局部阻力損失試驗報告

1、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。但是由丁擴張、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 用丁工業(yè)設計。在管路中,經常會出現彎頭,閥T,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，由丁這些管段的存在，會使水流的邊界發(fā)生急劇變

2、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，由丁流體有慣性，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、漩渦乂把得到的能量消耗在旋轉中 (變成熱而消散)。此外，由丁管 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

3、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 之由2'按流長比例換算得出22Pl ：如1D2頭測 hje =(Zi-).-02-). »項2g2g=hje2g理論Al 2e =（仁 ）A22g2. 突然縮小采用四點法計算，下式中B點為突縮點,山4由，史換算得出，hfB芒由hfU 換算得出。22P4, JS-4P5,二"5頭測hjs =(Z4-)_hf4B(Z5-)-hfB 52g 一2g -2產氣2g經驗公

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

5、2g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.包壓水箱；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2-5分別測量突擴和突縮的局部阻力系數。其中測孔1位丁突擴界面處， 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，使包壓水箱充水，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

6、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 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

7、驗公式計算值2. 整理記錄、計算表。3.擴張段收縮段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 實驗結果如下圖：水頭損失與流量的關系3.50T-突擴段£?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：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Ai A2 : 0.5

8、或di/d2 ：: 0.7 0 7時，突然擴大的水頭損失比相應突然收縮的要大。在本實驗中D1/D2=0.7,突擴損失與突縮損失應接近，即hjs/hje=1 ,說明實驗結果與理論推到相一致。從而我們也可得到，當djd2接近丁 1時，突擴的水流形態(tài)接近丁逐漸擴大管的 流動，因而阻力損失顯著減小。2.結合流動儀演示的水力現象，分析局部阻力損失機理何在？產生突擴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

9、的旋渦區(qū)。旋渦是產 生損失的主要根源。由丁水質點的無規(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)?？梢姰a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1/2010。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?。?

11、2040） d的斷面處，各布置一個測壓點便可。先 測出整個被測流段上的總水頭損失hwu,有hwi = h ji . hj2 - h 布 一 -h ji - hn式中：h,-分別為兩測點問互不干擾的各個局部阻力段的阻力損失；hjn 一被測段的局部阻力損失；h f i_2 一兩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 hwj,同樣有'h g = h ji . h j2 一 . 小 ji d . hfi所以hjn = hwi 藝-hwi.2 4.實驗測得突縮管在不同管徑比時的局部阻力系數（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的經驗公式利用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，則結果如下：E =0.5 (1- (A2A1)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Ax(令x=d2/dQ相應的差分Ay (令v =匚),其一、二級差 分如下表i12345Ax0.20.20.20.2y-0.06-0.1-0.04-0.182y-0.0

13、4-0.04-0.04二級差分A2y為常數，故此經驗公式類型為:(1)2y = bob1x b2x(2)用最小一乘法確定系數令 、. = y i - b0 - bi xi - b2Xi26是實驗值與經驗公式計算值的偏差。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b。、bi、b 2求偏導可得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的經驗公式為2=0.51 _(d2 /d1)A2 =0.5(1 - )A1 5.試說明用理論分析法和經驗法建立相關物理量問函數關系式的途徑。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，函數式可直接由理論推演得，但有時條件不