局部阻力損失試驗(yàn)報(bào)告

1、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。但是由丁擴(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(cè)定的局部水頭損失進(jìn)行修正或者得出經(jīng)驗(yàn)公式 用丁工業(yè)設(shè)計(jì)。在管路中,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)彎頭,閥T,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，由丁這些管段的存在，會(huì)使水流的邊界發(fā)生急劇變

2、化 水流中各點(diǎn)的流速，壓強(qiáng)都要改變，有時(shí)會(huì)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，由丁流體有慣性，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、漩渦乂把得到的能量消耗在旋轉(zhuǎn)中 (變成熱而消散)。此外，由丁管 道截面忽然變化所產(chǎn)生的流體沖擊、碰撞等都會(huì)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(cè)量擴(kuò)張段的局部阻力系數(shù)，用四點(diǎn)法量測(cè)量收縮段的 局部阻力系數(shù)，然后與圓管突擴(kuò)局部阻力系數(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(duì)

3、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(duì)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 之由2'按流長(zhǎng)比例換算得出22Pl ：如1D2頭測(cè) hje =(Zi-).-02-). »項(xiàng)2g2g=hje2g理論Al 2e =（仁 ）A22g2. 突然縮小采用四點(diǎn)法計(jì)算，下式中B點(diǎn)為突縮點(diǎn),山4由，史換算得出，hfB芒由hfU 換算得出。22P4, JS-4P5,二"5頭測(cè)hjs =(Z4-)_hf4B(Z5-)-hfB 52g 一2g -2產(chǎn)氣2g經(jīng)驗(yàn)公

4、式，計(jì)算中的速度應(yīng)取小管徑中的速度值。當(dāng)A5/A3<0.1時(shí)，可簡(jiǎn)化為2=0.5（1 -冬）二"5hjsA3類型示意圖局部成失系數(shù)栽面突然縮小AyAjgl04020.304050.70.SiV1AC皿0,6320.46&0 6440.431。.婀0.3470.67603婷。碗4U989.717心570.W02120.7SJ01610網(wǎng)0.079100截面突然擴(kuò)大Al/A31D.K0_70.60.50.4030.20.10產(chǎn)0D.O10.040.W0160.250.360.490.M0.S11戶 r 700.01230O61S0.100.44412.25-5.441*B1

5、2g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(tái)；3.可控硅無級(jí)調(diào)速器；4.包壓水箱；5.溢流 板；6.穩(wěn)水孔板；7.突然擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)管段；8.測(cè)壓計(jì)；9.滑動(dòng)測(cè)量尺；10.測(cè)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(cè)壓孔，測(cè)孔 13和2-5分別測(cè)量突擴(kuò)和突縮的局部阻力系數(shù)。其中測(cè)孔1位丁突擴(kuò)界面處， 用以測(cè)量小管出口端壓強(qiáng)值。實(shí)驗(yàn)方法與步驟1. 測(cè)記實(shí)驗(yàn)有關(guān)常數(shù)。2. 打開電源開關(guān)，使包壓水箱充水，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(cè)記測(cè)壓管讀數(shù)，同時(shí)用體積 法測(cè)

6、記流量。4 .改變出水閥開度34次，分別測(cè)記測(cè)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(tái)號(hào)No D1=D5=1.4cm D2=D3=D4=2.0cm L1-2=20.0cm L2-3=19.8cmL3-b=6.5cmLb-4=3.5cmL4-5=20.0cm/ =（1 -但）2 = 0.2601,A2+ 2.2 096 1_1.3 859"aT"_0.1 1 67，ATa3a31a3a3< 3 J3 JI 3 J< 3 J432-0.5s - -1.2255=0.2994注：由丁 A5A4=0.49>0.1故采用以上經(jīng)

7、驗(yàn)公式計(jì)算值2. 整理記錄、計(jì)算表。3.擴(kuò)張段收縮段e/ e 理論=0.2216/0.2601=85.19%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 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖：水頭損失與流量的關(guān)系3.50T-突擴(kuò)段£?章六*突縮段hj2g及, = f (di .'d2)表明影響局部阻力損失的因素是V和djd2 ,由丁有突擴(kuò)：e =(1 -入1.%2)2K0.5(1 -Ai A2)0.5(1 - Ai A?)21 - Ai A2突縮：s =0.5(1 Ai.A2)則有當(dāng)Ai A2 : 0.5

8、或di/d2 ：: 0.7 0 7時(shí)，突然擴(kuò)大的水頭損失比相應(yīng)突然收縮的要大。在本實(shí)驗(yàn)中D1/D2=0.7,突擴(kuò)損失與突縮損失應(yīng)接近，即hjs/hje=1 ,說明實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論推到相一致。從而我們也可得到，當(dāng)djd2接近丁 1時(shí)，突擴(kuò)的水流形態(tài)接近丁逐漸擴(kuò)大管的 流動(dòng)，因而阻力損失顯著減小。2.結(jié)合流動(dòng)儀演示的水力現(xiàn)象，分析局部阻力損失機(jī)理何在？產(chǎn)生突擴(kuò)與突縮局部阻力損失的主要部位在哪里？怎樣減小局部阻力損失？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(duì)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

9、的旋渦區(qū)。旋渦是產(chǎn) 生損失的主要根源。由丁水質(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(chǔ)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)?？梢姰a(chǎn)生突縮水頭損失的主要部位是在突縮斷

10、面后。從以上分析知。為了減小局部阻力損失，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1/2010。突然收縮實(shí)驗(yàn)管道，使用年份長(zhǎng)后，實(shí)測(cè)阻力系數(shù)減小， 主要原因也在這里。3. 現(xiàn)備有一段長(zhǎng)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(cè)量閥門的局部阻力系數(shù)？?jī)牲c(diǎn)法是測(cè)量局部阻力系數(shù)的簡(jiǎn)便有效辦法。它只需在被測(cè)流段（如閥 門）前后的直管段長(zhǎng)度大丁（

11、2040） d的斷面處，各布置一個(gè)測(cè)壓點(diǎn)便可。先 測(cè)出整個(gè)被測(cè)流段上的總水頭損失hwu,有hwi = h ji . hj2 - h 布 一 -h ji - hn式中：h,-分別為兩測(cè)點(diǎn)問互不干擾的各個(gè)局部阻力段的阻力損失；hjn 一被測(cè)段的局部阻力損失；h f i_2 一兩測(cè)點(diǎn)間的沿程水頭損失。然后，把被測(cè)段（如閥門）換上一段長(zhǎng)度及聯(lián)接方法與被測(cè)段相同，內(nèi)徑與 管道相同的直管段，再測(cè)出相同流量下的總水頭損失 hwj,同樣有'h g = h ji . h j2 一 . 小 ji d . hfi所以hjn = hwi 藝-hwi.2 4.實(shí)驗(yàn)測(cè)得突縮管在不同管徑比時(shí)的局部阻力系數(shù)（Re10

12、5）如下:）丁與12345d2 / d10.20.40.60.81.0*0.480.420.320.180試用最小二乘法建立局部阻力系數(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：E =-0.6 （d2d1） +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：E =0.5 (1- (A2A1)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A(yù)x(令x=d2/dQ相應(yīng)的差分Ay (令v =匚),其一、二級(jí)差 分如下表i12345Ax0.20.20.20.2y-0.06-0.1-0.04-0.182y-0.0

13、4-0.04-0.04二級(jí)差分A2y為常數(shù)，故此經(jīng)驗(yàn)公式類型為:(1)2y = bob1x b2x(2)用最小一乘法確定系數(shù)令 、. = y i - b0 - bi xi - b2Xi26是實(shí)驗(yàn)值與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值的偏差。如用8表示偏差的平方和，即n5:-寸lyi - bo - biXi - b2X2i Ai ±(2)為使谷為最小值，則必須滿足dz由。=0=0饑=0丁是式(2)分別對(duì)b。、bi、b 2求偏導(dǎo)可得V、55b。一biE5Xi -b2Z2x、= 0i .X廠V、J5Xi bo£ Xi、三5一-bi £ Xi53，、-b Xi =0(3)i .X5Zyii5

14、22X i b。乙Xii -Xi日5 bi£ x、3i -4i -X5一 b 2 £ x ： = 0i -X列表計(jì)算如下:ix、= d2 / 由y、=12Xi3Xii0.20.480.040.0082 10.40.42r 0.i60.06430.60.320.360.2i640.80.i80.640.5i25i.00i.00i.00總和5£ x i =3i :X5Z y、=i.4i 士52£ X、 = 2.2、m53j x、= i.8i4 Xiy、Xi2y、x、i0.00i60.0960.0i9220.02560.i680.067230.i300.i92

15、0.ii540.4i00.i440.ii55i.0000總和 £ x： =1.567£ Yi Xi =0.6£ Yix" =0.3164i _Li _1iq將上表1 .4 _5b° _3bi _2.2b2 =00.6 _3b0 _2.2b1 _1 .8b2 =0(4)0.3 1 6J2.2b0 _1.8加 _1.56 7)2 = 0bo =0.5 ,加=0 , b2 =-0.5，代入式(1)有 y =0.5(1 _x2)丁是得到突然收縮局部阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式為2=0.51 _(d2 /d1)A2 =0.5(1 - )A1 5.試說明用理論分析法和經(jīng)驗(yàn)法建立相關(guān)物理量問函數(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)式可直接由理論推演得，但有時(shí)條件不