局部阻力損失實驗報告

1、局部阻力損失實驗報告局部阻力損失實驗前言：工農業(yè)生產的迅速發(fā)展, 使石油管路、給排水管路、機械液壓管路等, 得到了越來越廣泛的應用。為了使管路的設計比較合理, 能滿足生產實際的要求 , 管路設計參數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，合理確定阻力系數是使設計達到實際應用要求的關鍵。但是由于擴張、收縮段的流動十分復雜，根據伯努利方程和動量方程推導出的理論值往往與具體的管道情況有所偏差，一般需要實驗測定的局部水頭損失進行修正或者得出經驗公式用于工業(yè)設計。在管路中 , 經常會出現彎頭 , 閥門 , 管道截面突然擴大 , 管道截面突然縮小等流動有急劇變化的管段, 由于這些管

2、段的存在, 會使水流的邊界發(fā)生急劇變化, 水流中各點的流速 , 壓強都要改變 , 有時會引起回流 , 旋渦等 , 從而造成水流機械能的損失。 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大, 而是離開小直徑的管道后逐漸地擴大。因此便在管壁拐角與主流束之間形成漩渦, 漩渦靠主流束帶動著旋轉, 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中( 變成熱而消散 ) 。此外, 由于管道截面忽然變化所產生的流體沖擊、碰撞等都會帶來流體機械能的損失。摘要：本實驗利用三點法測量擴張段的局部阻力系數，用四點法量測量收縮段的局部阻力系數，然后與圓管突擴局部阻

3、力系數的包達公式和突縮局部阻力系數的經驗公式中的經驗值進行對比分析，從而掌握用理論分析法和經驗法建立函數式的技能。進而加深對局部阻力損失的理解。三、實驗原理寫出局部阻力前后兩斷面的能量方程，根據推導條件，扣除沿程水頭損失可得：1突然擴大采用三點法計算，下式中1 2fh由2 3fh按流長比例換算得出。實測221122121 2()()22jefpphzzhgg21/2ejehg理論212(1)eaa2,12jeehg2突然縮小采用四點法計算，下式中 b點為突縮點，4fbh由3 4fh換算得出，5fbh由5 6fh換算得出。實測2255444455()()22jsfbfbpphzhzhgg25/2

4、sjshg經驗公式，計算中的速度應取小管徑中的速度值。432555533331.22552.20961.38590.11670.5saaaaaaaa當53/0.1aa時，可簡化為530.5(1)saa252jsshg實驗裝置本實驗裝置如圖所示。局部阻力系數實驗裝置圖1. 自循環(huán)供水器； 2. 實驗臺； 3. 可控硅無級調速器； 4. 恒壓水箱； 5. 溢流板；6. 穩(wěn)水孔板； 7. 突然擴大實驗管段； 8. 測壓計； 9. 滑動測量尺； 10. 測壓管；11. 突然收縮實驗管段； 12. 流量調節(jié)閥；實驗管道由小大小三種已知管徑的管道組成，共設有六個測壓孔，測孔 13 和 25 分別測量突擴和

5、突縮的局部阻力系數。其中測孔1 位于突擴界面處，用以測量小管出口端壓強值。實驗方法與步驟1測記實驗有關常數。2打開電源開關，使恒壓水箱充水，排除實驗管道中的滯留氣體。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，同時用體積法測記流量。4改變出水閥開度34 次，分別測記測壓管讀數及流量。5實驗完成。實驗成果及要求1記錄、計算有關常數：實驗裝置臺號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, 故采用以上經驗公式計算值2整理記錄、計算表。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 擴張段實驗數據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 收縮段實驗數據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% 實驗分析與討論1 結合實驗成果， 分析比較突擴與突縮在相應條件下的局部損失大小關系。流動演示儀 i-vii型可顯示突擴、突縮、漸擴、漸縮、分流、合流、閥道、繞流等三十余種內、外流的流動圖譜。據此對局部阻力損失的機理分析如下：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)。旋渦是產生損

10、失的主要根源。由于水質點的無規(guī)則運動和激烈的紊動，相互摩擦，便消耗了部分水體的自儲能量。另外，當這部分低能流體被主流的高能流體帶走時，還須克服剪切流的速度梯度，經質點間的動能交換，達到流速的重新組合，這也損耗了部分能量。這樣就造成了局部阻力損失。從流動儀可見， 突擴段的旋渦主要發(fā)生在突擴斷面以后，而且與擴大系數有關，擴大系數越大，旋渦區(qū)也越大，損失也越大，所以產生突擴局部阻力損失的主要部位在突擴斷面的后部。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，且強度較小，而突縮的后部產生了紊動度較大的旋渦環(huán)區(qū)。可見產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， 在設計變斷面管道幾何邊界形狀時應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。如欲減小本實驗管道的局部阻力，就應減小管徑比以降低突擴段的旋渦區(qū)域；或把突縮進口的直角改為園角，以消除突縮斷面后的旋渦環(huán)帶，可使突縮局部阻力系數減小到原來的1/21/10 。突然收縮實驗管道，使用年份長后，實測阻力系數減小，主要原因也在這里。3現備有一段長度及聯(lián)接方式與調節(jié)閥（圖8.1 ）相同，內徑與實驗管道相同的直管段，如何用兩點法測量閥門的局部阻力系數？兩點法是測量局部阻力系數的簡便有效辦法。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，各布置一個測壓點便可。

12、先測出整個被測流段上的總水頭損失21wh，有212121fjijnjjwhhhhhh式中：jih 分別為兩測點間互不干擾的各個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實驗測得突縮管在不同管徑比時的局部阻力系數（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、立局部阻力系數的經驗公式. 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，則結果如下：=0.5（1-（a2/a1） ）顯然，采用 a2/a1 作為變量推導出的公式更符合實際情況。理論推導過程如下 : 由實驗數據求得等差)/(12ddxx 令相應的差分)(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，故此經驗公式類型為：2210

14、xbxbby（1）（2）用最小二乘法確定系數令22110iixbxbby是實驗值與經驗公式計算值的偏差。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 求偏導可得515142513151202515132512151051515122100005iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiixbxbxbxyxbxbxbxyxbxbby（3）列表計算如下：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據代入方程組（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的經驗公式為)/(1 5 .0212dd或)1 (5.012aa5試說明用理論分析法和經驗法建立相關物理量間函數關系式的途徑。突擴局部阻力系數公式是由理論分析法得到的。一般在具備理論分析條件時，函數式可直接