好黄铜管上的调节阀手轮的初始位置，每次开启调节阀手轮 1/2
8、 周，开启时必须缓慢。 调节阀开启后，当有流体经过堰顶时，待三角堰流量水箱液面稳定后，读出连通管标尺读数和差压计读数，记录在表 31a 中，作为第一个工况点。依次记录其它工况点，方法同上。 待所有工况点测量完毕后，记录下水温，关闭流量调节阀，使水箱内 qV0 连通管标尺读数接近 HO后，准备下一组实验。（3）镀锌管沿程损失实验其方法和步骤与黄铜管沿程损失实验相同，共测量 15 个工况点，并将实验数据记录在表 31b 中。实验中注意以下事项： 水源泵启动时，首先检查电机、开关柜和水泵是否处于备用状态，若处于备用状态，方可启动； 实验中要保持水流恒定，不可随意改变调节阀阀门开度； 由于水流的脉动作
9、用，压差计读数略有波动，读数时可取其平均值；6 实验时，要确保差压计及联接胶管中没有气泡，以免造成测量误差。发现有气泡时，应将差压计上的排气阀阀门由小到大慢慢打开，将管内气体排除。（4）依据表 31a 和表 31b 进行实验数据处理，记录在表 32a、表 32b 和表 33 中，并将 曲线绘制在双对数坐标纸（图 34）上。fRed，六、思考题1、由实验结果分析流体处于何种流态：层流还是紊流？若为紊流流态，又处在哪种流动区域？2、为什么采用双对数坐标绘制 曲线？Re7附：管道沿程损失实验结果与数据处理用表1实验原始数据记录表表 31a（黄铜管） 实验原始数据记录水堰初始水位 H0： mm 差压计
10、满量程： kPa 实验台编号： 工况点差压值(kPa)标尺读数 H(mm)堰顶淹深 H=HH0(m)1 8.4 219.0 0.06902 7.9 217.0 0.06703 7.4 216.0 0.06604 6.9 215.5 0.06555 6.4 214.5 0.06456 5.9 213.0 0.06307 5.4 212.5 0.06258 4.9 211.5 0.06159 4.4 210.5 0.060510 3.9 208.0 0.058011 3.4 206.8 0.056812 2.9 205.5 0.055513 2.4 203.3 0.053314 1.9 200.7
11、 0.050715 1.4 198.2 0.0482按水温为 10 查得水的运动粘度 v 1.308E-6 m2/s8表 31b（镀锌管） 实验原始数据记录水堰初始水位 H0： mm 差压计满量程： kPa 实验台编号： 工况点差压值(kPa)标尺读数 H(mm)堰顶淹深 H=HH0(m)1 4.4 277.7 0.12772 4.1 276.5 0.12653 3.8 273.0 0.12304 3.5 271.5 0.12155 3.2 267.5 0.11756 2.9 266.0 0.11607 2.6 263.0 0.11308 2.3 262.0 0.11209 2.0 252.0
12、 0.102010 1.7 251.0 0.101011 1.4 249.0 0.099012 1.1 245.0 0.095013 0.8 238.0 0.088014 0.5 230.0 0.080015 0.2 228.0 0.0780按水温为 10 查得水的运动粘度 v 1.308E-6 m2/s92实验计算结果用表根据流量 计算出平均流速 ，再根据 及 hf 计算出 值，记入表 32 中。Vq表 32a（黄铜管） 实验计算结果工况点hf (m)521.4tgVqH(m3/s)24Vqd(m/s)f2gdhL1 0.86 0.0017509 5.573 0.001802 0.81 0.
13、0016267 5.178 0.001963 0.75 0.0015667 4.987 0.001984 0.70 0.0015372 4.893 0.001925 0.65 0.0014792 4.708 0.001926 0.60 0.0013947 4.439 0.002007 0.55 0.0013672 4.352 0.001908 0.50 0.0013132 4.180 0.001879 0.45 0.0012604 4.012 0.0018210 0.40 0.0011342 3.610 0.0019911 0.35 0.0010765 3.426 0.0019312 0.30
14、 0.0010159 3.234 0.0018513 0.24 0.0009182 2.923 0.0018714 0.19 0.0008103 2.579 0.0019015 0.14 0.0007141 2.273 0.0018110表 32b（镀锌管） 实验计算结果工况点hf (m)521.4tgVqH(m3/s)24Vqd(m/s)f2gdhL1 0.45 0.0081584 4.155 0.004252 0.42 0.0079681 4.058 0.004153 0.39 0.0074283 3.783 0.004424 0.36 0.0072039 3.669 0.004335 0
15、.33 0.0066256 3.374 0.004686 0.30 0.0064161 3.268 0.004537 0.27 0.0060093 3.061 0.004638 0.23 0.0058772 2.993 0.004289 0.20 0.0046519 2.369 0.0059410 0.17 0.0045387 2.312 0.0053011 0.14 0.0043173 2.199 0.0048312 0.11 0.0038944 1.983 0.0046613 0.08 0.0032161 1.638 0.0049714 0.05 0.0025343 1.291 0.005
16、0015 0.02 0.0023788 1.212 0.00227113实验计算结果汇总表表 33 实验计算结果汇总黄铜管 镀锌管工况点 值 dRev 值 dRev1 0.00180 85216 0.00425 635332 0.00196 79175 0.00415 620513 0.00198 76254 0.00442 578474 0.00192 74818 0.00433 561005 0.00192 71995 0.00468 515966 0.00200 67882 0.00453 499657 0.00190 66543 0.00463 467978 0.00187 63913
17、 0.00428 457689 0.00182 61346 0.00594 3622610 0.00199 55204 0.00530 3534511 0.00193 52393 0.00483 3362112 0.00185 49446 0.00466 3032713 0.00187 44691 0.00497 2504514 0.00190 39438 0.00500 1973515 0.00181 34755 0.00227 185254对数坐标纸（以此绘制 曲线）/fRed，图 34 双对数坐标Re29394959697989992939495969798999104 105 1060.190.0890.0790.0690.0590.0490.0390.0290.0990.0190.190.0890.0790.0690.0590.0490.0390.0290.0990.0198 92122
