沿程水头损失实验

..沿程水头损失实验前言：确定沿程水头损失，首先得弄清沿程阻力系数的变化规律。1933年尼古拉兹采用不同粒径的人工粗砂粘于管道壁模拟粗糙的方法进展了一系列管道实验，得出了管道沿程阻力系数变化的一般规律。〔1〕雷诺数Re<2000时，水流为层流，与Re呈倒数关系，且=64/Re.〔2〕2000<Re<4000时，层流向紊流过渡，Re为的主要影响因素.〔3〕Re>4000时，水流处于紊流状态：〔a〕当Re较小时，由于粘性底层较厚，从而掩盖了圆管壁粗糙度，流动处于紊流光滑区，只与Re有关，即λ=f〔Re〕；〔b〕当Re很大时，管壁糙面凸起完全深入管紊流流核，沿程阻力主要受水流流经管壁糙面凸起时形成的小旋涡影响，流动处于紊流粗糙区，λ由相对粗糙度Δ/R〔R为水力半径，下同〕决定，λ=f〔Δ/d〕；〔c〕当Re介于紊流光滑区与粗糙区之间时，λ由Re和Δ/d共同决定，流动处于紊流过渡粗糙区，λ=f〔Δ/d，Re〕。1937年泰科斯达在人工加糙明渠中进展了沿程阻力实验，得出了与尼古拉兹实验相似的论，说明管流和明渠流具有一样的变化规律.为满足工程实际应用的需要，人们通过实验总结出许多经历或半经历公式λ如适用于紊流光滑区的布拉修斯公式，适用于过渡粗糙区的柯—怀公式，适用于紊流光滑区的尼古拉兹经历公式，莫迪图经历公式，本实验采用莫迪图经历公式进展比照分析。摘要：本次实验容有，测量沿程阻力系数，通过与莫迪图比照分析其合理性，提高实验成果分析能力；绘制曲线，加深了解圆管层流和紊流的沿程损失随平均流速变化的规律。实验原理由达西公式得其中hf为水头损失，为沿程阻力系数，L为管道长度、d为管道径，V为平均流速，另由能量方程对水平等直径圆管可得△h为测压管的液面高差实验装置实验方法与步骤准备Ⅰ对照装置图和说明，搞清各组成部件的名称、作用及其工作原理；记录有关实验常数：工作管径和实验管长。准备Ⅱ启动水泵。先翻开出水阀门，再翻开进水阀门，再慢慢减小出水阀门开度；等稳压筒中的水适当时，关闭稳压筒的排气口。准备Ⅲ调通量测系统。1.检查测压管管空气是否排尽。2.实验装置通水排气后，即可进展实验测量。在进水阀、出水阀全开的前提下，逐次减小出水阀开度，假设有水从测压管中溢出，那么适当减小进水阀开度，每次调节流量时，均需稳定2—3分钟，流量愈小，稳定时间愈长；测流时间不小于8~10秒；测流量的同时，需测记水压差、温度计〔温度表应挂在水箱中〕等读数：层流段：应在水压计〔夏季〕[〔冬季〕]量程围，测记3~5组数据。紊流段：每次增量可按递加，直至测出最大的值。3．完毕实验。实验数据：1．有关常数。实验装置台号4圆管直径d=1.4cm，量测段长度水温t=30℃水的线性系数u=8.05e-3cm2/s常数K=7.65e-9m5/s2V(cm3)t(s)Qv(cm3)v(m/s)Reh1(cm)h2(cm)hf(cm)λλ理论1200085.123.500.15250046.0345.450.570.07960.04712200045.044.440.29472845.0543.731.330.05130.03843200039.051.260.33545267.0365.401.630.04730.03684200037.753.110.34564967.6065.921.690.04570.03645200033.160.480.39643355.3053.052.250.04710.03506600044.6134.530.871431022.8015.157.650.03230.02817600035.0171.671.121826152.6041.6011.000.02860.02638600027.3219.781.432337856.5539.9016.650.02640.02489600025.3237.151.542522657.4537.9019.550.02660.02433．绘图分析*绘制lg~lghf曲线，并确定指数关系值的大小。通过拟合可得m=1.5495<1.75,处于光滑管流区。〔层流，光滑管流区，粗糙管紊流区，紊流过渡区〕六、实验分析与讨论1.考虑误差源的影响，计算出每种流量的的误差限。指出最应该注意的测量物理量是哪些。经计算，各误差源引起的绝对误差限和相对误差限如下：绝对误差限：相对误差限：从图中可以看出，随着流量的增加，误差限逐渐减小，在所有误差源中，应特别注意水流体积〔即水箱高度y〕和测压管高度h的测量，尤其在流速较小的层流段，测压管带来的误差非常明显，可能使实验得不到正确的结果。2.为什么压差计的水柱差就是沿程水头损失？实验管道安装成向下倾斜，是否影响实验成果？现以倾斜等径管道上装设的水银多管压差计为例〔图7.3〕说明〔图中A—A为水平线〕：如图示0—0为基准面，以1—1和2—2为计算断面，，设定，由能量方程可得由0—0压强相等，P1=P0-H1=13.6(h1-H1)P2=P0-H2=13.6(h2-H2)所以，hf=(H1+P1)-(H2+P2)=13.6(h1-H1+H1)-13.6(h2-H2+H2)=13.6(h2-h1)说明水银压差计的压差值即为沿程水头损失，且和倾角无关。3.据实测m值判别本实验的流区。〔～〕曲线的斜率m=1.56，即与成正比，说明流动为层流m=1.0、紊流光滑区和紊流过渡区〔未达阻力平方区〕。4.实际工程中钢管中的流动，大多为光滑紊流或紊流过渡区，而水电站泄洪洞的流动，大多为紊流阻力平方区，其原因何在？钢管的当量粗糙度一般为0.2mm，常温〔〕下，经济流速300cm/s，假设实用管径D=〔20～100〕cm，其，相应的=0.0002～0.001，由莫迪图知，流动均处在过渡区。假设需到达阻力平方区，那么相应的，流速应到达〔5～9〕m/s。这样高速的有压管流在实际工程中非常少见。而泄洪洞的当量粗糙度可达〔1～9〕mm，洞径一般为〔2～3〕m，过流速往往在〔５～１０〕m/s以上，其大于，故一般均处于阻力平方区。5.管道的当量粗糙度如何测得？当量粗糙度的测量可用实验的同样方法测定及的值，然后用下式求解：〔1〕考尔布鲁克公式〔1〕迪图即是本式的图解。〔2〕S·J公式〔2〕〔3〕Barr公式〔3〕〔3〕式精度最高。在反求时，〔2〕式开方应取负号。也可直接由关系在莫迪图上查得，进而得出当量粗糙度值。6.本次实验结果与莫迪图吻合与否？试分析其原因通常试验点所绘得的曲线处于光滑管区，本报告所列的试验值，也是如此。但是，有的实验结果相应点落到了莫迪图中光滑管区的右下方。对此必须认真分析。如果由于误差所致，那么据下式分析d和Q的影响最大，Q有2%误差时，就有4%的误差，而d有2%误差时，可产生10%的误差。Q的误差可经