一、实验目的

研究管路系统中的流体流动和输送,其中重要的问题之一,是确定流体在流动过程中的能量损耗。流体流动时的能量损耗(压头损失),主要由于管路系统中存在着各种阻力。管路中的各种阻力可分为沿程阻力(直管阻力)和局部阻力两大类。
本实验的目的,是以实验方法直接测定摩擦系数λ和局部阻力系数ζ;并学会压差计、流量计的使用方法以及识别管路中各个管件、阀门的作用。

二、基本原理

当不可压缩流体在圆形导管中流动时,在管路系统中任意两个界面之间列出机械能衡算方程为

J · kg –1 ———————(1)

m液柱————————(2)
式中: Z — 流体的位压头,m液柱;
P — 流体的压强,Pa;
u — 流体的平均流速,m · s –1;
ρ - 流体的密度,kg · m – 3;
h(f) - 流动系统内因阻力造成的能量损失,J · kg –1;
H(f) - 流动系统内因阻力造成的压头损失,m液柱。
符号下标1和2分别表示上游和下游截面上的数值。
假若:(1)水作为实验物系,则水可视为不可压缩流体;
(2)实验导管是按水平装置的,则Z(1) = Z(2);
(3)实验导管的上下游截面上的横截面积相同,则u(1) = u(2)。
因此(1)和(2)两式分别可简化为

J · kg –1---------(3)

m水柱-----------(4)
由此可见,因阻力造成的能量损失(压头损失),可由管路系统的两界面之间的压力差(压头差)来测定。
当流体在圆形直管内流动时,流体因磨擦阻力所造成的能量损失(压头损失),有如下一般关系式:

J · kg –1---------(5)

m水柱-----------(6)
式中:d - 圆形直管的直径,m;
l - 圆形直管的长度,m;
λ - 摩擦系数,(无因次)。
大量试验研究表明:摩擦系数λ与流体的密度ρ和粘度μ管径d、流速u和管壁粗糙度ε有关。应用因次分析的方法,可以得出摩擦系数与雷诺数和管壁相对粗糙度ε/d存在函数关系,即

通过实验测得λ和Re数据可以在双对数坐标上标绘出试验曲线。当Re<2000时,摩擦系数λ与管壁粗糙度ε无关。当流体在直管中呈湍流时,λ不仅与雷诺数有关,而且与管壁相对粗糙度有关。
当流体流过管路系统时,因遇各种管件、阀门和测量仪表等而产生局部阻力,所造成的能量损失(压头损失),有如下一般关系式:

J · kg –1
或者

m液柱

式中:u - 连接管件等的直管中流体的平均流速,m · s –1;
ζ - 局部阻力系数(无因次)。
由于造成局部阻力的原因和条件极为复杂,各种局部阻力系数的具体数值,都需要通过实验直接测定。

三、实验步骤

1、关闭流量控制阀,确认两个平衡阀是否打开(注意:启动泵前必须打开平衡阀),启动泵。
2、系统排气
(1)总管排气:先将流量控制阀开足然后再关闭,重复三次,目的为了使总管中的气体被排走。
(2)引压管排气:依次分别对4个排气阀,开、关重复三次。
(3)压差计排气:关闭两个平衡阀,依次分别打开4个排气阀,此时眼睛要注视着U型压差计中的指示剂液面的上升,防止指示剂冲出,开、关重复三次。
3、检验排气是否彻底是将流量控制阀开至最大,再关至零,看U型压差计读数,若左右读数相等,则判断系统排气彻底;若左右读数不等,则重复上述2步骤。由于流量计量采用涡轮流量计,其小流量受到结构的限制,因此从大流量做起,实验数据比较准确。
4、实验布点
由于Re在充分湍流区,λ~Re的关系是直线,所以大流量时少布点,而Re在比较小时,λ~Re的关系是曲线,所以小流量时多布点。先将控制阀开至最大,读取流量显示仪读F(大),然后关至水银压差计差值约0.10时,在读取流量显示仪读数F(小),在F(大)和F(小)二个读数之间布12~14个点。水温取第一组和最后一组读数的平均值。
5、实验结束后,关闭电源,打开两个平衡阀。

四、原始数据

直管段长:;直管段直径:
局部阻力段直径:; 流量系数:
压差计初读数:直管阻力 左=
;右=
局部阻力 左=
;右=

水温: 初读数_____,终读数
___;平均值_______。

表格
NO.
流量读数 | 直管阻力压差计/cm | 局部阻力压差计/cm
| 左 | 右 | 左 | 右 |
1
2
3
……