局部阻力损失实验报告

1、局部阻力损失实验前言：工农业生产的迅速发展 , 使石油管路、给排水管路、机械液压管路等 , 得到 了越来越广泛的应用。为了使管路的设计比较合理 , 能满足生产实际的要求 , 管 路设计参数的确定显得更为重要。 管路在工作过程中存在沿程损失和局部阻力损 失，合理确定阻力系数是使设计达到实际应用要求的关键。 但是由于扩张、 收缩 段的流动十分复杂， 根据伯努利方程和动量方程推导出的理论值往往与具体的管 道情况有所偏差，一般需要实验测定的局部水头损失进行修正或者得出经验公式 用于工业设计。在管路中 , 经常会出现弯头 , 阀门, 管道截面突然扩大 , 管道截面突然缩小 等流动有急剧变化的管段 , 由

2、于这些管段的存在 , 会使水流的边界发生急剧变化 水流中各点的流速 , 压强都要改变 , 有时会引起回流 , 旋涡等 , 从而造成水流机 械能的损失。例如，流体从小直径的管道流往大直径的管道 , 由于流体有惯性 , 它 不可能按照管道的形状突然扩大 , 而是离开小直径的管道后逐渐地扩大。因此便 在管壁拐角与主流束之间形成漩涡 , 漩涡靠主流束带动着旋转 , 主流束把能量传 递给漩涡、漩涡又把得到的能量消耗在旋转中 （ 变成热而消散 ） 。此外 , 由于管 道截面忽然变化所产生的流体冲击、碰撞等都会带来流体机械能的损失。摘要：本实验利用三点法测量扩张段的局部阻力系数，用四点法量测量收缩段的 局部

3、阻力系数，然后与圆管突扩局部阻力系数的包达公式和突缩局部阻力系数的 经验公式中的经验值进行对比分析， 从而掌握用理论分析法和经验法建立函数式 的技能。进而加深对局部阻力损失的理解。三、实验原理写出局部阻力前后两断面的能量方程， 根据推导条件， 扣除沿程水头损失可 得：1突然扩大采用三点法计算，下式中 hf12由hf2 3按流长比例换算得出。实测hje (Z1 p1)12g (Z2p2)22ghf1 2理论e (1hjehje /2gA1 2A12)22g2突然缩小采用四点法计算，下式中 B点为突缩点， hf 4 B由hf3 4换算得出，hfB 5由hf5 6 换算得出。实测2 hjs (Z4

4、p4) 2g4p552hf4 B (Z5 p5) 2g5hfB 5 2hjs / 2g经验公式，计算中的速度应取小管径中的速度值。4321.2255 A52.2096 A51.3859 A50.1167 A5 0.5A3 A3 A3 A3当 A5/A3 0.1时，可简化为 s 0.5(1 AA35)2ghjs实验装置本实验装置如图所示局部阻力系数实验装置图1.自循环供水器； 2.实验台； 3.可控硅无级调速器； 4. 恒压水箱； 5. 溢流 板； 6.稳水孔板； 7.突然扩大实验管段； 8.测压计； 9. 滑动测量尺； 10. 测压 管；11. 突然收缩实验管段； 12. 流量调节阀；实验管道

5、由小大小三种已知管径的管道组成， 共设有六个测压孔， 测孔 13和 25分别测量突扩和突缩的局部阻力系数。 其中测孔 1位于突扩界面处， 用以测量小管出口端压强值。实验方法与步骤1测记实验有关常数。2打开电源开关，使恒压水箱充水，排除实验管道中的滞留气体。3打开出水阀至最大开度，待流量稳定后，测记测压管读数，同时用体积 法测记流量。4改变出水阀开度 34 次，分别测记测压管读数及流量。5实验完成。实验成果及要求1记录、计算有关常数：实验装置台号 No 4D1=D5=1.4cm D2=D3=D4=2.0cm L1-2=20.0cm L2-3=19.8cmL3-b=6.5cm Lb-4=3.5cm

6、 L4-5=20.0cme (1 A1 )2 0.2601，eA21.2255A5A32.2096A51.3859 A5A30.1167 5A30.5=0.2994注：由于 A5/A4=0.49>0.1,故采用以上经验公式计算值 2整理记录、计算表。NO.1 测压管及流量记录表h1(cm)h2(cm)h3(cm)h4(cm)h5(cm)V(cm3)t(s)Q(cm3/s)150.454.653.341.439.6398018221.1244.848.847.937.936.4398018.6214.0340.844.543.334.231.6398019.7202.0432.735.73

7、4.926.925.6398021.8182.6529.432.331.323.822.2398022.5176.9NO.2 扩张段实验数据v1*v1/2g(cm)v2*v2/2g(cm)hf1-2(cm)(p1-p2)/ Hje(cm)ee 理 论110.532.531.31-4.22.490.23610.260129.862.370.91-42.580.26190.260138.792.111.21-3.71.770.20090.260147.181.720.81-31.650.22930.260156.741.621.01-2.91.210.17950.2601平均值0.22160.26

8、01N0.3 收缩段实验数据v5*v5/2g(cm)v4*v4/2g(cm)hf4-B (cm)hf5-B (cm)(p4-p5)/ (cm)Hjs (cm)s理论110.532.530.430.321.83.160.30010.299429.862.370.300.261.51.950.19790.299438.792.110.390.462.61.570.17900.299447.181.720.260.231.32.060.28660.299456.741.620.330.281.61.770.26310.2994平均值0.24530.29943.扩张段 收缩段e/e 理论=0.2216

9、/0.2601=85.19%s/ s 理论 =0.2453/0.2994=83.27%实验分析与讨论1结合实验成果， 分析比较突扩与突缩在相应条件下的局部损失大小关系实验结果如下图：2由式h jvj 2g及 f (d1 d2 )表明影响局部阻力损失的因素是 v和d1 d2 ，由于有突扩：突缩：e (1 A1 A2 )2s 0.5(1 A1 A2 )则有Kse0.5(1 A1 A2 )0.5(1 A1 A2) 21A1 A2当A1 A20.5或d1 d 20.707时，突然扩大的水头损失比相应突然收缩的要大。在本实验中 D1/D2=0.7，突扩损失与突缩损失应接近，即 hjs/hje=1 ，说明

10、实验结果与理论推到相一致。从而我们也可得到，当 d1 d2 接近于 1 时，突扩的水流形态接近于逐渐扩大管的 流动，因而阻力损失显著减小 。2结合流动仪演示的水力现象，分析局部阻力损失机理何在？产生突扩与突缩局部阻力损失的主要部位在哪里？怎样减小局部阻力损失？流动演示仪 I-VII 型可显示突扩、突缩、渐扩、渐缩、分流、合流、阀道、绕流等三十余种内、外流的流动图谱。据此对局部阻力损失的机理分析如下：从显示的图谱可见，凡流道边界突变处，形成大小不一的旋涡区。旋涡是产 生损失的主要根源。 由于水质点的无规则运动和激烈的紊动， 相互摩擦， 便消耗 了部分水体的自储能量。 另外，当这部分低能流体被主流

11、的高能流体带走时， 还 须克服剪切流的速度梯度， 经质点间的动能交换， 达到流速的重新组合， 这也损 耗了部分能量。这样就造成了局部阻力损失。从流动仪可见，突扩段的旋涡主要发生在突扩断面以后，而且与扩大系数有 关，扩大系数越大，旋涡区也越大，损失也越大，所以产生突扩局部阻力损失的 主要部位在突扩断面的后部。 而突缩段的旋涡在收缩断面前后均有。 突缩前仅在 死角区有小旋涡， 且强度较小， 而突缩的后部产生了紊动度较大的旋涡环区。 可 见产生突缩水头损失的主要部位是在突缩断面后。从以上分析知。为了减小局部阻力损失，在设计变断面管道几何边界形状时 应流线型化或尽量接近流线型， 以避免旋涡的形成， 或

12、使旋涡区尽可能小。 如欲 减小本实验管道的局部阻力， 就应减小管径比以降低突扩段的旋涡区域； 或把突 缩进口的直角改为园角， 以消除突缩断面后的旋涡环带， 可使突缩局部阻力系数 减小到原来的 1/21/10。突然收缩实验管道， 使用年份长后， 实测阻力系数减小， 主要原因也在这里。3现备有一段长度及联接方式与调节阀（图 8.1 ）相同，内径与实验管道 相同的直管段，如何用两点法测量阀门的局部阻力系数？ 两点法是测量局部阻力系数的简便有效办法。它只需在被测流段（如阀 门）前后的直管段长度大于（ 2040）d 的断面处，各布置一个测压点便可。先 测出整个被测流段上的总水头损失 hw1 2 ，有hw

13、1 2 hj1 hj 2hjnhji hf1 2式中： hji 分别为两测点间互不干扰的各个局部阻力段的阻力损失；hjn 被测段的局部阻力损失；hf1 2 两测点间的沿程水头损失。然后，把被测段（如阀门）换上一段长度及联接方法与被测段相同，内径与 管道相同的直管段，再测出相同流量下的总水头损失 hw'1 2，同样有h'w1 2 hj1 hj2hji 1 hf1 2所以hjn hw1 2 hw1 24实验测得突缩管在不同管径比时的局部阻力系数（ Re 105 ）如下：序号12345d2 /d10.20.40.60.81.00.480.420.320.180试用最小二乘法建立局部阻

14、力系数的经验公式利用 Excel中最小二乘法线性拟合可以得到： =-0.6（d2/d1）+0.64其中 R2 = 0.9626，说明拟合效果很好。若采用 A2/A1 为参数，则结果如下： =0.5（1-（A2/A1） 显然，采用 A2/A1 作为变量推导出的公式更符合实际情况理论推导过程如下由实验数据求得等差 x（令x d2 / d1 ）相应的差分 y（令y ） ，其一、二级差 分如下表i1 2345x0.20.20.20.2y-0.06-0.1-0.04-0.182y-0.04-0.04-0.04二级差分 2y 为常数，故此经验公式类型为：2y b0 b1x b2x（1）（ 2）用最小二乘法

15、确定系数2yi b0 b1x1 b2 xi 是实验值与经验公式计算值的偏差如用 表示偏差的平方和，即n2ii15yib0 b1xib2xi2i1（2）为使 为最小值，则必须满足0 b00b10b2于是式（ 2）分别对 b0、b1、 b2求偏导可得列表计算如下：5b2 xi2i15yi xii15 b0 xii 1 i 15i1b12xib2053xi3）ixi d2 /d1yi2 xi3 xi10.20.480.040.00820.40.420.160.06430.60.320.360.21640.80.180.640.51251.001.001.00总和5xi3i15yi 1.4i15xi2

16、 2.2i15xi3 1.8i12 yi xi5b0 xi2i 1 i 1i153 b1xii1i15 b2xi4i1i4xi4yi xi2 yi xi210.00160.0960.019220.02560.1680.067230.1300.1920.11540.4100.1440.11551.0000总和5xi4 1.567 i15yi xi 0.6i152yi xi2 0.3164i1将上表中最后一行数据代入方程组（ 3），得到1.4 5b0 3b1 2.2b2 00.6 3b0 2.2b1 1.8b2 0（ 4）0.3164 2.2b0 1.8b1 1.567b2 0解得b0 0.5，b1 0，b2 0.5 ，代入式（ 1）有 y 0.5（1 x2 ）于是得到突然收缩局部阻力系数的经验公式为0.51 （d2 /d1）2或 0.5（1 A2 ）A15试说明用理论分析法和经验法建立相关物理量间函数关系式的途径。 突扩局部阻力系数公式是由理论分析法得到的。一般在具备理论分析条 件时，函数式可直接