实验三局部阻力系数的测定

实验三局部水头损失量测实验

一、实验目的

1．观察突扩管旋涡区测管水头线，以及其它各种边界突变情况下的测管水头变化情况，加深对局部水头损失的感性认识。

2．掌握测定管道局部水头损失系数的方法，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。

3．学习用测压管测量压强和用体积法测流量的实验技能。

二、实验原理

有压管道恒定流遇到管道边界的局部突变→ 流动分离形成剪切层→ 剪切层流动不稳定，引起流动结构的重新调整，并产生旋涡→ 平均流动能量转化成脉动能量，造成不可逆的能量耗散（图1）。与沿程因摩擦造成的分布损失不同，这部分损失可以看成是集中损失在管道边界的突变处，每单位重量流体承担的这部分能量损失称为局部水头损失。

图1 流道的局部突变示意图

根据能量方程，局部水头损失

，

这里我们认为因边界突变造成的能量损失全部产生在1-1，2-2两断面之间，不

..

.. 再考虑沿程损失。

上游断面1-1应取在由于边界的突变，水流结构开始发生变化的渐变流段中，下游2-2断面则取在水流结构调整刚好结束，重新形成渐变流段的地方。总之，两断面应尽可能接近，又要保证局部水头损失全部产生在两断面之间。经过测量两断面的测管水头差和流经管道的流量，进而推算两断面的速度水头差，就可测得局部水头损失。

局部水头损失系数是局部水头损失折合成速度水头的比例系数，即

当上下游断面平均流速不同时，应明确它对应的是哪个速度水头？例如，对于突扩圆管就有

和

之分。

其它情况的局部损失系数在查表或使用经验公式确定时也应该注意这一点。通常情况下对应下游的速度水头。

局部水头损失系数随流动的雷诺数而变，即

(Re)f ζ=。

但当雷诺数大到一定程度后， 值成为常数。在工程中使用的表格

或经验公式中列出的 就是指这个围的数值。局部水头损失的机理复杂，除了突扩圆管的情况以外，一般难于用解析方法确定，而要通过实测来得到各种边界突变情况下的局部水头损失系数。 对于突扩圆管的情况，局部水头损失系数有理论结果，推导如下：流动经过突扩圆管的局部水头损失

，

取1-1，2-2两断面如图2， 这里要特别注意1-1断面取为突扩开始的断面，2-2断面则取在水流结构调整刚好结束，重新形成渐变流段的地方。两断面面积都为，而

和

则分别为细管和粗管中的平均流速。

根据动量方程可知

112222022011()()()p z A p z A Q v v γγραα+-+=-

所以有

。

将其代入局部水头损失的表达式，得

。

取的值均为1.0，则

，或

。

可见

，。

突扩圆管局部水头损失之所以能够导出上述解析表达式是因为：①我们假设1-1，2-2断面上的测管水头为常数；②1-1，2-2两断面的面积相等。而突缩圆管的1-1，2-2两断面必须分别取在粗管和细管中，这是由流动结构决定的，因此突缩圆管的局部水头损失不能解析表达，只有经验公式：

。

这里的对应下游，即细管中的速度水头。

..

图2 突扩和突缩圆管局部计算示意图

其它各种弯管、截门、闸阀等的局部水头损失系数可查表或由经验公式获得。

三、实验设备

1、循环水利工作台

2、秒表

3、测压计

四、实验步骤

1．认真阅读实验目的要求、实验原理和注意事项。

2．查阅用测压管量测压强和用体积法（手工、自动）量测流量的原理和步骤。3．对照实物了解仪器设备的使用方法和操作步骤，做好准备工作后，启动抽水机，打开进水开关，使水箱充水，并保持溢流状态，使水位恒定。

4．检查下游阀门全关时，各个测压管水面是否处于同一水平面上。如不平，则需排气调平。

5．核对设备编号，确认数据记录表上列出的断面管径等数据。

6．开启下游阀门，待水流恒定后，观察测管水头的变化，正确选择实验配件前后的量测断面，进行数据的量测，并登录到数据记录表的相应位置。

7．改变阀门开度，待水流恒定后，重复上述步骤，并按序登录数据。本实验要求做三个流量。

8．检查数据记录表是否有缺漏？是否有某组数据明显地不合理？若有此情况，

进行补正。

..

.. 9． 计算整理实验结果，得出各实验配件局部水头损失系数实测值，并同时列出突扩管局部水头损失系数的理论值和突缩管的经验值。 10． 对实验结果进行分析讨论。阅读思考问题，作简要回答。

五、实验数据记录及计算 1）记录有关常数

实验台号

D1= 1.9 (cm)；D2= 3.5 (cm)。 突扩管：1ζ= ；2ζ= ； 突缩管：ζ= 。 2）记录和计算表格

实验记录表格

六、实验结果

实验计算表格

.. 七、分析与思考问题

1. 突扩管的局部水头损失的实测值与理论值为什么会有差别，这种差别是由哪些因素造成的？

2. 为什么要从测压管水面变化找突扩管的下游渐变流断面？怎么找这个断面？

3. 局部水头损失系数是否与雷诺数有关？通常给定的局部水头损失系数是常数，应该怎么理解？

4. 测定突缩管的局部水头损失系数时，两断面应该如何选取？与突扩管有何不同？

5. 突缩管的局部水头损失为什么不能像突扩管一样也有理论值？

6. 在粗细管径相同、流量相同的条件下，突扩管和突缩管的局部水头损失是否相同？为什么？

7. 影响局部水头损失系数测量精度的因素有哪些？本实验测得的突扩管和突缩管的结果，哪个精度高？原因是什么？

8. 如不考虑管段的沿程水头损失 ，所测出的局部水头损失系数j h 值比实际的偏大还是偏小？在工程中使用此 值是否安全？ 八、注意事项

1. 每次改变流量，量测必须在水流恒定后方可进行。

2. 两个以上同学参加量测实验，读测压管高程、掌握阀门、测量流量的同学要相互配合。

3. 注意爱护秒表等仪器设备。

4. 实验结束后，关闭电源开关、拔掉电源插头。