1、单相流动阻力测定实验装置说明书天 津 大 学化 工 基 础 实 验 中 心1目 录一、实验设备的功能与特点 二、设备主要技术数据三、实验设备应注意的事项四、实验方法及步骤五、使用实验设备应注意的事项六、附录 实验数据的计算过程 计算举例 实验数据表 摩擦阻力系数与雷诺数之间的关系图2一、实验设备的功能与特点本实验装置可用于实验教学和科研。利用该实验装置，可学习和掌握光滑直管、粗糙直管的阻力系数与雷诺准数的测量方法；也可学习局部阻力的测量方法；学习几种压差测量方法；加深对流体流动阻力概念的理解。本实验装置的特点： 本实验装置数据稳定，重现性好，能给实验者明确的流体流动阻力概念。 雷诺准数的数据范
2、围宽，可作出 10210 4三个数量级。能够测量出光滑管、粗糙管的阻力系数与雷诺准数的关系，同时也可以测量阀门局部阻力。 实验采用循环水系统，节约实验费用。 测量系统采用量程不同的两种流量计和压差测量仪表，测量精度较高。 采用压力传感器数字表系统,测量大流量下的流体流动阻力, 实验数据稳定可靠。二、设备的主要技术数据: 被测光滑直管段： 管径 d0.008m； 管长 L1.698m； 材料不锈钢管被测粗糙直管段： 管径 d0.010m； 管长 L1.698m； 材料不锈钢管 被测局部阻力直管段: 管径 d0.015m；管长 L1.2m； 材料不锈钢管 压力传感器: 型号:LXWY 测量范围:
3、200 KPa 直流数字电压表: 型号: PZ139 测量范围: 0 200 KPa 离心泵: 型号: WB70/055 流量: 8(m 3h) 扬程: 12(m) 电机功率: 550(W) 玻璃转子流量计:型号 测量范围 精度 LZB40 1001000(Lh) 1.5LZB10 10100(Lh) 2.5三、实验设备的基本情况实验流程示意图见图 1。图 1 流动阻力实验流程示意图31-水箱；2-离心泵；3、4-放水阀；5、13-缓冲罐；6-局部阻力近端测压阀；7、15-局部阻力远端测压阀；8、20-粗糙管测压回水阀；9、19-光滑管测压阀；10-局部阻力管阀；11-U 型管进水阀；12-压
4、力传感器；14-流量调节阀； 15、16-水转子流量计；17-光滑管阀；18-粗糙管阀；21-倒置 U 型管放空阀；22-倒置 U 型管；23-水箱放水阀；24-放水阀；水泵 2 将储水槽 1 中的水抽出，送入实验系统，首先经玻璃转子流量计 15、16 测量流量，然后送入被测直管段测量流体在光滑管或粗糙管的流动阻力，或经 10 测量局部阻力后回到储水槽，水循环使用。被测直管段流体流动阻力p 可根据其数值大小分别采用变送器 12 或空气-水倒置型管 22 来测量。四、实验方法及步骤: 向储水槽内注水，直到水满为止。(有条件最好用蒸馏水，以保持流体清洁) 直流数字表的使用方法请详细阅读使用说明书。
5、 大流量状态下的压差测量系统，应先接电预热 1015 分钟，纪录数字表的初始值，然后启动泵进行实验。 光滑管阻力测定： 关闭粗糙管阀 18、粗糙管测压进水阀 20、粗糙管测压回水阀 8，将光滑管阀 17、光滑管测压进水阀 19、光滑管测压回水阀 9 全开。 在流量为零条件下，检查导压管内是否有气泡存在。若倒置 U 型管内液柱高度差不为零，则表明导压管内存在气泡，需要进行赶气泡操作。导压系统如图 2 所示。操作方法如下：开大流量，打开倒置 U 型管与实验管路相通的阀 11，使倒置 U 型管内液体充分流动，以赶出管路内的气泡；若认为气泡已赶净，将流量调节阀关闭；关闭连通阀 11，慢慢旋开倒置 U
6、型管上部的放空阀 21，分别缓慢打开阀 3、4，使液柱降至中点上下时马上关闭，管内形成气-水柱。然后关闭放空阀 21。看 U 型管内的水拄是否相平，相平及为管路中无气泡存在，相反就要继续上述操作过程。图 2 导压系统示意图3,4-排水阀;8-粗糙管测压回水阀;9-光滑管测压回水阀；11- U 型管进水阀；12-直管压力传感器；20-粗糙管测压进水阀；21- U 型管放空阀;22-U 型管4 该装置两个转子流量计并联连接，根据流量大小选择不同量程的流量计测量流量。 差压变送器与倒置 U 型管也是并联连接，用于测量直管段的压差，小流量时用倒置型管压差计测量，大流量时用差压变送器测量。应在最大流量和
7、最小流量之间进行实验，一般测取1520 组数据。建议当流量小于 300Lh 时,只用倒置型管来测量压差。 粗糙管阻力测定：关闭阀 17、光滑管测压进水阀 19、光滑管测压回水阀 9，全开阀 18，旋开粗糙管测压进水阀20、粗糙管测压回水阀 8，逐渐调大流量调节阀，赶出导压管内气泡。 从小流量到最大流量，一般测取 1520 组数据。 直管段的压差用差压变送器测量。光滑管和粗糙管直管阻力的测定使用同一差压变送器，当测量光滑管直管阻力时，要把通向粗糙管直管阻力的阀门关闭；同样当测量粗糙管直管阻力时，要把通向光滑管直管阻力的阀门关闭。 局部阻力测定关闭阀门 17 和 18，部分开或半开阀门 10，改变
8、流量，用差压变送器测量远点、近点压差。远点、近点压差的测量使用同一差压变送器。当测量远点压差时，要把通向近点压差的阀门关闭；同样当近点压差时，要把通向远点压差的阀门关闭。 测取水箱水温。 待数据测量完毕，关闭流量调节阀，停泵。五、使用实验设备应注意的事项 压力与温度的数值由数字仪表直接读取，记好初始值就可。 启动离心泵之前，以及从光滑管阻力测量过渡到其它测量之前，都必须检查所有流量调节阀是否关闭。 利用压力传感器测量大流量下P 时,应切断空气水倒置型玻璃管的阀门18、20 否则影响测量数值。 在实验过程中每调节一个流量之后应待流量和直管压降的数据稳定以后方可记录数据。 较长时间未做实验，启动离
9、心泵之前应先盘轴转动，否则易烧坏电机。六、附 录 实验数据的计算及结果 直管摩擦系数 与雷诺数 Re 的测定直管的摩擦阻力系数是雷诺数和相对粗糙度的函数，即 ，对一定的相对粗糙)/(Re,df度而言， 。(Re)f流体在一定长度等直径的水平圆管内流动时，其管路阻力引起的能量损失为：（1）ff Ph21又因为摩擦阻力系数与阻力损失之间有如下关系（范宁公式）5（2）2udlhfPf整理（1） （2）两式得（3）2ulf（4）dRe式中： 管径，m ；d直管阻力引起的压强降，Pa；fP管长，m；l流速，m / s；u流体的密度，kg / m 3；流体的粘度，N s / m2。 在实验装置中，直管段管
10、长 l 和管径 d 都已固定。若水温一定，则水的密度 和粘度 也是定值。所以本实验实质上是测定直管段流体阻力引起的压强降P f 与流速 u（流量 V）之间的关系。根据实验数据和式（3）可计算出不同流速下的直管摩擦系数 ，用式（4）计算对应的 Re，从而整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系，绘出 与 Re 的关系曲线。 局部阻力系数 的测定（5）2uPhff（6）f式中： 局部阻力系数，无因次；局部阻力引起的压强降，Pa；fP局部阻力引起的能量损失，Jkg。fh图 3 局部阻力测量取压口布置图局部阻力引起的压强降 可用下面的方法测量：在一条各处直径相等的直管段上，安装待fP6测局部阻力的阀门，在其上
11、、下游开两对测压口 a-a和 b-b，见图 3，使abbc ； ab bc则 P f，a b P f，bc ； P f，a b = P f，bc在 aa之间列柏努利方程式： PaP a =2P f，a b +2P f，a b +P f （7）在 bb之间列柏努利方程式： PbP b = P f，bc +P f，bc +P f= P f，a b +P f，ab +P f （8）联立式（7）和（8） ，则：2（P bP b ）（P aP a ）f为了实验方便，称（P bP b ）为近点压差，称（P aP a ）为远点压差。用差压传感器来测量。 计算举例实验水温 =28.3， 粘度 0.8410 -
12、3 (Pa.s)，密度 995.64（kgm 3） t 光滑管、小流量数据： Q60(Lh) P 50(H 2O) 管内流速 （m/s）3.08.)4/(1360)(22du阻力降 =488.36(Pa)/5.9ghPf雷诺数 314631084.6.Reu阻力系数 0.04220 22.869.5uLdf 粗糙管、大流量数据：Q800(Lh) P 144.2(kPa) 管内流速 2.83 （m/s）2201.)4/(368)4(du阻力降 144.21000 = 144200（Pa)fP雷诺数 36909 31084.6.9520Reu阻力系数 =0.2123122 8.49.5uLdf7
13、局部阻力数据：Q1000(Lh) 123.4(kPa) ， = 124.7(kPa)近P远P直管内流速 =1.573（m/s）22015.)4/(/3614/dQu）（=122.1 (kPa) =122100 (Pa)72远近局 部 阻 力 P局部阻力系数 = 98.72253.164.9u局 部 阻 力 实验数据表 表 1 光滑管数据表表一、直管阻力实验数据表光滑直管内径 8.0mm、管长 1.69 米 t=28.3、 0.8410-3 (pa.s)、995.64(Kgm3)R序号Q（l/h） （KPa） （mmH2o）P （ KPa）u（m/s） Re 1 1000 53.00 53000
14、 5.53 52428 0.016492 900 43.10 43100 4.98 47185 0.016553 800 35.20 35200 4.42 41942 0.017114 700 27.80 27800 3.87 36699 0.017655 600 21.3 21300 3.32 31457 0.018406 500 15.4 15400 2.76 26214 0.019167 400 10.3 10300 2.21 20971 0.020028 300 6.4 6400 1.66 15728 0.022129 260 5 5000 1.44 13631 0.0230110 2
15、20 3.6 3600 1.22 11534 0.0231411 180 2.5 2500 1.00 9437 0.0240012 140 190 1855.77 0.77 7340 0.0294513 100 114 1113.46 0.55 5243 0.0346314 90 96 937.65 0.50 4718 0.0360115 80 82 800.91 0.44 4194 0.0389316 70 69 673.94 0.39 3670 0.0427817 60 50 488.36 0.33 3146 0.0422018 50 33 322.32 0.28 2621 0.04010
16、19 40 20 195.34 0.22 2097 0.0379820 30 14 136.74 0.17 1573 0.0472621 20 11 107.44 0.11 1049 0.0835522 10 7 68.37 0.06 524 0.21267表 2 粗糙管数据表表二、直管阻力实验数据表8粗糙直管内径 10.0mm、管长 1.69 米 t=28.3、 0.8410-3 (pa.s)、995.64(Kgm3)R序号Q（ l/h） （KPa） （mmH2o）P（KPa）u（m/s） Re 1 880 173.2 173200 3.11 36909 0.212312 800 144.2
17、 144200 2.83 33554 0.213883 700 116 116000 2.48 29360 0.224724 600 86.8 86800 2.12 25165 0.228885 500 62.5 62500 1.77 20971 0.237326 400 41.8 41800 1.42 16777 0.247997 300 25.3 25300 1.06 12583 0.266858 260 19.5 19500 0.92 10905 0.273839 220 14.6 14600 0.78 9227 0.2863510 180 10.2 10200 0.64 7550 0.
18、2988411 140 6.3 6300 0.50 5872 0.3051212 100 3.2 3200 0.35 4194 0.3037613 90 275 2685.99 0.32 3775 0.3147814 80 253 2471.11 0.28 3355 0.3665215 70 224 2187.86 0.25 2936 0.4238516 60 218 2129.26 0.21 2517 0.5614517 50 170 1660.43 0.18 2097 0.6304718 40 136 1328.34 0.14 1678 0.7880919 30 83 810.68 0.11 1258 0.8550520 20 39 380.92 0.07 839 0.9039921 10 10 97.67 0.04 419 0.92716表 3 局部阻力实验数据表三、局部阻力实验数据表序号Q（ l/h）近端压差远端压差u（m/s）局部阻力压差阻力系数1 1000 123.4 124.7 1.573 122100 98.7 摩擦阻力系数与雷诺数之间的关系图9图 4 第 1 套设备 -Re 关系
