空气流动阻力性能测试实验

一、       实验类型和建议学时

   实验类型：设计性实验

   建议学时：4学时    

二、       实验背景

阿基米德到现在的二千多年，特别是从20世纪以来，流体力学已发展成为基础科学体系的一部分，同时又在工业、农业、交通运输、天文学、地学、生物学、医学等方面得到广泛应用。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。工程设计过程中，流体流动阻力损失的测定或计算，对于确定流体输送所需推动力的大小，如泵的功率、液位或压差，选择适当的输送条件都有不可或缺的作用；

三、       实验目的

1)        辨别组成管路的各种管件、阀门，并了解其作用。

2)        测定流体在圆形直管内流动时摩擦系数λ与雷诺数Re的关系。

3)        测定流体流经闸阀时的局部阻力系数x。

四、       基本原理

1)        直管阻力摩擦系数λ的测定

流体在水平等径直管中稳定流动时，阻力损失为：

则直管阻力摩擦系数可写成：                                 

雷诺准数Re的定义是：                                       

层流时：                                                  

湍流时：λ是雷诺准数Re和相对粗糙度（ε/d）的函数。

完全湍流时：λ只是相对粗糙度（ε/d）的函数。

上式中   d ：直管内径，m；

：流体在l米直管内流动时由于流动阻力而产生的压降，Pa；

：单位质量流体流经l米直管时产生的流动阻力，J/kg；

ρ ：流体密度，kg/m³；

l ：直管长度，m；

u ：流体在管内流动的平均流速，m/s；

μ ：流体粘度，Pa?s。

其中l、d为装置参数 ， ρ、μ通过测定流体温度，再查有关手册而得， u通过测定流体流量，再由管径计算得到。

采用倒置U型管液柱压差计和差压变送器测量。

（2）局部阻力系数x 的测定

根据阻力系数法，流体通过某一管件或阀门时的机械能损失可表示为流体在管内流动时平均动能的某一倍数，即：

故                                                                            

式中  x ：局部阻力系数，无因次；

  ：局部阻力引起的压降，Pa（本装置中，所测得的压降应扣除两测压口间直管段的压降后才是闸阀局部阻力引起的压降，直管段的压降由直管阻力实验结果求取）。

五、       实验装置与流程

实验装置流程如图1所示。实验装置系统由空气储罐、空气压缩机、电动调节阀、质量流量控制器、压力表、差压变送器、不同直径和材质的管、倒U型压差计（图中未画出）等组成。装置上有三段并联的水平直管，自上而下分别用于测定局部阻力、光滑管直管阻力和粗糙管直管阻力。测定局部阻力时使用不锈钢管，中间装有待测管件（闸阀）；测定光滑管直管阻力时，同样使用内壁光滑的不锈钢管，而测定粗糙管直管阻力时，采用管道内壁较粗糙的镀锌管。

空气流量通过质量流量控制器来测量，流量通过变频器改变出口阀大小来调节，管路和闸阀的阻力采用各自的倒U型管压差计和差压变送器来测量，同时差压变送器将差压信号传，通过数据采集仪，实时传递给计算机，进行记录和检测。

图1  流体流动阻力实验流程简图

六、       实验步骤

1)        开启仪控柜上总电源、仪表电源开关，将仪控柜上“实验选择”转到“管阻力”。

2)        检查管路密封性，开启空气压缩机，观察空气储罐中的压力表，待到压力到达流量控制器允许压力时，打开流量控制器，调节空气流量。

3)        开启压力传感信号的数据采集仪器，通过计算机实时采集管路中的压力损失的电压信号，并进行保存记录。

4)        分别开启相应管路的进口阀分别测定光滑管阻力、粗糙管阻力、局部阻力(注意：测局部阻力时，要将旋钮转到“局部阻力压差”位置)；

5)        改变空气流量?工况参数，分别记录不同流量下的沿程阻力损失变化；

6)        测控局部阻力损失时，只需要将差压变送器安装在管道弯头的上下游两侧，然后重复上述性试验。

7)        实验结束后，关闭出口阀，停止水泵，关掉仪表电源和总电源。

七、       实验数据记录

实验日期：                装置号：    

同组实验人员：                                                        

水温：           管长：      

光滑管内径：          粗糙管内径：           局部阻力管内径：        

八、       实验结果

用表列出光滑管和粗糙管的λ和Re值，给出计算示例，在双对数坐标纸上绘出λ～Re曲线，求出闸阀全开时的平均ξ值。

九、       思考题

（1）以空气为介质所测得的λ～Re关系能否适用于其它流体？

（2）在不同设备上(包括不同管径)，不同空气温度温下测定的λ～Re数据能否关联在同一条曲线上? 为什么?