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武汉大学教学实验报告学院：水利水电学院 专业：水利水电工程全英文班 2013年6月22日实验名称 管道局部水头损失实验 指导老师 姓名吴前进年级11级学号2011301580067成绩一：预习部分1：实验目的 2:实验基本原理3：主要仪器设备（含必要的元器件，工具）一、实验目的1、掌握测定管道局部水头损失系数ζ的方法。
2、将管道局部水头损失系数的实测值与理论值进行比较。
3、观测管经突然扩大时旋涡区测压管水头线的变化情况和水流情况，以及其他各种边界突变情况下的测压管水头线的变化情况。
二、实验原理由于边界形状的急剧改变，水流就会与边界分离出现旋涡以及水流流速分布的改组，从而消耗一部分机械能。
单位重量液体的能量损失就是水头损失。
边界形状的改变有水流断面的突然扩大或突然缩小、弯道及管路上安装阀门等。
局部水头损失常用流速水头与与系列的乘积表示。
gvh j 2ζ=式中：ζ—局部水头损失系数。
系数ζ是流动形状与边界形状的函数，即ζ= f （Re ，边界形状）。
一般水流Re 数足够大时，可认为系数ζ不再随Re 数而变化，而看作常数。
管道局部水头损失目前仅有突然扩大可采用理论分析，并可得出足够精确的结果。
其他情况则需要用实验方法测定ζ值。
突然扩大的局部水头损失可应用动量方程与能量方程及连续方程联合求解得到如下公式：22112112122222)1(,2)1(,2A Ag v h A Ag v h j j -==-==ζζζζ 式中，A 1和v 1分别为突然扩大上游管段的断面面积和平均流速；A 2和v 2分别为突然扩大下游管段的断面面积和平均流速。
三、实验设备实验设备及各部分名称如图一所示。
二：实验操作部分1：实验数据，表格及数据处理 2：实验操作过程（可用图表示） 3结论图一 局部水头损失实验仪四、实验步骤1、熟悉仪器，记录管道直径D 和d 。
2、检查各测压管的橡皮管接头是否接紧。
3、启动抽水机，打开进水阀门，使水箱充水，并保持溢流，使水位恒定。
§8 局部水头损失实验8.1 实验目的和要求1.学习掌握三点法、四点法测量局部阻力因数的技能，并将突扩管的实测值与理论值比较，将突缩管的实测值与经验值比较；2.通过阀门局部阻力因数测量的设计性实验，学习二点法测量局部阻力因数的方法。
8.2 实验装置1．实验装置简图实验装置及各部分名称如图8.1所示。
图8.1 局部水头损失实验装置简图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.圆管突然扩大8.气阀9.测压计10.测压管①~⑥11.滑动测量尺12. 圆管突然收缩13.实验流量调节阀14.回流接水斗15.下回水管2．装置说明实验管道由圆管突扩、突缩等管段组成，各管段直径已知。
在实验管道上共设有六个测压点，测点①－③和③－⑥分别用以测量突扩和突缩的局部阻力因数。
其中测点①位于突扩的起始界面处，这里引用公认的实验结论 “在突扩的环状面积上的动水压强近似按静水压强规律分布”，认为该测点可用以测量小管出口端中心处压强值。
气阀8用于实验开始时排除管中滞留气体。
3．基本操作方法(1) 排气。
启动水泵待恒压水箱溢流后，关闭实验流量调节阀13，打开阀8排除管中滞留气体。
排气后关闭阀8，并检查测压管各管的液面是否齐平，若不平，重复排气操作，直至齐平。
(2) 测压管水头用测压计测量，基准面可选择在滑动测量尺零点上。
(3) 流量测量。
实验流量用阀13调节，流量由称重法测量，用秒表计时，用电子称称重。
8.3 实验原理流体在流动的局部区域，如流体流经管道的突扩、突缩和闸门等处(图4.4.2)，由于固体边界的急剧改变而引起速度分布的变化，甚至使主流脱离边界，形成旋涡区，从而产生的阻力称为局部阻力。
由于局部阻力作功而引起的水头损失称为局部水头损失，用h j 表示。
局部水头损失是在一段流程上，甚至相当长的一段流程上完成的，如图8.2，断面1至断面2，这段流程上的总水头损失包含了局部水头损失和沿程水头损失。
重大流体力学实验4(局部水头损失实验)
局部水头损失实验是一种重要的流体力学实验，能够证明动量定律并确定河流流体的
阻力特性。
它用以检验以下两条关于河流流体阻力特性的假设：（1）在本地完全不通过
管道的情况下，阻力与深度之间存在某种关系（2）随着流体流动的不断加深，更高的阻
力会发生。
实验设计必须考虑以下变量：流量（Q）、和管路内阻力（F）。
在实验之前，应考虑
管道形状，管道材料和大小，以及管道的安装位置。
这些变量会影响流量和流体阻力的变化，进而影响局部水头损失的数量。
实施局部水头损失实验需要建立两个实验管段，其中第一段通常称为“上端”，主要
用于调整流量，第二段通常称为“下端”，主要用于测量和计算局部水头损失。
同时，实
验中也要用一台流量计（水流管）来测量流量，以及一台压力计来测量压力，以确定局部
水头损失。
最后，设计师根据局部水头损失实验的结果进行比较，利用这一数据来确定动量定律，以及河流流体的阻力特性。
例如，如果实验结果表明，每深度一定比例增加时，力随高度
成正比，则可以说明实验满足动量定律；如果实验结果表明，河流流体的阻力随深度的增
加而增加，则可以说明发展的慢相关递增的阻力特性的河流流体。
总之，局部水头损失实验对于验证动量定律，测定河流流体的阻力特性，特别是验证
河流流体高度和阻力之间关系非常有用。
它们可以帮助设计人员正确设计河流，实现河流
水力规划，使河流的生态环境得到有效的改善。
04 局部水头损失实验
局部水头损失是液流通过管道过程中会产生的水力损失形式之一。
在管道中，如果管道断面不同或是在管道中存在锐边、弯头、阀门等部件，液体在通过这些部件时就会产生局部水头损失。
局部水头损失的大小取决于管道断面的条件、流速、液体性质、管道内部的变化等多个因素，如果不能正确估算局部水头损失，则会导致管道的设计不合理，造成能量和资金的浪费。
为了研究管道中的局部水头损失，我们通过实验的方式来模拟不同条件下的情况。
在实验中，我们选取了一根螺旋线管作为管道直径较小的一段部件，同时在两端连接，形成一个封闭环路，通过泵在管道内形成水流，然后对水流的压力、流量进行测量，利用实验数据计算出局部水头损失的大小，进而对管道的设计、调试和改进提供参考依据。
我们通过实验发现，封闭环路中的水流速度越快，局部水头损失就越大，这是由于快速的水流会将气体带入管道，产生紊流现象，而气体在管道中状态的变化会导致水流的动量和能量损失，形成局部水头损失。
此外，实验中我们还模拟了管道中存在多个弯头、错位口、阀门等部件的情况，测量数据表明过多的部件和复杂的管道结构会进一步引起局部水头损失的增加，因此在设计和改善管道时，需要充分考虑管道性质和流体的流动情况，合理安排管道内部的结构，减少不必要的部件，提高管道的流动效率，降低水头损失的影响。
总之，局部水头损失是管道中不可避免的现象，要想降低管道中的水头损失，需要从多方面加强管道的设计、调试和改进。
通过实验可以更加深入地了解局部水头损失的原理和计算方法，为管道的优化和改进提供参考依据，进一步提高管道的安全性和经济性。
局部阻力损失实验局部水头定义及局部阻力产生的原因：在边界急剧变化的区域，由于速度的大小和方向发生急剧变化而产生漩涡，导致流动阻力大大增加，形成了比较集中的能量损失，叫局部水头损失，记作h。
一般发生在j渐扩渐缩段（如发动机喷管，风洞发散段），突扩突缩段(输送流体的管路直径变化俗称变径部位），阀门，弯管，分流合流等部位。
局部水头损失在流体运行系统中是大量存在的，雷诺数越大，在计算中越要被充分考虑。
局部损失种类繁多，大部分不能用理论方法计算，需要用实验来测定。
本实验指定用三点法和四点法测量突扩和突缩这种类型局部阻力损失系数。
一、实验目的要求1、掌握三点法、四点法量测局部阻力系数的技能。
2、通过对园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的实验验证与分析，熟悉用理论分析法和经验法建立函数式的途径。
3、仔细观察流动图谱，加深对局部阻力损失机理的理解。
4、了解测量局部阻力损失的一般思路和方法。
二、实验装置实验装置如图7.1所示。
由实验平台系统、实验管路系统、压差测量系统组成。
实验平台系统由下游水箱、水泵、实验台桌、可控硅无级调速器、恒压水箱、溢流板、稳水板、流量调节阀、辅助连接管路等组成，提供溢流式恒定水头，流量连续可调。
实验D D D，标示与上游水箱管路系统由三种不同直径有机玻璃圆管组成，直径分别为、、123正面，上边布置6个测压管测点。
压差测量系统由测压管、滑动测量尺、连接软管等组成。
实验管道由小→大→小三中已知管径的管道组成，测点1—3用来测量突扩的局部水头损失系数，用了三个测点，就是所谓三点法。
3—6测点用来测量突缩的局部阻力损失系数。
用了四个测点，这就是所谓四点法。
其中测点1位于突扩界面处，用以测量小管出口端压强值。
6个测点和测压板的6个测压管用透明软管一一对应连接，当连接测点和测压板的软管充满连续的液体，测点的压力就可以在测压管上准确的反应出来。
待测压管水面稳定下来后，通过滑动测尺就可以测记测点的压力值。
《流体力学》实验报告学院 年级、专业、班姓名成绩 课程 名称 流体力学实验实验项目 名 称局部水头损失实验指导教师教师评语教师签名：年 月 日一、实验目的1、掌握三点法、四点法测量局部水头损失与局部阻力系数的技能；2、验证圆管突然扩大局部阻力系数公式及突然缩小局部阻力系数经验公式；3、加深对局部水头损失机理的理解。
二、实验原理由于流动边界急剧变化所产生的阻力称局部阻力，克服局部阻力引起的水头损失称局部损失。
为满足工程需要，使断面形状、面积大小和流动方向改变，从而流动边界产生各种各样的突变，这些突变甚至还可能是它们的某几种变化的综合型式。
从内部机理上，局部阻力或是由于边界面积大小变化引起的边界层分离现象产生，或是流动方向改变时形成的螺旋流动造成，或者两者都存在造成的局部阻力，因此，很难用一个公式表示。
通常，局部水头损失用局部阻力系数ζ和流速水头的乘积表示，即g h f 2/2ζν= 觉大多数的局部阻力系数ζ只能通过实验测定，不同的边界形状局部阻力系数ζ不同，只有少数局部阻力系数可以用理论分析得出。
突然扩大的局部水头损失与阻力系数：()[]()[]21222221112//2//--++-++=f je h g r p z g r p z h νν3232215.0h h h h f f -==-- 21实测/2νζje gh =()g A A 2//121221νζ-=理论突然缩小的局部水头损失与阻力系数：()[]()[]54255524442//2//----++-++=fb b f je h h g v r p z g r p z h ν4345.0--=f b f h h65655h h h h f fb -==--2实测/2νζjs gh =()12/15.0A A -=理论ζ三、使用仪器、材料使用仪器：自循环供水器、试验台、无级调速器、水箱、溢流板、稳水孔板、突然扩大与突然缩小实验管道、测压管、流量调节阀、接水盒、会水管、秒表、电子称等。
§8 局部水头损失实验
8.1 实验目的和要求
1.学习掌握三点法、四点法测量局部阻力因数的技能，并将突扩管的实
测值与理论值比较，将突缩管的实测值与经验值比较；
2.通过阀门局部阻力因数测量的设计性实验，学习二点法测量局部阻力
因数的方法。
8.2 实验装置
1．实验装置简图
实验装置及各部分名称如图8.1所示。
图8.1 局部水头损失实验装置简图
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.圆管突然扩大
8.气阀
9.测压计10.测压管①~⑥11.滑动测量尺
12. 圆管突然收缩13.实验流量调节阀14.回流接水斗15.下回水管
2．装置说明
实验管道由圆管突扩、突缩等管段组成，各管段直径已知。
在实验管道上共设有六个测压点，测点①－③和③－⑥分别用以测量突扩和突缩的局部阻力
因数。
其中测点①位于突扩的起始界面处，这里引用公认的实验结论 “在突扩的环状面积上的动水压强近似按静水压强规律分布”，认为该测点可用以测量小管出口端中心处压强值。
气阀8用于实验开始时排除管中滞留气体。
3．基本操作方法
(1) 排气。
启动水泵待恒压水箱溢流后，关闭实验流量调节阀13，打开阀8排除管中滞留气体。
排气后关闭阀8，并检查测压管各管的液面是否齐平，若不平，重复排气操作，直至齐平。
(2) 测压管水头用测压计测量，基准面可选择在滑动测量尺零点上。
(3) 流量测量。
实验流量用阀13调节，流量由称重法测量，用秒表计时，用电子称称重。
8.3 实验原理
流体在流动的局部区域，如流体流经管道的突扩、突缩和闸门等处(图4.4.2)，由于固体边界的急剧改变而引起速度分布的变化，甚至使主流脱离边界，形成旋涡区，从而产生的阻力称为局部阻力。
由于局部阻力作功而引起的水头损失称为局部水头损失，用h j 表示。
局部水头损失是在一段流程上，甚至相当长的一段流程上完成的，如图8.2，断面1至断面2，这段流程上的总水头损失包含了局部水头损失和沿程水头损失。
若用h i （i =1,2…）表示第i 断面的测压管水头，即有
闸门
突缩
图8.2 局部水头损失
2
212
w j f1212()()22h h h h h g
g
αα-=+=+
-+
v v
或 2
212
j 12f 12()()22h h h h g
g
αα-=+-+
-v v
局部阻力因数ζ为
2
j /2g
h ζ=v
(1) 圆管突然扩大段。
本实验仪采用三点法测量。
三点法是在突然扩大管段上布设三个测点，如图4.4.1测点①、②、③所示。
流段①至②为突然扩大局部水头损失发生段，流段②至③为均匀流流段，本实验仪测点①、②间距为测点②、③的一半，h f1-2 按流程长度比例换算得出。
则 h f1-2＝h f2-3 / 2=∆h 2-3/ 2=( h 2-h 3) / 2
2
223
12
j 1212()()222
h h h h h E E g
g
αα-''=+
-+
+
=-v v 式中h i 为测压管水头值，当基准面选择在标尺零点时即为第i 断面测压管液位的标尺读值；12E E ''、分别表示式中的前、后括号项。
因此只要实验测得三个测压点的测压管水头值h 1、h 2、h 3及流量等即可得突然扩大段局部阻力水头损失。
若圆管突然扩大段的局部阻力因数ζ用上游流速v 1表示，为
2
1j
2g
h αζ=v
对应上游流速v 1的圆管突然扩大段理论公式为
2
12
1A A ζ=-
() (2) 圆管突然缩小段。
本实验仪采用四点法测量。
四点法是在突然缩小管段上布设四个测点，如图4.4.1测点③、④、⑤、⑥所示。
图中B 点为突缩断面处。
流段④至⑤为突然缩小局部水头损失发生段，流段③至④、⑤至⑥都为均匀流流段。
流段④至B 间的沿程水头损失按流程长度比例由测点③、④测得，流段B 至⑤的沿程水头损失按流程长度比例由测点⑤、⑥测得。
本实验仪l 3-4=2 l 4-B ，l B -5＝l 5-6，有 h f4-B ＝h f3-4/2=∆h 3-4/ 2，h f B -5＝h f5-6=∆h 5-6。
则 h f4-5＝∆h 3-4 / 2+∆h 5-6=( h 3-h 4) / 2+ h 5-h 6
2
2345
4
j 455645()()222h h h h h h h E E g g
αα-''=+--++-=-v v
因此只要实验测得四个测压点的测压管水头值h 3、h 4、h 5、h 6及流量等即可得突然缩小段局部阻力水头损失。
若圆管突然缩小段的局部阻力因数ζ用下游流速v 5表示，为
25
j /
2h g
αζ=v
对应下游流速v 5的圆管突然缩小段经验公式为
5
4
0.51A A ζ=-
() (3)测量局部阻力因数的二点法。
在局部阻碍处的前后顺直流段上分别设置一个测点，在某一流量下测定两点间的水头损失，然后将等长度的直管段替换局部阻碍段，再在同一流量下测定两点间的水头损失，由两水头损失之差即可得局部阻碍段的局部水头损失。
8.4 实验内容与方法
1. 测量突然扩大局部水头损失与突然缩小局部水头损失，并测定相应的局部水头损失因数。
参照实验基本操作方法，在恒定流条件下改变流量2~3次，其中一次为最大流量，待流量稳定后，测记各测压管液面读数，同时测记实验流量。
实验数据处理与分析参考4.4.5。
2．设计性实验：利用图8.1实验装置，设计某开度下阀门的局部阻力因数的测量实验。
要求：用二点法测量，设计实验装置改造简图，制定实验方案，并结合实验CAI 软件（已随仪器配置），进行计算机仿真实验。
8.5 数据处理及成果要求
1．记录有关信息及实验常数
实验设备名称：__________________ 实验台号：_________ 实 验 者：______________________ 实验日期：_________ 实验管段直径：
d 1 = D 1 =______⨯10-2m d 2 = d 3 = d 4 = D 2 =______⨯10-2m d 5 = d 6 =D 3 =______⨯10-2m 实验管段长度：
l 1-2 = 12 ⨯10-2m l 2-3 = 24 ⨯10-2 m l 3-4 = 12 ⨯10-2 m l 4-B = 6 ⨯10-2m l B-5 = 6 ⨯10-2 m l 5-6 = 6 ⨯10-2 m
2. 实验数据记录及计算结果
表8.1 局部水头损失实验记录表
表8.2 局部水头损失实验计算表
15
3．成果要求
(1) 测定突扩断面局部水头损失因数ζ值并与理论值比较。
(2) 测定突缩断面局部水头损失因数ζ值并与经验值比较。
(3) 完成设计性实验。
8.6 分析思考题
1．管径粗细相同、流量相同条件下，试问d1/d2（d1<d2）在何范围内圆管突然扩大的水头损失比突然缩小的大？
2．结合流动演示仪的水力现象，分析局部阻力损失机理。
产生突扩与突缩局部水头损失的主要部位在哪里？怎样减小局部水头损失？
3．局部阻力类型众多，局部阻力因数的计算公式除突然扩大是由理论推导得出之外，其它都是由实验得出的经验公式。
试问，获得经验公式有那些途径？。
