流体流动阻力测定-白净.ppt

直管阻力系数直管阻力系数与与局部阻力系数局部阻力系数的测定实验的测定实验高健高健一、一、实验目的实验目的二、实验原理二、实验原理三、实验装置流程三、实验装置流程四、实验操作四、实验操作五、实验报告要求五、实验报告要求六、有关问题解释六、有关问题解释一、实验目的一、实验目的1、了解实验设备、流程、仪器仪表；、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、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（直管摩擦系数力损失）及阻力系数（直管摩擦系数与局部阻力系数与局部阻力系数）的变化规律。并将的变化规律。并将()与与Re的关系标绘在双对数坐标上。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、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。计实验误差大小。4、了解、了解U形压差计的使用及计算方法。形压差计的使用及计算方法。二、实验原理二、实验原理1、直管阻力系数、直管阻力系数的测定的测定 流流体体在在管管路路中中流流动动，由由于于粘粘性性剪剪应应力力和和涡涡流流的的存存在在，不不可可避避免免的的会会产产生机械能损耗。流体在圆形直管内作定常稳定流动时的摩擦阻力损失为：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，只要测得可知，只要测得Pf和管内流速和管内流速u即可求出直管摩擦系数即可求出直管摩擦系数。(1)压差损失压差损失pf的测定的测定(2)平均流速平均流速 u 的测定的测定(3)直管阻力系数测定的结果直管阻力系数测定的结果（1）压差损失）压差损失P0af 的确定的确定 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，从教材速度分布正常时，从教材P37中式中式1-71可得：可得：根据根据 U 型管压差计测压特点，其实际值与指示值的关系为：型管压差计测压特点，其实际值与指示值的关系为：根据根据 U 型管特征，型管特征，U型管中指示液所示压差型管中指示液所示压差P0Pa即为流体流经两即为流体流经两测压点处的阻力损失测压点处的阻力损失P0af。（2）平均流速平均流速u的测量的测量 流量的测量有经典法（称重法、体积法）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：和直接流量计两种。本实验采用体积法测量：若要求若要求 u2%由误差均分原则有：由误差均分原则有：t1%和和h1%测流速测流速u时，误差分析的具体应用：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在某一流速下，根据以上测出的流速u和压差损失和压差损失pf，可计算出对，可计算出对应流速下管内的直管阻力系数应流速下管内的直管阻力系数和雷诺数和雷诺数Re：（3）直管阻力系数的测定结果直管阻力系数的测定结果需测出水温求得水的需测出水温求得水的、。测出不同流速下，对应的测出不同流速下，对应的Re值，在双对数坐标中作关系图：值，在双对数坐标中作关系图：Re对数坐标对数坐标对数坐标对数坐标2、局部阻力系数的测定、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：是当量长度法，本实验采用阻力系数法：可知，只要测得可知，只要测得Pf和管内流速和管内流速u即可求出局部阻力系数即可求出局部阻力系数。而管内平均流速而管内平均流速u在前述测量直管时已测出。在前述测量直管时已测出。(1)局部局部pf的一般测定方法的一般测定方法双压差计法双压差计法(2)局部局部pf的特殊测定方法的特殊测定方法单压差计法单压差计法(3)局部阻力系数局部阻力系数测定的结果测定的结果（1）局部）局部Pf 的一般测定方法的一般测定方法双压差计法双压差计法 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），在点处速度分布正常，且之间距离如图示），在B1B2和和C1C2之间分别连接一个压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：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根据管径分别可计算出u2、u1，由此测出两个，由此测出两个U型管压差计读数型管压差计读数PB和和PCPa，即可计算出流体流经突缩处的局部阻力损失，即可计算出流体流经突缩处的局部阻力损失P0。可以说，所有的局部阻力损失，均可由此方法测出。可以说，所有的局部阻力损失，均可由此方法测出。PCPB（2）局部）局部Pf 的特殊测定方法的特殊测定方法单压差计法单压差计法 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：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。个压差计来确定的。PB 在某一流速下，根据以上测出的流速在某一流速下，根据以上测出的流速u和压差损失和压差损失Pf，可计算出，可计算出对应流速下管件的局部阻力系数对应流速下管件的局部阻力系数和雷诺数和雷诺数Re：（3）局部阻力系数局部阻力系数的测定结果的测定结果需测出水温求得水的需测出水温求得水的、。测出不同流速下，对应的测出不同流速下，对应的Re值，在值，在半双对数坐标半双对数坐标中作关系图：中作关系图：Re对数坐标对数坐标直角坐标理论上：理论上：对闸阀：对闸阀：=0.17(全开全开)对弯头：对弯头：=0.75(直角标准弯头直角标准弯头)对突缩：对突缩：A2/A1 0 0.6 0.7 0.62(本实验本实验)0.5 0.2 0.15三、实验装置流程三、实验装置流程1、直管与阀门局部阻力测定、直管与阀门局部阻力测定2、直管与突缩局部阻力测定、直管与突缩局部阻力测定3、直管与弯头局部阻力测定、直管与弯头局部阻力测定4、U型管压差计型管压差计5、计量槽、计量槽6、阀门与离心泵、阀门与离心泵1、直管与阀门局部阻力测定、直管与阀门局部阻力测定2、直管与突缩局部阻力测定、直管与突缩局部阻力测定3、直管与弯头局部阻力测定、直管与弯头局部阻力测定4、U型管压差计型管压差计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、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、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、实验操作四、实验操作1、启动（开车）、启动（开车）全关，全关，全开全开 泵启动：泵启动：出口阀出口阀 平衡阀平衡阀 启动泵启动泵出口阀出口阀。若有水流出，说明泵已经正常启动。然后进行压差计排气：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：排气：平衡阀平衡阀约约2分钟分钟平衡阀平衡阀出口阀出口阀。若若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：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 数据测量点分布按直管压差计读数进行：数据测量点分布按直管压差计读数进行：应成倍增加应成倍增加 直管压差计：直管压差计：P0HgPa=100,200,400,800,1600,3200,最大最大 所测量原始数据：所测量原始数据：实验装置套数：实验装置套数：水温水温=水箱截面积水箱截面积=直管数据：管长直管数据：管长l=管径管径d=局部数据：管长局部数据：管长l1=管长管长l2=管径管径d1=管径管径d2=具体表格见实验讲义。具体表格见实验讲义。3、停车、停车 测量数据完毕后，关闭出口阀，开启压差计平衡阀，停泵。测量数据完毕后，关闭出口阀，开启压差计平衡阀，停泵。五、实验报告五、实验报告要求要求1、一周后完成上交、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。验室。2、条理应清楚，报告应整洁；、条理应清楚，报告应整洁；3、实验结果的表达方式、实验结果的表达方式 数据表格、图一组可以一样，可以打印。数据表格、图一组可以一样，可以打印。4、对分析讨论的要求、对分析讨论的要求表格表格坐标图坐标图公式回归公式回归分析讨论分析讨论1、实验结果的表格表示、实验结果的表格表示 数据表格见讲义，为竖表；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；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；注意表头单位，数量级的正确表达；表格中表格中Re用科学记数法表示，在表头中的数量级要表达正确：用科学记数法表示，在表头中的数量级要表达正确：如：如：Re=35823 化为：化为：Re=3.58104 在表格中应表示为第一、二种，其它在表格中应表示为第一、二种，其它均错！均错！种类种类一一二二三三四四五五表达形式表达形式Re 10 4 Re(104)Re 10-4Re(10-4)Re/104表格中数据表格中数据3.583.583.583.58所表示的数据所表示的数据3.581043.581043.5810-43.5810-4不规范不规范“/”表示表头中符号与单位之间的分隔符号。如：P/Pa2、实验结果的坐标图示、实验结果的坐标图示 Re 曲线曲线 在双对数坐标纸上标出直管阻力系数在双对数坐标纸上标出直管阻力系数与与Re的关系曲线；的关系曲线；Re曲线曲线 在半对数坐标纸上标出局部阻力系数在半对数坐标纸上标出局部阻力系数与与Re的关系曲线；的关系曲线；曲线画法曲线画法 标坐标轴刻度：直角坐标刻度不能太疏也不能太密，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。刻度位置是已经定好了，只是标明数量级即可。标实验点：用标实验点：用“+”、“”、“”标点，而不用标点，而不用“”标点，否则看不清。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。画线：根据标好的点，从中间画一条光滑曲线。不能画折线。Re3、实验结果的第、实验结果的第3种表达形式种表达形式公式表达（不要求）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。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相关系数R（简称拟合精度）和（简称拟合精度）和 F 统计量（方差比，简称统计量（方差比，简称 F 检验）来检验）来评价。评价。拟合精度拟合精度 R：0|R|1，|R|越接近越接近 1 说明回归结果越好，实验精说明回归结果越好，实验精度越高。而度越高。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，可值为多少时这种函数关系才有多大把握成立，可用用 R 的显著性检验来衡量。的显著性检验来衡量。F检验值检验值：F 值越大越好，但究竟值越大越好，但究竟 F 值达到多少为合适，可用值达到多少为合适，可用 F 的的显著性检验来衡量。显著性检验来衡量。实验结果的分析讨论实验结果的分析讨论 应对本实验结果进行如下分析讨论：应对本实验结果进行如下分析讨论：1、直管阻力系数直管阻力系数与流量与流量Re关系：关系：流量流量，直管阻力损失，直管阻力损失Pf 如何如何？流量流量，如何？如何？解释层流区、湍流区、阻力平方区，本实验处于什么区？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？解释有无绝对光滑管？解释“水力学光滑管水力学光滑管”？2、局部阻力系数局部阻力系数与流量与流量Re关系：关系：流量流量，如何？如何？讨论阀门关小（或开大）的讨论阀门关小（或开大）的变化情况。变化情况。3、误差分析：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；本实验是如何用误差分析方法具体指导流量测定的；对实验结果对实验结果进行误差分析：进行误差分析：六、有关问题解释六、有关问题解释1、有关设备、操作方面、有关设备、操作方面2、有关双对数坐标、有关双对数坐标3、有关直管、有关直管Re/d关系图（摩迪图）关系图（摩迪图）4、有关一些基本概念、有关一些基本概念一些操作问题一些操作问题 1、为何启动、关停离心泵时，应先关闭出口阀？、为何启动、关停离心泵时，应先关闭出口阀？须流量为须流量为 0 启动（不怕憋坏）启动（不怕憋坏）启动功率（电流）最小，避免烧坏电机启动功率（电流）最小，避免烧坏电机 ；须流量为须流量为 0 后再停泵后再停泵 防止倒流形成水锤而损坏叶轮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？、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型压差计的型压差计的读数。因此，在测量前须排气。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。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，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。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失应该为0，若，若U形管内液面平，说明气已排尽，否则需重新排气操作。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：、各上、下游测压点必须保证有一定稳定段距离：因为因为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。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，上游稳定段距离：在湍流情况下，上游=40-50d、下游、下游=4-5d；在层流情况下，上游在层流情况下，上游=100d、下游下游=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。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。有关双对数坐标图有关双对数坐标图 1、横坐标为何用、横坐标为何用Re而不用流量而不用流量q？若直接用标若直接用标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（）流体物性（、）发生变化，在同一流量）发生变化，在同一流量q下，下，不同，导致用流量标定的工作不同，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。曲线失效；对不同种类流体，很明显是不适用的。而用而用 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。广泛适用性。2、为何用对数坐标？对数坐标的特点？、为何用对数坐标？对数坐标的特点？因为用因为用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采采用对数坐标。用对数坐标。另外，因为在层流情况下，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，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。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？、对数坐标原理如何，如何使用？其原理如下图所示；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。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。真数值真数值A对数值对数值LOGA有关摩迪图有关摩迪图有关一些基本概念有关一些基本概念 1、从摩迪图上可知：、从摩迪图上可知：只有在层流区，阻力系数只有在层流区，阻力系数（或阻力损失（或阻力损失Pf）与）与/d 无关；无关；只有在完全湍流区，只有在完全湍流区，与与 u 无关，但无关，但Pf u2，因此称为阻力平方区；，因此称为阻力平方区；在湍流区，在湍流区，=f（Re，/d）；）；光滑管：绝对光滑的管子是不存在的，但目前认为在牛顿性流体所应用光滑管：绝对光滑的管子是不存在的，但目前认为在牛顿性流体所应用的范围内，在目前管道内能达到的足够大的流速下，其层流内层的厚度始的范围内，在目前管道内能达到的足够大的流速下，其层流内层的厚度始终大于其绝对粗糙度，使其粗糙表面的凸出物未暴露于湍流核心中（淹没终大于其绝对粗糙度，使其粗糙表面的凸出物未暴露于湍流核心中（淹没在层流底层中），这样对阻力损失没有明显的影响。在目前的研究范围内，在层流底层中），这样对阻力损失没有明显的影响。在目前的研究范围内，这样的管子达不到阻力平方区。严格的讲，应该称其为水力学意义上的光这样的管子达不到阻力平方区。严格的讲，应该称其为水力学意义上的光滑管。滑管。区域分界线：层流与湍流间的分界区域分界线：层流与湍流间的分界Re数值较为固定，而湍流与完全湍数值较为固定，而湍流与完全湍流分界的流分界的Re数值是根据不同数值是根据不同/d而不同的。而不同的。2、U形压差计：形压差计：因为引压管的关系，因为引压管的关系，U形压差计中所显示的压差与两个实际测量点位置形压差计中所显示的压差与两个实际测量点位置无关。而无关。而U形管中每个液面的绝对高度是没有意义的。形管中每个液面的绝对高度是没有意义的。3、数值读数误差：、数值读数误差：所测量的每个原始数据，均应反映出测量仪表的精度，犹如所测量的每个原始数据，均应反映出测量仪表的精度，犹如25与与25.0两两个数据，其数值是一样的，但所代表的测量精度意义就大不一样了。个数据，其数值是一样的，但所代表的测量精度意义就大不一样了。实验安排实验安排日期时间第8-9周班组内容10月15 周二下午 18：00南1102集体预习10月18 周五下午 1:002:20 2:203:40 3:405:00 制药1制药2工艺1工艺2工艺3工艺4现场预习10月25 周四 下午 1:00 2:30 2:30 4:00 4:00 5:30 周五 下午 1:00 2:30 2:30 4:00 4:00 5:30 5:30 7:00工艺1工艺2工艺3工艺4制药1制药2补考、补作时间操作