局部阻力損失實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、局部阻力損失實(shí)驗(yàn)報(bào)告局部阻力損失實(shí)驗(yàn)前言：工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展, 使石油管路、給排水管路、機(jī)械液壓管路等, 得到了越來越廣泛的應(yīng)用。為了使管路的設(shè)計(jì)比較合理, 能滿足生產(chǎn)實(shí)際的要求 , 管路設(shè)計(jì)參數(shù)的確定顯得更為重要。管路在工作過程中存在沿程損失和局部阻力損失，合理確定阻力系數(shù)是使設(shè)計(jì)達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求的關(guān)鍵。但是由于擴(kuò)張、收縮段的流動(dòng)十分復(fù)雜，根據(jù)伯努利方程和動(dòng)量方程推導(dǎo)出的理論值往往與具體的管道情況有所偏差，一般需要實(shí)驗(yàn)測定的局部水頭損失進(jìn)行修正或者得出經(jīng)驗(yàn)公式用于工業(yè)設(shè)計(jì)。在管路中 , 經(jīng)常會出現(xiàn)彎頭 , 閥門 , 管道截面突然擴(kuò)大 , 管道截面突然縮小等流動(dòng)有急劇變化的管段, 由于這些管

2、段的存在, 會使水流的邊界發(fā)生急劇變化, 水流中各點(diǎn)的流速 , 壓強(qiáng)都要改變 , 有時(shí)會引起回流 , 旋渦等 , 從而造成水流機(jī)械能的損失。 例如，流體從小直徑的管道流往大直徑的管道, 由于流體有慣性, 它不可能按照管道的形狀突然擴(kuò)大, 而是離開小直徑的管道后逐漸地?cái)U(kuò)大。因此便在管壁拐角與主流束之間形成漩渦, 漩渦靠主流束帶動(dòng)著旋轉(zhuǎn), 主流束把能量傳遞給漩渦、 漩渦又把得到的能量消耗在旋轉(zhuǎn)中( 變成熱而消散 ) 。此外, 由于管道截面忽然變化所產(chǎn)生的流體沖擊、碰撞等都會帶來流體機(jī)械能的損失。摘要：本實(shí)驗(yàn)利用三點(diǎn)法測量擴(kuò)張段的局部阻力系數(shù)，用四點(diǎn)法量測量收縮段的局部阻力系數(shù)，然后與圓管突擴(kuò)局部阻

3、力系數(shù)的包達(dá)公式和突縮局部阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式中的經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行對比分析，從而掌握用理論分析法和經(jīng)驗(yàn)法建立函數(shù)式的技能。進(jìn)而加深對局部阻力損失的理解。三、實(shí)驗(yàn)原理寫出局部阻力前后兩斷面的能量方程，根據(jù)推導(dǎo)條件，扣除沿程水頭損失可得：1突然擴(kuò)大采用三點(diǎn)法計(jì)算，下式中1 2fh由2 3fh按流長比例換算得出。實(shí)測221122121 2()()22jefpphzzhgg21/2ejehg理論212(1)eaa2,12jeehg2突然縮小采用四點(diǎn)法計(jì)算，下式中 b點(diǎn)為突縮點(diǎn)，4fbh由3 4fh換算得出，5fbh由5 6fh換算得出。實(shí)測2255444455()()22jsfbfbpphzhzhgg25/2

4、sjshg經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算中的速度應(yīng)取小管徑中的速度值。432555533331.22552.20961.38590.11670.5saaaaaaaa當(dāng)53/0.1aa時(shí)，可簡化為530.5(1)saa252jsshg實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。局部阻力系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置圖1. 自循環(huán)供水器； 2. 實(shí)驗(yàn)臺； 3. 可控硅無級調(diào)速器； 4. 恒壓水箱； 5. 溢流板；6. 穩(wěn)水孔板； 7. 突然擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)管段； 8. 測壓計(jì)； 9. 滑動(dòng)測量尺； 10. 測壓管；11. 突然收縮實(shí)驗(yàn)管段； 12. 流量調(diào)節(jié)閥；實(shí)驗(yàn)管道由小大小三種已知管徑的管道組成，共設(shè)有六個(gè)測壓孔，測孔 13 和 25 分別測量突擴(kuò)和

5、突縮的局部阻力系數(shù)。其中測孔1 位于突擴(kuò)界面處，用以測量小管出口端壓強(qiáng)值。實(shí)驗(yàn)方法與步驟1測記實(shí)驗(yàn)有關(guān)常數(shù)。2打開電源開關(guān)，使恒壓水箱充水，排除實(shí)驗(yàn)管道中的滯留氣體。3打開出水閥至最大開度，待流量穩(wěn)定后，測記測壓管讀數(shù)，同時(shí)用體積法測記流量。4改變出水閥開度34 次，分別測記測壓管讀數(shù)及流量。5實(shí)驗(yàn)完成。實(shí)驗(yàn)成果及要求1記錄、計(jì)算有關(guān)常數(shù)：實(shí)驗(yàn)裝置臺號no 4 d1=d5=1.4cm d2=d3=d4=2.0cm l1-2=20.0cm l2-3=19.8cm l3-b=6.5cm lb-4=3.5cm l4-5=20.0cm 212(1)eaa 0.2601 ，432555533331.22

6、552.20961.38590.11670.5saaaaaaaa =0.2994 注：由于 a5/a4=0.490.1, 故采用以上經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值2整理記錄、計(jì)算表。no.1 測壓管及流量記錄表h1(cm) h2(cm) h3(cm) h4(cm) h5(cm) v(cm3) t(s) q(cm3/s) 1 50.4 54.6 53.3 41.4 39.6 3980 18 221.1 2 44.8 48.8 47.9 37.9 36.4 3980 18.6 214.0 3 40.8 44.5 43.3 34.2 31.6 3980 19.7 202.0 4 32.7 35.7 34.9 26.

7、9 25.6 3980 21.8 182.6 5 29.4 32.3 31.3 23.8 22.2 3980 22.5 176.9 no.2 擴(kuò)張段實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)v1*v1/2g （cm）v2*v2/2g （cm ）hf1-2(cm) (p1-p2)/hje(cm) e e 理論1 10.53 2.53 1.31 -4.2 2.49 0.2361 0.2601 2 9.86 2.37 0.91 -4 2.58 0.2619 0.2601 3 8.79 2.11 1.21 -3.7 1.77 0.2009 0.2601 4 7.18 1.72 0.81 -3 1.65 0.2293 0.2601 5

8、6.74 1.62 1.01 -2.9 1.21 0.1795 0.2601 平均值0.2216 0.2601 n0.3 收縮段實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)v5*v5/2g （cm ）v4*v4/2g （cm ）hf4-b (cm) hf5-b (cm) （p4-p5)/ (cm) hjs (cm) s 理論1 10.53 2.53 0.43 0.32 1.8 3.16 0.3001 0.2994 2 9.86 2.37 0.30 0.26 1.5 1.95 0.1979 0.2994 3 8.79 2.11 0.39 0.46 2.6 1.57 0.1790 0.2994 4 7.18 1.72 0.26 0.

9、23 1.3 2.06 0.2866 0.2994 5 6.74 1.62 0.33 0.28 1.6 1.77 0.2631 0.2994 平均值0.2453 0.2994 3. 擴(kuò)張段e/ e理論=0.2216/0.2601=85.19% 收縮段s/ s理論=0.2453/0.2994=83.27% 實(shí)驗(yàn)分析與討論1 結(jié)合實(shí)驗(yàn)成果， 分析比較突擴(kuò)與突縮在相應(yīng)條件下的局部損失大小關(guān)系。流動(dòng)演示儀 i-vii型可顯示突擴(kuò)、突縮、漸擴(kuò)、漸縮、分流、合流、閥道、繞流等三十余種內(nèi)、外流的流動(dòng)圖譜。據(jù)此對局部阻力損失的機(jī)理分析如下：從顯示的圖譜可見，凡流道邊界突變處，形成大小不一的旋渦區(qū)。旋渦是產(chǎn)生損

10、失的主要根源。由于水質(zhì)點(diǎn)的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)和激烈的紊動(dòng)，相互摩擦，便消耗了部分水體的自儲能量。另外，當(dāng)這部分低能流體被主流的高能流體帶走時(shí)，還須克服剪切流的速度梯度，經(jīng)質(zhì)點(diǎn)間的動(dòng)能交換，達(dá)到流速的重新組合，這也損耗了部分能量。這樣就造成了局部阻力損失。從流動(dòng)儀可見， 突擴(kuò)段的旋渦主要發(fā)生在突擴(kuò)斷面以后，而且與擴(kuò)大系數(shù)有關(guān)，擴(kuò)大系數(shù)越大，旋渦區(qū)也越大，損失也越大，所以產(chǎn)生突擴(kuò)局部阻力損失的主要部位在突擴(kuò)斷面的后部。而突縮段的旋渦在收縮斷面前后均有。突縮前僅在死角區(qū)有小旋渦，且強(qiáng)度較小，而突縮的后部產(chǎn)生了紊動(dòng)度較大的旋渦環(huán)區(qū)。可見產(chǎn)生突縮水頭損失的主要部位是在突縮斷面后。從以上分析知。 為了減小局部阻力

11、損失， 在設(shè)計(jì)變斷面管道幾何邊界形狀時(shí)應(yīng)流線型化或盡量接近流線型，以避免旋渦的形成，或使旋渦區(qū)盡可能小。如欲減小本實(shí)驗(yàn)管道的局部阻力，就應(yīng)減小管徑比以降低突擴(kuò)段的旋渦區(qū)域；或把突縮進(jìn)口的直角改為園角，以消除突縮斷面后的旋渦環(huán)帶，可使突縮局部阻力系數(shù)減小到原來的1/21/10 。突然收縮實(shí)驗(yàn)管道，使用年份長后，實(shí)測阻力系數(shù)減小，主要原因也在這里。3現(xiàn)備有一段長度及聯(lián)接方式與調(diào)節(jié)閥（圖8.1 ）相同，內(nèi)徑與實(shí)驗(yàn)管道相同的直管段，如何用兩點(diǎn)法測量閥門的局部阻力系數(shù)？兩點(diǎn)法是測量局部阻力系數(shù)的簡便有效辦法。它只需在被測流段 （如閥門）前后的直管段長度大于（2040）d 的斷面處，各布置一個(gè)測壓點(diǎn)便可。

12、先測出整個(gè)被測流段上的總水頭損失21wh，有212121fjijnjjwhhhhhh式中：jih 分別為兩測點(diǎn)間互不干擾的各個(gè)局部阻力段的阻力損失；jnh 被測段的局部阻力損失；21fh 兩測點(diǎn)間的沿程水頭損失。然后，把被測段（如閥門）換上一段長度及聯(lián)接方法與被測段相同，內(nèi)徑與管道相同的直管段，再測出相同流量下的總水頭損失21wh，同樣有2112121fjijjwhhhhh所以2121wwjnhhh4實(shí)驗(yàn)測得突縮管在不同管徑比時(shí)的局部阻力系數(shù)（510er）如下：序號1 2 3 4 5 21/dd0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.48 0.42 0.32 0.18 0 試用最小二乘法建

13、立局部阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式. 利用 excel 中最小二乘法線性擬合可以得到：=-0.6 （d2/d1 ）+0.64 其中 r2 = 0.9626 ，說明擬合效果很好。若采用 a2/a1 為參數(shù)，則結(jié)果如下：=0.5（1-（a2/a1） ）顯然，采用 a2/a1 作為變量推導(dǎo)出的公式更符合實(shí)際情況。理論推導(dǎo)過程如下 : 由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求得等差)/(12ddxx 令相應(yīng)的差分)(yy 令，其一、二級差分如下表i 1 2 3 4 5 x0.2 0.2 0.2 0.2 y-0.06 -0.1 -0.04 -0.18 y2-0.04 -0.04 -0.04 二級差分y2為常數(shù)，故此經(jīng)驗(yàn)公式類型為：2210

14、xbxbby（1）（2）用最小二乘法確定系數(shù)令22110iixbxbby是實(shí)驗(yàn)值與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值的偏差。如用表示偏差的平方和，即512221012iiiiniixbxbby（2）為使為最小值，則必須滿足000210bbb于是式（ 2）分別對0b 、1b 、2b 求偏導(dǎo)可得515142513151202515132512151051515122100005iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiixbxbxbxyxbxbxbxyxbxbby（3）列表計(jì)算如下：i12/ ddxiiy2ix3ix1 0.2 0.48 0.04 0.008 2 0.4 0.42 0.16 0.064 3 0.6

15、 0.32 0.36 0.216 4 0.8 0.18 0.64 0.512 5 1.0 0 1.00 1.00 總和513iix514.1iiy5122. 2iix5138 .1iixi4ixiixy2iixy1 0.0016 0.096 0.0192 2 0.0256 0.168 0.0672 3 0.130 0.192 0.115 4 0.410 0.144 0.115 5 1.00 0 0 總和514567.1iix516.0iiixy5123164.0iiixy將上表中最后一行數(shù)據(jù)代入方程組（3） ，得到0567.18.12.23164.008.12.236.002.2354.1210210210bbbbbbbbb（4）解得5.00b，01b，5. 02b，代入式（ 1）有)1 (5.02xy于是得到突然收縮局部阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式為)/(1 5 .0212dd或)1 (5.012aa5試說明用理論分析法和經(jīng)驗(yàn)法建立相關(guān)物理量間函數(shù)關(guān)系式的途徑。突擴(kuò)局部阻力系數(shù)公式是由理論分析法得到的。一般在具備理論分析條件時(shí)，函數(shù)式可直接