background image

 

 

Measurement of flow rate, friction 
Factor, and velocity Profile in Pipe 
Flow

57:020 mechanics of Fluids and Transfer 

Processes

Experimental Laboratory #2

background image

 

 

Purpose

Measure 

Flow rate in a pipe (smooth)
Friction factor
Velocity profile
Specify the turbulent-flow Reynolds Number
Compare the results with benchmark data
Uncertainty analysis for:

Friction factor

Velocity profile

background image

 

 

Test Design

The facility consists of:

Closed pipe network
Fan
Reservoir 

Instruments used:

3 Venturi meters 

Simple water Manometer
Differential Water manometer
Pitot Probe
Digital Micrometer 

(Accurate radial positioning)

 

Contraction Diameters 
(mm):

12.7

25.4

52.9
3

Flow Coefficient, K

0.915

0.93
7

0.93
5

background image

 

 

Air Flow Pipe facility

P r e s s u r e

ta p s

M o to r

c o n tr o lle r

F lo o r

6’

-6

R

es

er

vo

ir

2 . 0 ”  s m o o th

0 . 5 ”  s m o o th

2 . 0 ”  r o u g h

R e lie f

v a lv e s

B lo w e r

D     =   2 . 0 ”

D     =   1 . 0 ”

D     =   0 . 5 ”

t

t

t

3 6 ’

V e n tu r i  m e te r   g a te   v a lv e s

T h e r m o m e te r

1

2

3

4

V a lv e   m a n if o ld

S im p le

m a n o m e te r

P ito t  tu b e

h o u s in g s

V a lv e s

D iff e r e n tia l

m a n o m e te r

V e n tu r i  m e te r s

background image

 

 

Test Design

 

(Continue)

Reservoir:

To build up pressure and force the air 

to flow downstream through any of the 
three straight experiment pipes.

Digital Micrometer:

Allow the measurement of the position 

of the Pitot probe at different locations 
along the cross section of the pipe tested

Pitot Probe:

Located in the glass-wall box
Used to measure the Stagnation 

pressure and calculate the velocity 
profile in pipe  

Venturi meters:

Located on each pipe type
Used to measure flow rate Q along the 

differential water manometer

Pressure Taps:

Located along each pipe, they are 

connected to the simple water 
manometer to evaluate the head 
measurement 

They are used to calculate the friction 

factor

Manometers:

To measure the head at each pressure 

Tap along the pipe and to make the Pitot-
tube measurements (simple Manometer)

To measure head drops across the 

venturi meters (differential Manometer)
  

background image

 

 

Pressure tap manifold and Pitot-tube 
housing

Pressure tap manifold

Pitot-tube housing

background image

 

 

Measurement Systems

:

The equipment used in the experiment includes:

Digital thermometer with a range of – 40 to 450 F and a 

smallest reading of 0.1 F for measurement of the 

environment temperature. 
Digital micrometer with least significant digit 0.01 mm for 
positioning the Pitot-tube inside the pipe. 
Simple water manometer with a range of 2.5 ft and a least 
scale division of 0.001 ft for measurement of the head at each 
pressure tap along the pipes and for measurement of 
velocities using the Pitot-tube arrangement . 
Differential water manometer with a range 3 ft and a least 
scale division of 0.001ft for measurement of the head drop 
across the Venturi meters.

 

background image

 

 

Measurement Systems 

(continue)

For the flow rate and friction 
factor, the individual 
measurement are performed 
for:

Ambient air temperature (A.3)

Pipe air temperature (A.5)

Pipe pressure head

Venturi meter pressure head drop

The experimental Results 
are:

Manometer water density 

Air density 

Kinematic viscosity

Flow rate

Reynolds number 

Friction factor

Data reduction equations 
are:

)

(

o

w

w

T

f

)

(

o

air

air

T

f

)

(

o

air

air

T

f

air

w

DM

t

Z

g

KA

Q

2

air

e

D

Q

R

4

j

i

SM

SM

air

w

Z

Z

LQ

D

g

f

2

5

2

8

background image

 

 

Measurement Systems 

(continue)

For the velocity profile, the individual measurement systems 
are for:
 

the ambient temperature 

pipe air temperature

pitot stagnation and static pressure heads.

The experimental results are for:

manometer water density (A.3)

Air density (A.5)

Velocity profile (below)

Data reduction equation: 

(using the Bernoulli equation along the manometer 

equation)

static

stag

SM

SM

a

w

Z

r

Z

g

r

u

)

(

2

)

(

background image

 

 

Flow rate, Friction factor and velocity 
profile measurement systems

Block diagram of the 
experimental determination of 
the Friction 

Block diagram of the Velocity 
measurement

E X P E R IM E N T A L

R E S U L T S

E X P E R IM E N T A L  E R R O R  S O U R C E S

IN D IV ID U A L

M E A S U R E M E N T

S Y S T E M S

M E A S U R E M E N T

O F  IN D IV ID U A L

V A R IA B L E S

D A T A  R E D U C T IO N

E Q U A T IO N S

T E M P E R A T U R E

W A T E R

T E M P E R A T U R E

A IR

f

B     , P

V E N T U R I

P R E S S U R E

P IP E

P R E S S U R E

f  =   F (    ,     , z        ,  Q   =

)

a

a

w

g

D

 

8 L Q


Q   =  F ( z     )

w

w

T

T

B

T

, P

z

z

B         , P

f

f

S M

S M

w

w

D M

S M

2

2

5

a

T

T

B

T

,  P

a

a

z

S M

z

z

B         ,  P

D M

D M

z

D M

=   F (T    )


(                    )

w

=   F (T    )

a

z

S M i

-   z

S M j

w

a

E X P E R IM E N T A L

R E S U L T

w

w

T

T

B

T

, P

S T A G N A T IO N

P R E S S U R E

S T A T IC

P R E S S U R E

E X P E R IM E N T A L  E R R O R   S O U R C E S

IN D IV ID U A L

M E A S U R E M E N T

S Y S T E M S

M E A S U R E M E N T

O F   IN D IV ID U A L

V A R IA B L E S

D A T A   R E D U C T IO N

E Q U A T IO N S

z

B   

,  P

S M

B , P

u

u

u

=  F ( T      )


u   =  F (      ,     ,  z            , z            )

2 (                                  )

 g

 

½

=

T E M P E R A T U R E

W A T E R

T E M P E R A T U R E

A IR

w

a

s ta g

a

T

T

B

T

, P

a

z

w

w

w

S M

s t a g

z

S M

s t a g

z

B    

, P

S M

s ta t

z

S M

s t a t

z

S M

s t a t

=   F ( T    )

a

a

a

S M

s ta g

S M

s ta t

z

S M

s ta g

-  z

S M

s ta t

w

a

background image

 

 

Data Acquisition and reduction 

The procedures for data acquisition and reduction are described as follow:

1.

Use the appropriate Venturi meter, (2” smooth pipe) measure the head 
drop

2.

Take reading for ambient air (manometer water) and pipe air 
temperatures.

3.

To obtain velocity data, measure in the appropriate Pitot-tube box, the 
ambient head and stagnation heads across the full diameter.  Measure 
the stagnation heads at radial intervals. The recommended radial 
spacing for one half of the diameter is 0, 5, 10, 15, 20, 23, and 24 mm.

4.

Maintaining the discharge, measure the head along the pipe by means 
of the simple water manometer connected to the pressure taps located 
along the pipe being studied (10 times for uncertainty analysis)

5.

Repeat step 2

6.

Execute data reduction for data analysis and uncertainty analysis using 
equation above

background image

 

 

Uncertainty Analysis

The data reduction equation for the friction factor is:

However here we will only consider bias limits for Z

SM i 

and Z

SM j . 

The total 

uncertainty for the friction is:

The Bias Limit, B

f

 and the precision limit, P

f

, for the result are given by:

)

,

,

,

,

,

,

,

(

j

i

SM

SM

a

w

Z

Z

Q

L

D

g

F

f

2

2

2

f

f

f

P

B

U

2

2

2

2

1

2

2

2

j

SM

SMj

i

SM

i

SM

Z

Z

Z

Z

j

i

i

i

f

B

B

B

B

M

tS

P

f

f

background image

 

 

Uncertainty Analysis 

(continue)

Data Reduction equation for the velocity profile is as follow:

 

 

2

2

2

u

u

u

P

B

U

2

2

2

2

1

2

2

2

stat

SM

stat

SM

SMstagn

stagn

SM

Z

Z

Z

Z

j

i

i

i

u

B

B

B

B

M

tS

P

u

u

)

,

,

,

,

(

static

stagnation

SM

SM

a

w

Z

Z

g

F

f

background image

 

 

Moody Chart for pipe friction with 
smooth and rough walls

1 0

1 0

4

1 0

1 0

1 0

1 0

5

6

7

8

3

0 . 0 0 8

0 . 0 0 9

0 . 0 1 5

0 . 0 2 5

0 . 0 2 0

0 . 0 1 0

0 . 0 3 0

0 . 0 4 0

0 . 0 5 0

0 . 0 6 0

0 . 0 7 0

0 . 0 8 0

0 . 0 9 0

0 . 1 0

R e y n o ld s   N u m b e r ,   R e   =

V D

F

ri

ct

io

n

 F

a

ct

o

=

h

f

(L

/D

)V

  

/(

2

g

)

2

0 . 0 0 0 0 1

0 . 0 0 0 0 5

0 . 0 0 0 1

0 . 0 0 0 2

0 . 0 0 0 4

0 . 0 0 0 6

0 . 0 0 0 8

0 . 0 0 1

0 . 0 5
0 . 0 4
0 . 0 3

0 . 0 2

0 . 0 1

0 . 0 1 5

0 . 0 0 8
0 . 0 0 6
0 . 0 0 4

0 . 0 0 2

R

e

la

tiv

e

 R

o

u

g

h

n

e

ss

  

/D

L a m i n a r

F l o w

C r i ti c a l

Z o n e

T r a n s i ti o n

Z o n e

La

m

in

a

r F

lo

w

 f =

 6

4/R

e

/D   =   0 . 0 0 0 0 0 5

/D  =   0 . 0 0 0 0 0 1

C o m p l e te   T u r b u l e n c e ,  H y d r a u l i c a l l y  R o u g h

H y d r a u l i c a l l y   S m o o th

k

k

k


Document Outline