流体流动阻力测定-白净

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,直管阻力系数,与局部阻力系数,的测定实验,高健,一、,实验目的,二、实验原理,三、实验装置流程,四、实验操作,五、实验报告要求,六、有关问题解释,一、实验目的,1,、了解实验设备、流程、仪器仪表；,2,、掌握流体（水）流经直管、管件或阀门等引起压降（阻力损失）及阻力系数（直管摩擦系数,与局部阻力系数,）的变化规律。并将,(),与,Re,的关系标绘在双对数坐标上。,3,、结合本实验，初步掌握实验误差来源的分析方法，并估计实验误差大小。,4,、了解,U,形压差计的使用及计算方法。,二、实验原理,1,、直管阻力系数,的测定,流体在管路中流动，由于粘性剪应力和涡流的存在，不可避免的会产生机械能损耗。流体在圆形直管内作定常稳定流动时的摩擦阻力损失为：,可知，只要测得,P,f,和管内流速,u,即可求出直管摩擦系数,。,(1),压差损失,p,f,的测定,(2),平均流速,u,的测定,(3),直管阻力系数测定的结果,（,1,）压差损失,P,0af,的确定,根据柏努里方程知，当两测压点处管径一样，且保证两测压点处速度分布正常时，从教材,P37,中式,1-71,可得：,根据,U,型管压差计测压特点，其实际值与指示值的关系为：,根据,U,型管特征，,U,型管中指示液所示压差,P,0,Pa,即为流体流经两测压点处的阻力损失,P,0af,。,（,2,）平均流速,u,的测量,流量的测量有经典法（称重法、体积法）和直接流量计两种。本实验采用体积法测量：,若要求,u,2%,由误差均分原则有：,t,1%,和,h,1%,测流速,u,时，误差分析的具体应用：,在某一流速下，根据以上测出的流速,u,和压差损失,pf,，可计算出对应流速下管内的直管阻力系数,和雷诺数,Re,：,（,3,）直管阻力系数的测定结果,需测出水温求得水的,、,。,测出不同流速下，对应的,Re,值，在双对数坐标中作关系图：,Re,对数坐标,对数坐标,2,、局部阻力系数的测定,由于流道的急剧变化使流动边界层分离，所产生的大量旋涡消耗了机械能。和直管阻力的沿程均匀分布不同，这种阻力损失是由管件内流道多变所造成。该问题复杂，一般有两种处理办法：一是阻力系数法，二是当量长度法，本实验采用阻力系数法：,可知，只要测得,P,f,和管内流速,u,即可求出局部阻力系数,。,而管内平均流速,u,在前述测量直管时已测出。,(1),局部,p,f,的一般测定方法,双压差计法,(2),局部,p,f,的特殊测定方法,单压差计法,(3),局部阻力系数,测定的结果,（,1,）局部,P,f,的一般测定方法,双压差计法,以突缩为例：如图流体从右向左通过突缩。分布有,4,个测压点（保证各测压点处速度分布正常，且之间距离如图示），在,B,1,B,2,和,C,1,C,2,之间分别连接一个压差计。根据柏努里方程和压差计特征知：,根据管径分别可计算出,u2,、,u1,，由此测出两个,U,型管压差计读数,P,B,和,P,C,Pa,，即可计算出流体流经突缩处的局部阻力损失,P,0,。,可以说，所有的局部阻力损失，均可由此方法测出。,P,C,P,B,（,2,）局部,P,f,的特殊测定方法,单压差计法,当管径未发生变化，且已知该直管的阻力损失（如本实验测弯头和阀门的局部阻力系数）时，可采用此方法。分布有,2,个测压点（保证各测压点处速度分布正常），连接一个压差计。根据柏努里方程和压差计特征知：,这种方法是结合已知可测出直管的阻力损失情况下应用的，显然比双压差计法要简单些，但其测量结果的数据精度与双压差计是完全一样的，因为其结果还是由两个压差计来确定的。,P,B,在某一流速下，根据以上测出的流速,u,和压差损失,Pf,，可计算出对应流速下管件的局部阻力系数,和雷诺数,Re,：,（,3,）局部阻力系数,的测定结果,需测出水温求得水的,、,。,测出不同流速下，对应的,Re,值，在,半双对数坐标,中作关系图：,Re,对数坐标,直角坐标,理论上：,对闸阀：,=0.17(,全开,),对弯头：,=0.75(,直角标准弯头,),对突缩：,A2/A1 0 0.6 0.7 0.62(,本实验,),0.5 0.2 0.15,三、实验装置流程,1,、直管与阀门局部阻力测定,2,、直管与突缩局部阻力测定,3,、直管与弯头局部阻力测定,4,、,U,型管压差计,5,、计量槽,6,、阀门与离心泵,1,、直管与阀门局部阻力测定,2,、直管与突缩局部阻力测定,3,、直管与弯头局部阻力测定,4,、,U,型管压差计,1,、平衡阀,作用：排气、防水银冲出,操作：排气时打开，让引压管内流体流动而带走气泡；测量时关闭；实验完毕后打开。,2,、液面读法,水银液面是凸面，应从上切位置读数，且读数值应精确到最小刻度内，最后一位数是估读（如图）。,当管内流速很大时，液面上下波动剧烈。读数时应以波动最高的上、下位置中间估读。,水,水银,平衡阀,液面差,5,、计量槽,1,、测量时计量槽应和秒表结合使用；,2,、计量（接水）前，计量槽中必须应有一液面读数，将水放净是错误的。,3,、液面计读数与水银压差计不同的是应读管内水的凹底切面。,4,、摆头与卡表必须同步。,5,、若计量槽内液体未满还可以继续下次接水，可将上次接水后的液面高度作为本次初始液面高度。注意水不能溢出。,出口上弯摆头,导流管,液面计,放水阀,计量槽,6,、阀门与离心泵操作,1,、阀门操作,铜闸阀；（如左图）,逆时针为开，顺时针为关。,在用常力将阀门开到最大（或关到最小后），不可再特别加力钮大（或钮紧）以求得流量再大（或关死），这样不但达不到效果反而会损坏阀门。,2,、离心泵操作,不锈钢离心泵（其原理第,2,章讲解）,启动时，应先关闭出口阀再启动。,停泵时，也应先关闭出口阀再停泵,。,四、实验操作,1,、启动（开车）,全关，,全开,泵启动：出口阀 平衡阀 启动泵出口阀。,若有水流出，说明泵已经正常启动。然后进行压差计排气：,排气：平衡阀,约,2,分钟,平衡阀出口阀。,若,U,形管内水银面平齐，说明管路气已排净，可以进行以下数据测量：,2,、数据测量,数据测量点分布按直管压差计读数进行：,应成倍增加,直管压差计：,P,0,HgPa=,100,200,400,800,1600,3200,最大,所测量原始数据：,实验装置套数：水温,=,水箱截面积,=,直管数据：管长,l=,管径,d=,局部数据：管长,l,1,=,管长,l,2,=,管径,d,1,=,管径,d,2,=,具体表格见实验讲义。,3,、停车,测量数据完毕后，关闭出口阀，开启压差计平衡阀，停泵。,五、实验报告,要求,1,、一周后完成上交,学习委员收齐，并按组排，送到实验室；晚交者自己送到实验室。,2,、条理应清楚，报告应整洁；,3,、实验结果的表达方式,数据表格、图一组可以一样，可以打印。,4,、对分析讨论的要求,表格,坐标图,公式回归,分析讨论,1,、实验结果的表格表示,数据表格见讲义，为竖表；,因为是竖表，每一竖栏中的数据精度（小数点后位数）是一样的，为醒目规范，要求小数点位置应上下（相对）照齐；,注意表头单位，数量级的正确表达；,表格中,Re,用科学记数法表示，在表头中的数量级要表达正确：,如：,Re=35823,化为：,Re=3.5810,4,在表格中应表示为第一、二种，其它均错！,种类,一,二,三,四,五,表达形式,Re,10,4,Re(,10,4,),Re,10,-4,Re(,10,-4,),Re,/10,4,表格中数据,3.58,3.58,3.58,3.58,所表示的数据,3.5810,4,3.5810,4,3.5810,-4,3.5810,-4,不规范,“/”,表示表头中符号与单位之间的分隔符号。,如：,P/Pa,2,、实验结果的坐标图示,Re,曲线 在双对数坐标纸上标出直管阻力系数,与,Re,的关系曲线；,Re,曲线 在半对数坐标纸上标出局部阻力系数,与,Re,的关系曲线；曲线画法 标坐标轴刻度：直角坐标刻度不能太疏也不能太密，应根据有效数字位（即仪表的精度）数确定。对于对数坐标，具体一个数量级内的刻度位置是已经定好了，只是标明数量级即可。标实验点：用“,+”,、“,”,、“”标点，而不用“,”,标点，否则看不清。画线：根据标好的点，从中间画一条光滑曲线。不能画折线。,Re,3,、实验结果的第,3,种表达形式,公式表达（不要求）,对实验结果往往需要回归出其函数具体关系，以便于进一步分析研究。目前我们实验所接触的大部分是一元线形回归，一般采用最小二乘法进行回归。对回归结果（即实验结果）进行评价，一般采用统计分析中的复相关系数,R,（简称拟合精度）和,F,统计量（方差比，简称,F,检验）来评价。,拟合精度,R,：,0|R|1,，,|R|,越接近,1,说明回归结果越好，实验精度越高。而,|R|,值低并不能说明该数据不存在函数关系，只是对这种函数不合适而已。究竟,R,值为多少时这种函数关系才有多大把握成立，可用,R,的显著性检验来衡量。,F,检验值,：,F,值越大越好，但究竟,F,值达到多少为合适，可用,F,的显著性检验来衡量。,实验结果的分析讨论,应对本实验结果进行如下分析讨论：,1,、,直管阻力系数,与流量,Re,关系：,流量，直管阻力损失,Pf,如何？流量，,如何？解释层流区、湍流区、阻力平方区，本实验处于什么区？有无绝对光滑管？解释“水力学光滑管”？,2,、,局部阻力系数,与流量,Re,关系：,流量，,如何？讨论阀门关小（或开大）的,变化情况。,3,、,误差分析：,本实验是如何用误差分析方法具体指导流量测定的；对实验结果,进行误差分析：,六、有关问题解释,1,、有关设备、操作方面,2,、有关双对数坐标,3,、有关直管,Re/d,关系图（摩迪图）,4,、有关一些基本概念,一些操作问题,1,、为何启动、关停离心泵时，应先关闭出口阀？,须流量为,0,启动（不怕憋坏）,启动功率（电流）最小，避免烧坏电机,；须流量为,0,后再停泵,防止倒流形成水锤而损坏叶轮,。,2,、为何要进行排气，如何排气？,U,形压差计的连接引压管中存有许多气泡，若不排净，势必会影响,U,型压差计的读数。因此，在测量前须排气。排气是靠两测压点的压差，必须打开平衡阀，使水从引压管中流过，以带走其内气体。所以，排气时，必须打开平衡阀，尽量使管内流量较大而开大泵出口阀。在排气时，,U,形管内仍有一定的压差读数，其乃平衡阀两端的压差。是否排气完毕，需要检验。关闭平衡阀，关闭出口阀，此时两测压点的阻力损失应该为,0,，若,U,形管内液面平，说明气已排尽，否则需重新排气操作。,3,、各上、下游测压点必须保证有一定稳定段距离：,因为,BNL,方程要求各点处速度分布必须达到正常，即在各测量点不能出现旋涡紊流等现象，本实验需,BNL,方程解决问题，因此必须满足此条件。,稳定段距离：在湍流情况下，上游,=40-50d,、下游,=4-5d,；在层流情况下，上游,=100d,、下游,=10d,；,在工业上，因为很多测量仪表是根据流体力学原理设计的，因此，安装使用这些测量仪表的位置也必须满足稳定段距离要求，否则会给测量结果带来测量误差。,有关双对数坐标图,1,、横坐标为何用,Re,而不用流量,q,？,若直接用标,q,关系，则当：对同一种流体，当测量条件发生变化（如,P,、,T,）流体物性（,、,）发生变化，在同一流量,q,下，,不同，导致用流量标定的工作曲线失效；对不同种类流体，很明显是不适用的。而用,Re,标定可广泛适用于不同种类的流体（但必须是牛顿型流体），具有广泛适用性。,2,、为何用对数坐标？对数坐标的特点？,因为用,Re,作为横坐标，其变化范围很大，若用直角坐标则不适用，所以,Re,采用对数坐标。另外，因为在层流情况下，,=64/Re,，在双对数坐标下为一直线，因此为了更直观，本实验结果采用双对数坐标。,3,、对数坐标原理如何，如何使用？,其原理如下图所示；注意使用时，轴上标的是真数，而具体位置却是对数；请大家认真领会。,真数值