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1、1,第四章、实验,实验一 流体流动阻力的测定,2,实验一 流体流动阻力的测定,一、实验原理 1.流体阻力： (1)实际流体 柏努利方程式 阐明了流体在静止及流动时各种能量相互转化的规律，并将位能、动能、静压能与外加能量We等联系起来。,3,实验一 流体流动阻力的测定,（2）理想流体：是指一种无粘性的不可压缩流体，在流动中不产生摩擦阻力。这种流体实际上并不存在，是一种假想的流体，但这种假想对解决工程实际问题具有重要意义。 这就意味着1kg理想流体在各个截面上所具有的总机械能相等，但每一种形式的机械能在不同截面上之值不一定相等，位能、动能、静压能三者之间相互转化。,4,实验一 流体流动阻力的测定,
2、（3）流体的典型特征是具有流动性，但不同流体的流动性能不同，这主要是因为流体内部质点间作相对运动时存在不同的内摩擦力。这种表明流体流动时产生内摩擦力的特性称为粘性。粘性是流动性的反面，流体的粘性越大，其流动性越小。流体的粘性是流体产生流动阻力的根源。,5,实验一 流体流动阻力的测定,2.牛顿粘性定律： 表明流体层间的内摩擦力或剪应力与法向速度梯度成正比。 流体在管路中流动时,由于粘性剪应力和涡流的存在,不可避免地引起流体压力的损失。流体在流动时所产生的阻力有直管摩擦阻力(又称沿程阻力)和管件的局部阻力。这两种阻力，一般都是用流体的压头损失hf或压强降Pf表示。,6,实验一 流体流动阻力的测定,
3、3、流体阻力的表现压强降 流体在水平等径直管中作定态流动。在1-1和2-2截面间列柏努利方程 因是直径相同的水平管 若管道为倾斜管 可见，无论是水平安装，还是倾斜安装，流体的流动阻力均表现为静压能的减少，仅当水平安装时，流动阻力恰好等于两截面的静压能之差。,7,一、实验原理,4.流体阻力的来源内摩擦 流动阻力的大小与流体本身的物理性质、流动状况及壁面的形状等因素有关。 化工管路系统主要由两部分组成，一部分是直管，另一部分是管件、阀门等。相应流体流动阻力也分为两种： (1)直管阻力：流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而产生的阻力； (2)局部阻力：流体流经管件、阀门等局部地方由于流速大小及方向的
4、改变而引起的阻力。,8,一、实验原理,(3)层流 直管阻力 源于内摩擦力 湍流 直管阻力 源于内摩擦力 = e涡流粘度(湍流粘度系数),其单位与粘度 的单位一致。 涡流粘度 不是流体的物理性质而是与流体流动的状况有关的参数。 即 是内因， 是外因 （外部条件）。,流体的粘性而引起的内摩擦力。 流体内部的旋涡而引起的涡流粘度。粘度,9,一、实验原理,5.直管阻力 直管摩擦阻力hf与摩擦系数之间关系(范宁公式): (1-1) 其中摩擦系数是雷诺数Re和管壁相对粗糙度/d的函数，即=f(Re,/d)。 范宁公式对层流与湍流均适用,只是两种情况下摩擦系数不同,10,一、实验原理,不同流动状态时摩擦系数
5、 层流时的摩擦系数 湍流时的摩擦系数 过渡区 湍流区 完全湍流区：与Re无关， 只与 有关。对于特 定管路， 为常数，根据 直管阻力通式可知， 所以此区域 又称为阻力平方区,图1-25 摩擦系数与雷诺数Re及相对粗糙度的关系,11,一、实验原理,流体阻力与摩擦系数有关，如何得到摩擦系数，通过实验测定。 据柏努利方程式可知阻力损失hf的计算如下： 当流体在等直径的水平管中流动时，产生的摩擦阻力: (1-2) 其中压强差p的大小采用液柱压差计来测量，即在实验设备上于待测直管的两端或管件两侧各安装一个测压孔，并使之与压差计相连，便可测出相应压差p的大小。,12,一、实验原理,整理(11)和(12)两
6、式得： (46) (47),需测定的参数：t和u 测试方法：温度计和转子流量计,需测定的参数：t、u和p 测试方法：温度计、转子流量计及液柱式压差计,13,6局部阻力 局部阻力是由于流体流经管件、阀门及流量计时，因流速的大小和方向都发生了变化，流体受到干扰和冲击，涡流现象加剧而造成的。 局部阻力通常有两种表示方法，即当量长度法和阻力系数法。当量长度法是将流体流过管件或阀门而产生的局部阻力，用相当于流体流过与其具有相同管径的若干米长的直管阻力损失来表示，这个直管长度称为当量长度，用le表示。其特点是便于管路总阻力的计算。而局部阻力的测定通常采用阻力系数法。,14,（1）阻力系数法 u在小截面管中
7、流体的平均流速，m/s。 对于处在水平管路上的管件或阀门亦有 (1-3) 即两测压点间的压强差p等于因流动阻力而引起的压强降pf。,15,(2)全开的截止阀 式(13)中pf为两测压点间的局部阻力与直管阻力之和。由于管件或阀门距测压孔的直管长度很短，引起的摩擦阻力与局部阻力相比可以忽略，pf可近似认为全部由局部阻力损失引起。 的大小与管径、阀门的材料及加工精度有关。,16,(2)突然扩大与突然缩小 在水平管的两测压点间列柏努力方程式 局部阻力 可见，pf的大小除了包括局部阻力损失和可忽略的摩擦阻力损失之外，还包括动能和静压能之间能量转换值。,17,实验一 流体流动阻力的测定,二、实验内容 1测
8、定流体流经直管（不锈钢管、镀锌管）时摩擦系数与雷诺数Re之间关系。 2测定全开截止阀、突然扩大及突然缩小的阻力系数。,18,实验一 流体流动阻力的测定,三、实验目的 1.了解流体流过直管或管件阻力的测定方法。 2.掌握直管摩擦系数与雷诺数Re之间关系的变化规律。 3.熟悉液柱压差计和转子流量计的使用方法。 4.测定流体流过阀门、变径管件（突然扩大、突 然缩小）的局部阻力系数。,19,实验一 流体流动阻力的测定,四、测量参数 流量 压强 管子尺寸 密度,20,实验一 流体流动阻力的测定,五、实验所需仪器设备 主要设备尺寸 (1)直管阻力:不锈钢管、镀锌管 DN25d内=27.5mm，l=3.5m
9、； (2)局部阻力:不锈钢截止阀；突然扩大；突然缩小， (3)输送设备:离心泵，规格：IST65-50-125； (4)水槽：长1200mm宽600mm高800mm; (5)测压系统 :采用U型、型两类压差计。 (6)流量测量 :转子流量计,21,六、实验流程图,1离心泵 2泵开关 3泵出口调节阀 4球阀 5转子流量计 6光滑管 7粗糙管8突然扩大 9突然缩小 10截止阀 11水槽 12压差计面板13U型压差计 14型压差计,22,六、实验流程图,23,实验一 流体流动阻力的测定,七、实验操作 1.实验前准备工作 (1).检查水槽是否充满水，给水槽注水。 (2).离心泵启动出口阀状态. 管路上
10、各阀门状态， (3).检查泵轴、叶轮。若转动灵活，接通电源，打开开关，启动离心泵。,24,实验一 流体流动阻力的测定,(4).排气 管路排气。在大流量下，使管内呈单相稳定流动。 测压导管排气。对待测管路上的压差计的引压管依次排气：在大流量下，打开U型压差计上端的放气旋塞，排除引压管内的气泡；型压差计的排气，将其上端的放气旋塞打开，直至连续出水为止，之后调整其液位为满刻度的1/2高度。 检查。将水量开大后，再关闭离心泵的出口阀，观察压差计两端的液位是否平齐。若不平齐，继续排气操作。注意型压差计的流量不得超过6m3/h。,25,七、实验操作,26,实验一 流体流动阻力的测定,2、实验操作 （1）
11、数据测量 测量阻力的顺序依次为光滑管、粗糙管、局部阻力(阀门、突然扩大、突然缩小同时测量)，实验数据记录在原始数据表中。 直管阻力 用离心泵的出口阀来调节流量作实验。调节一个阀门开度，须经一定时间稳定后，记录一个流量，同时记录压差计的读数。实验从最小流量到最大流量依次测取1215组数据。为尽可能使实验数据在对数坐标中分布均匀，用小流量计测取56组数据，用大流量计测取79组数据。,27,七、实验操作,局部阻力 局部阻力的测定与直管阻力的测定步骤相同。在2.0m3/h6.0m3/h之间，按从小到大的顺序依次测5组数据。 3、实验结束 关闭离心泵的出口阀，停泵。 测量实验前和实验后的水温，取其平均值
12、作为测量水温。,28,八、思考题,1. 如何检验系统内的空气已经被排除干净？ 2. U型压差计的零位应如何校正？ 3.待测截止阀接近出水管口，即使在最大流量下，其引压管内的气体也不能完全排出。试分析原因，应该采取何种措施？ 4.测压孔的大小和位置，测压导管的粗细和长短对实验有无影响？为什么？ 5.试解释突然扩大、突然缩小的压差计读数在实验过程中有什么不同现象？,29,6.不同管径、不同水温下测定的Re曲线数据能 否关联到同一曲线？ 7.在Re曲线中，本实验装置所测Re在一定范围 内变化，如何增大或减小Re的变化范围？ 8.本实验以水作为介质，作出Re曲线，对其它 流体是否适用？为什么？ 9.影
13、响值测量准确度的因素有哪些？,30,九、练习题,(1) 流体在变径管中作稳定流动，在管径缩小的地方其静压能 。 (2)测流体流量时，随流量增加孔板流量计两侧压差值将 ，若改用转子流量计，随流量增加转子两侧压差值将 。 (3) 流体流动时的摩擦阻力损失hf所损失的是机械能中的 （动能、位能、静压能）。 (4) 毕托管测量管道中流体的 ，而孔板流量计测量管道中流体的 。,31,（5）流体在管内流动时，如要测取管截面上的流速分布，应选用流量计测量。 A 皮托管 B 孔板流量计 C 文丘里流量计 D 转子流量计 (6）流体在圆形管道中作层流流动，如果只将流速增加一倍，则阻力损失为原来的 2 倍；如果只将管径增加一倍而流速不变，则阻力损失为原来的 1/4 倍。 （7）粘性流体在流动过程中产生直管阻力的原因是什么？产生局部阻力的原因又是什么？,
