04 局部水头损失实验
管道局部水头损失实验(完成)
武汉大学教学实验报告学院：水利水电学院 专业：水利水电工程全英文班 2013年6月22日实验名称 管道局部水头损失实验 指导老师 姓名吴前进年级11级学号2011301580067成绩一：预习部分1：实验目的 2:实验基本原理3：主要仪器设备（含必要的元器件，工具）一、实验目的1、掌握测定管道局部水头损失系数ζ的方法。
2、将管道局部水头损失系数的实测值与理论值进行比较。
3、观测管经突然扩大时旋涡区测压管水头线的变化情况和水流情况，以及其他各种边界突变情况下的测压管水头线的变化情况。
二、实验原理由于边界形状的急剧改变，水流就会与边界分离出现旋涡以及水流流速分布的改组，从而消耗一部分机械能。
单位重量液体的能量损失就是水头损失。
边界形状的改变有水流断面的突然扩大或突然缩小、弯道及管路上安装阀门等。
局部水头损失常用流速水头与与系列的乘积表示。
gvh j 2ζ=式中：ζ—局部水头损失系数。
系数ζ是流动形状与边界形状的函数，即ζ= f （Re ，边界形状）。
一般水流Re 数足够大时，可认为系数ζ不再随Re 数而变化，而看作常数。
管道局部水头损失目前仅有突然扩大可采用理论分析，并可得出足够精确的结果。
其他情况则需要用实验方法测定ζ值。
突然扩大的局部水头损失可应用动量方程与能量方程及连续方程联合求解得到如下公式：22112112122222)1(,2)1(,2A Ag v h A Ag v h j j -==-==ζζζζ 式中，A 1和v 1分别为突然扩大上游管段的断面面积和平均流速；A 2和v 2分别为突然扩大下游管段的断面面积和平均流速。
三、实验设备实验设备及各部分名称如图一所示。
二：实验操作部分1：实验数据，表格及数据处理 2：实验操作过程（可用图表示） 3结论图一 局部水头损失实验仪四、实验步骤1、熟悉仪器，记录管道直径D 和d 。
2、检查各测压管的橡皮管接头是否接紧。
3、启动抽水机，打开进水阀门，使水箱充水，并保持溢流，使水位恒定。
04 局部水头损失实验
§8 局部水头损失实验8.1 实验目的和要求1.学习掌握三点法、四点法测量局部阻力因数的技能，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；2.通过阀门局部阻力因数测量的设计性实验，学习二点法测量局部阻力因数的方法。
8.2 实验装置1．实验装置简图实验装置及各部分名称如图8.1所示。
图8.1 局部水头损失实验装置简图1.自循环供水器2.实验台3.可控硅无级调速器4.恒压水箱5.溢流板6.稳水孔板7.圆管突然扩大8.气阀9.测压计10.测压管①~⑥11.滑动测量尺12. 圆管突然收缩13.实验流量调节阀14.回流接水斗15.下回水管2．装置说明实验管道由圆管突扩、突缩等管段组成，各管段直径已知。
在实验管道上共设有六个测压点，测点①－③和③－⑥分别用以测量突扩和突缩的局部阻力因数。
其中测点①位于突扩的起始界面处，这里引用公认的实验结论 “在突扩的环状面积上的动水压强近似按静水压强规律分布”，认为该测点可用以测量小管出口端中心处压强值。
气阀8用于实验开始时排除管中滞留气体。
3．基本操作方法(1) 排气。
启动水泵待恒压水箱溢流后，关闭实验流量调节阀13，打开阀8排除管中滞留气体。
排气后关闭阀8，并检查测压管各管的液面是否齐平，若不平，重复排气操作，直至齐平。
(2) 测压管水头用测压计测量，基准面可选择在滑动测量尺零点上。
(3) 流量测量。
实验流量用阀13调节，流量由称重法测量，用秒表计时，用电子称称重。
8.3 实验原理流体在流动的局部区域，如流体流经管道的突扩、突缩和闸门等处(图4.4.2)，由于固体边界的急剧改变而引起速度分布的变化，甚至使主流脱离边界，形成旋涡区，从而产生的阻力称为局部阻力。
由于局部阻力作功而引起的水头损失称为局部水头损失，用h j 表示。
局部水头损失是在一段流程上，甚至相当长的一段流程上完成的，如图8.2，断面1至断面2，这段流程上的总水头损失包含了局部水头损失和沿程水头损失。
局部水头损失实验报告
开课实验室：2010年 月 日
学院
城环学院
年级、专业Leabharlann 班姓名成绩课程
名称
流体力学与水泵实验
实验项目
名 称
局部水头损失实验
指导教师
教师评语
教师签名：
年 月 日
一、实验目的
1.掌握三点法、四点法测量局部水头损失与局部阻力系数的技能。
2.验证圆管突然扩大局部阻力系数公式及突然缩小局部阻力系数经验公式。
测点间距；L1-2= ；L2-3= ；L3-4= ；L4-b= ；Lb-5= ；L5-6=
（2） 实验记录与计算
测试数据记录表
序号
体积
V／cm3
时间
T／s
流量
Q／（cm／s）
测压管读数
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
实验数据计算表
局部阻力形式
序号
流量
Q/( /s)
断面前测点
断面后测点
前后断面实测沿程水头损失
实测局部水头损失
绝大多数的局部阻力系数ξ只能通过实验测定，不同的边界开关局部阻力系数ξ不同，只有少数局部阻力系数可以用理论分析得出。
如突然扩大的局部水头损失与阻力系数：
或
或
对于突然缩小的局部阻力系数为：
三、使用仪器、材料
1.自循环供水器 2.实验台 3.可控硅无级调速器 4. 水箱
5. 溢流板 6. 稳水孔板 7突然扩大实验管段 8.测压管
实测局部阻力系数
理论局部水头损
失
总水头H
总水头H
突然扩大
1
2
3
重大流体力学实验4(局部水头损失实验)
重大流体力学实验4(局部水头损失实验)
局部水头损失实验是一种重要的流体力学实验，能够证明动量定律并确定河流流体的
阻力特性。
它用以检验以下两条关于河流流体阻力特性的假设：（1）在本地完全不通过
管道的情况下，阻力与深度之间存在某种关系（2）随着流体流动的不断加深，更高的阻
力会发生。
实验设计必须考虑以下变量：流量（Q）、和管路内阻力（F）。
在实验之前，应考虑
管道形状，管道材料和大小，以及管道的安装位置。
这些变量会影响流量和流体阻力的变化，进而影响局部水头损失的数量。
实施局部水头损失实验需要建立两个实验管段，其中第一段通常称为“上端”，主要
用于调整流量，第二段通常称为“下端”，主要用于测量和计算局部水头损失。
同时，实
验中也要用一台流量计（水流管）来测量流量，以及一台压力计来测量压力，以确定局部
水头损失。
最后，设计师根据局部水头损失实验的结果进行比较，利用这一数据来确定动量定律，以及河流流体的阻力特性。
例如，如果实验结果表明，每深度一定比例增加时，力随高度
成正比，则可以说明实验满足动量定律；如果实验结果表明，河流流体的阻力随深度的增
加而增加，则可以说明发展的慢相关递增的阻力特性的河流流体。
总之，局部水头损失实验对于验证动量定律，测定河流流体的阻力特性，特别是验证
河流流体高度和阻力之间关系非常有用。
它们可以帮助设计人员正确设计河流，实现河流
水力规划，使河流的生态环境得到有效的改善。
水力学 第四章_水头损失
2.尼古拉兹实验:
d 2g λ = hf 2 l v
德国学者尼古拉兹(在圆管内壁粘胶上经过筛分具有同粒径Δ的 砂粒,制成人工均匀颗粒粗糙 制成人工均匀颗粒粗糙,于1933年发表了揭示λ=f(Re,Δ 制成人工均匀颗粒粗糙 /d)规律的实验结果. 尼古拉兹实验装置:对不同的Δ/d的人工粗糙管: ①测流速v(通过测出流量Q计算流速), ②管长l 间的水头损失hf, ③并测出水温以推算Re=vd/υ ④沿程阻力系数
1.雷诺实验
均匀流时,流速沿程不变,J=Jp即均匀流的水力坡度与测 均匀流 压管坡度相等. 徐徐开启阀门 C,使玻璃管中水流流速很小.再开启阀门 F 放 出适量有色液体,观察到玻璃管中有色液体形成一界线分明的直流 束,表明各层质点宏观上互不掺混,此种流动状态称为层流 各层质点宏观上互不掺混, 各层质点宏观上互不掺混 此种流动状态称为层流. 此时液体所承受的剪应力只是由于粘性所产生的牛顿内摩擦力. 此时液体所承受的剪应力只是由于粘性所产生的牛顿内摩擦力
Ⅳ区:"光滑管"向"粗糙管区"的紊流过渡区, λ=(Re, /d) , V区:粗糙管区或阻力平方区,λ与Re无关, 区 无关, λ 无关 λ=f(Δ/d),水头损失与流速平方成正比. Δ ,水头损失与流速平方成正比.
尼古拉兹对人工粗糙管的实验, 尼古拉兹对人工粗糙管的实验,不能直接用于工业 管道,但它揭示了在不同区Re及Δ/d对λ有不同的影响, 管道,但它揭示了在不同区 及 对 有不同的影响 具有很大的理论意义.
du τ = ρ u xu y dy
1 从时均紊流概念出发将液流分层,各层间也出现时均粘性 切应力: du
τ1 =
2 由于存在脉动流速,层间有质量和动量交换,有动量交换 产生时均紊流附 加切应力.
04 局部水头损失实验
04 局部水头损失实验
局部水头损失是液流通过管道过程中会产生的水力损失形式之一。
在管道中，如果管道断面不同或是在管道中存在锐边、弯头、阀门等部件，液体在通过这些部件时就会产生局部水头损失。
局部水头损失的大小取决于管道断面的条件、流速、液体性质、管道内部的变化等多个因素，如果不能正确估算局部水头损失，则会导致管道的设计不合理，造成能量和资金的浪费。
为了研究管道中的局部水头损失，我们通过实验的方式来模拟不同条件下的情况。
在实验中，我们选取了一根螺旋线管作为管道直径较小的一段部件，同时在两端连接，形成一个封闭环路，通过泵在管道内形成水流，然后对水流的压力、流量进行测量，利用实验数据计算出局部水头损失的大小，进而对管道的设计、调试和改进提供参考依据。
我们通过实验发现，封闭环路中的水流速度越快，局部水头损失就越大，这是由于快速的水流会将气体带入管道，产生紊流现象，而气体在管道中状态的变化会导致水流的动量和能量损失，形成局部水头损失。
此外，实验中我们还模拟了管道中存在多个弯头、错位口、阀门等部件的情况，测量数据表明过多的部件和复杂的管道结构会进一步引起局部水头损失的增加，因此在设计和改善管道时，需要充分考虑管道性质和流体的流动情况，合理安排管道内部的结构，减少不必要的部件，提高管道的流动效率，降低水头损失的影响。
总之，局部水头损失是管道中不可避免的现象，要想降低管道中的水头损失，需要从多方面加强管道的设计、调试和改进。
通过实验可以更加深入地了解局部水头损失的原理和计算方法，为管道的优化和改进提供参考依据，进一步提高管道的安全性和经济性。
水力学 局部水头损失量测实验
= ( A2 A1
− 1)2
v22 2g
≡ζ2
v22 2g
，
或
hj
=
(v2 − v1)2 2g
= (1 −
A1 )2 A2
v12 2g
≡
ζ1
v12 2g
.
可见
ζ1
= (1 −
A ( A2 A1
− 1)2 .
z 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 断面上
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。
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
实验数据记录
仪器编号：
有关常数：d1 = mm，d2 =
mm
测
测管液面高程读数
次
∇ 1 ∇ 2 ∇ 3 ∇ 4 ∇ 5 ∇ 6 ∇ 7 ∇ 8 ∇ 9 ∇ 10 ∇ 11 ∇ 12 ∇ 13 ∇ 14 ∇ 15
1
2
#
测次
测管液面高程读数
∇ 16
∇ 17
∇ 18
∇ 19
∇ 20
∇ 21
1
2
#
流量
Δt
ΔV
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。
z 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
实验4 局部水头损失
18.90
3.90
2.30
2
1510
15
100
7
17.80
21.30
21.00
20.80
7.60
6.00
3
1455
15
97.0
19.00
22.20
21.90
21.75
9.45
8.00
4
1386
15
92.4
20.10
23.00
22.80
22.70
11.30
9.95
5
1355
15
90.3
21.15
23.90
23.65
25.55
13.00
11.85
2.实验数据计算表：
局部
阻力
形式
序
号
流量
Q/
(cm³/s)
前断面
后断面
实测沿程损失hf
实测局部损失hj
实测局部阻力系数ζ
理论局部损失hj′
αv²/2g
总水头H
αv²/2g
总水头H
突然
扩大
1
107.9
11.35
26.75
0.64
19.94
0.07
6.74
4、重复步骤3，改变泄水阀开度5次，分别测记测压管读数及流量并记录数据。
实验完成后关闭泄水阀，检查测压管液面是否齐平？否则，需重做。
五、实验过程原始记录(数据、图表、计算等)
1.实验数据记录表：
序
号
体积
V/(cm³)
时间
t/(s)
流Q/
(cm³/s)
测压管读数
1
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§8 局部水头损失实验
8.1 实验目的和要求
1.学习掌握三点法、四点法测量局部阻力因数的技能，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；
2.通过阀门局部阻力因数测量的设计性实验，学习二点法测量局部阻力
因数的方法。
8.2 实验装置
1．实验装置简图
实验装置及各部分名称如图8.1所示。
图8.1 局部水头损失实验装置简图
1.自循环供水器
2.实验台
3.可控硅无级调速器
4.恒压水箱
5.溢流板
6.稳水孔板
7.圆管突然扩大
8.气阀
9.测压计10.测压管①~⑥11.滑动测量尺
12. 圆管突然收缩13.实验流量调节阀14.回流接水斗15.下回水管
2．装置说明
实验管道由圆管突扩、突缩等管段组成，各管段直径已知。
在实验管道上共设有六个测压点，测点①－③和③－⑥分别用以测量突扩和突缩的局部阻力
因数。
其中测点①位于突扩的起始界面处，这里引用公认的实验结论 “在突扩的环状面积上的动水压强近似按静水压强规律分布”，认为该测点可用以测量小管出口端中心处压强值。
气阀8用于实验开始时排除管中滞留气体。
3．基本操作方法
(1) 排气。
启动水泵待恒压水箱溢流后，关闭实验流量调节阀13，打开阀8排除管中滞留气体。
排气后关闭阀8，并检查测压管各管的液面是否齐平，若不平，重复排气操作，直至齐平。
(2) 测压管水头用测压计测量，基准面可选择在滑动测量尺零点上。
(3) 流量测量。
实验流量用阀13调节，流量由称重法测量，用秒表计时，用电子称称重。
8.3 实验原理
流体在流动的局部区域，如流体流经管道的突扩、突缩和闸门等处(图4.4.2)，由于固体边界的急剧改变而引起速度分布的变化，甚至使主流脱离边界，形成旋涡区，从而产生的阻力称为局部阻力。
由于局部阻力作功而引起的水头损失称为局部水头损失，用h j 表示。
局部水头损失是在一段流程上，甚至相当长的一段流程上完成的，如图8.2，断面1至断面2，这段流程上的总水头损失包含了局部水头损失和沿程水头损失。
若用h i （i =1,2…）表示第i 断面的测压管水头，即有
闸门
突缩
图8.2 局部水头损失
2
212
w j f1212()()22h h h h h g
g
αα-=+=+
-+
v v
或 2
212
j 12f 12()()22h h h h g
g
αα-=+-+
-v v
局部阻力因数ζ为
2
j /2g
h ζ=v
(1) 圆管突然扩大段。
本实验仪采用三点法测量。
三点法是在突然扩大管段上布设三个测点，如图4.4.1测点①、②、③所示。
流段①至②为突然扩大局部水头损失发生段，流段②至③为均匀流流段，本实验仪测点①、②间距为测点②、③的一半，h f1-2 按流程长度比例换算得出。
则 h f1-2＝h f2-3 / 2=∆h 2-3/ 2=( h 2-h 3) / 2
2
223
12
j 1212()()222
h h h h h E E g
g
αα-''=+
-+
+
=-v v 式中h i 为测压管水头值，当基准面选择在标尺零点时即为第i 断面测压管液位的标尺读值；12E E ''、分别表示式中的前、后括号项。
因此只要实验测得三个测压点的测压管水头值h 1、h 2、h 3及流量等即可得突然扩大段局部阻力水头损失。
若圆管突然扩大段的局部阻力因数ζ用上游流速v 1表示，为
2
1j
2g
h αζ=v
对应上游流速v 1的圆管突然扩大段理论公式为
2
12
1A A ζ=-
() (2) 圆管突然缩小段。
本实验仪采用四点法测量。
四点法是在突然缩小管段上布设四个测点，如图4.4.1测点③、④、⑤、⑥所示。
图中B 点为突缩断面处。
流段④至⑤为突然缩小局部水头损失发生段，流段③至④、⑤至⑥都为均匀流流段。
流段④至B 间的沿程水头损失按流程长度比例由测点③、④测得，流段B 至⑤的沿程水头损失按流程长度比例由测点⑤、⑥测得。
本实验仪l 3-4=2 l 4-B ，l B -5＝l 5-6，有 h f4-B ＝h f3-4/2=∆h 3-4/ 2，h f B -5＝h f5-6=∆h 5-6。
则 h f4-5＝∆h 3-4 / 2+∆h 5-6=( h 3-h 4) / 2+ h 5-h 6
2
2345
4
j 455645()()222h h h h h h h E E g g
αα-''=+--++-=-v v
因此只要实验测得四个测压点的测压管水头值h 3、h 4、h 5、h 6及流量等即可得突然缩小段局部阻力水头损失。
若圆管突然缩小段的局部阻力因数ζ用下游流速v 5表示，为
25
j /
2h g
αζ=v
对应下游流速v 5的圆管突然缩小段经验公式为
5
4
0.51A A ζ=-
() (3)测量局部阻力因数的二点法。
在局部阻碍处的前后顺直流段上分别设置一个测点，在某一流量下测定两点间的水头损失，然后将等长度的直管段替换局部阻碍段，再在同一流量下测定两点间的水头损失，由两水头损失之差即可得局部阻碍段的局部水头损失。
8.4 实验内容与方法
1. 测量突然扩大局部水头损失与突然缩小局部水头损失，并测定相应的局部水头损失因数。
参照实验基本操作方法，在恒定流条件下改变流量2~3次，其中一次为最大流量，待流量稳定后，测记各测压管液面读数，同时测记实验流量。
实验数据处理与分析参考4.4.5。
2．设计性实验：利用图8.1实验装置，设计某开度下阀门的局部阻力因数的测量实验。
要求：用二点法测量，设计实验装置改造简图，制定实验方案，并结合实验CAI 软件（已随仪器配置），进行计算机仿真实验。
8.5 数据处理及成果要求
1．记录有关信息及实验常数
实验设备名称：__________________ 实验台号：_________ 实 验 者：______________________ 实验日期：_________ 实验管段直径：
d 1 = D 1 =______⨯10-2m d 2 = d 3 = d 4 = D 2 =______⨯10-2m d 5 = d 6 =D 3 =______⨯10-2m 实验管段长度：
l 1-2 = 12 ⨯10-2m l 2-3 = 24 ⨯10-2 m l 3-4 = 12 ⨯10-2 m l 4-B = 6 ⨯10-2m l B-5 = 6 ⨯10-2 m l 5-6 = 6 ⨯10-2 m
2. 实验数据记录及计算结果
表8.1 局部水头损失实验记录表
表8.2 局部水头损失实验计算表
15
3．成果要求
(1) 测定突扩断面局部水头损失因数ζ值并与理论值比较。
(2) 测定突缩断面局部水头损失因数ζ值并与经验值比较。
(3) 完成设计性实验。
8.6 分析思考题
1．管径粗细相同、流量相同条件下，试问d1/d2（d1<d2）在何范围内圆管突然扩大的水头损失比突然缩小的大？
2．结合流动演示仪的水力现象，分析局部阻力损失机理。
产生突扩与突缩局部水头损失的主要部位在哪里？怎样减小局部水头损失？
3．局部阻力类型众多，局部阻力因数的计算公式除突然扩大是由理论推导得出之外，其它都是由实验得出的经验公式。
试问，获得经验公式有那些途径？。