05沿程水头损失量测实验报告

沿程水头损失量测实验报告
一、实验原理
1. 对于通过直径不变的圆管的恒定水流，沿程水头损失为：
h g
p
z g p z h f ∆ρρ=+-+
=)()(2211， 即上下游量测断面的比压计读数差。

沿程水头损失也常表达为：
，
称为沿程水头损失系数，l 为上下游量测断面之间的管段长度，d 为管道直径，v 为断
面平均流速。

若在实验中测得h ∆和断面平均流速，则可直接得到沿程水头损失系数：
2. 不同流动型态及流区的水流，其沿程水头损失与断面平均流速的关系是不同的。

层流流
动中的沿程水头损失与断面平均流速的1次方成正比；紊流流动中的沿程水头损失与断面平均流速的1.75~2.0次方成正比。

3. 沿程水头损失系数λ是相对粗糙度
与雷诺数的函数，k s 为管壁当量粗糙，（其中为水的运动粘滞系数）。

4. 圆管层流流动
，
5. 光滑圆管紊流流动可取
.
可见在层流流动和紊流光滑区，沿程水头损失系数只取决于雷诺数。

6. 粗糙圆管紊流流动
2
)74.12/lg 2(1
+=
s
k d λ，
沿程水头损失系数完全由粗糙度决定，与雷诺数无关，此时沿程水头损失与断面平均流速的平方成正比，所以紊流粗糙区通常也叫做‘阻力平方区’。

7. 在紊流光滑区和紊流粗糙区之间存在过渡区，此时沿程水头损失系数与雷诺数和粗糙
g
v d l h f 22
λ=λg v d l h
22∆=λd k s e R ν
vd R e =νe
R 64
=λ4
13164.0e
R =
λ)10(5<e R λλλ
度都有关。

8. 粗糙系数n 可按下列公式进行计算：
，
式中R 为管道的水力半径，圆管的水力半径R = d /4，该式适用于紊流粗糙区。

二、实验装置
本实验分别在直径不同的玻璃管、细铜管、粗铜管、粗铁管和人工加糙管中进行。

由于不同管道中流量和水头损失的数值差别很大，故采用不同的量测方法。

各组可按照所选管道，采用相应的设备及量测仪器。

本实验对于各种管道均采用比压计（或水银比压计）量测水头损失，流量的量测分别用三角堰、体积法进行。

实验设备简图：
三、实验数据与处理 仪器编号： 1
有关常数：d = 0.8 cm ，l = 210.6 cm 蓄水箱横截面积：A= 129.6 cm 2
6
18R g n λ
=
数据处理表格
四、实验成果
1. 绘制h f ~ v 的关系曲线，并确定在不同流动区域中指数关系的m 值。

在双对数
纸上以v 为横坐标，以h f 为纵坐标，点绘所测的h f ~ v 关系曲线，根据具体情况连成一段或几段线。

由于，所以对数纸上直线段斜率 ，就是指数
关系的m 值。

将从图上求得的与已知各流区的m 值进行比较验证。

管路两点间的沿程水头损失计算公式：
2
f L v h =λg
D 2g
2. 绘制～R e 的关系曲线，并分析的变化规律。

在双对数纸上以R e 为横坐标，以为
纵坐标，点绘所测～R e 的关系曲线。

为了解对的影响，将其他组所测管道的～
R e 关系曲线也移置过来，点绘在同一对数纸上，然后将成果进行分析，并与已知一般规律进行比较。

3. 在～R e 图中，如有紊流粗糙区的范围，定出它相应的值，再求出当量粗糙度k s 和
粗糙系数n 值，并与一般经验数据进行比较。

沿程阻力系数λ在层流时只与雷诺数有关，而在紊流时则与雷诺数、管壁粗糙度有关。

五、分析思考题
1. 如将实验管安装成倾斜的，比压计中的读数差是不是沿程水头损失h f 值？ 解：将试验管安装成倾斜时，比压计中的读数差是沿程水头损失。

m
f v h ∝m f v h ∝1
212log log log log v v h h m f f --=
λλλλd
k
s λ
λλλ6
1
8R g n λ
=
由伯努利方程可得：22
1122
f 12p v p v h =(z ++)-(z ++)
γ2g γ2g ，由于管路是等直径的，流速相等
v 1=v 2，所以：
12f 12p p h =(z +
)-(z +)γγ，即测压管水头差。

比压计读数为测压管水头，所以
无论管路水平还是倾斜，比压计中的读数差都是沿程水头损失h f 。

2. 如果用气流代替水流进行实验，是否能得出同样的结果？为什么？实验的量测方法相应
要有那些改变？
解：如果是考虑外部整体流速等问题的话，可以考虑替代，但是两者区别很大，如果考虑内部作用力的话，肯定不能替代了，因为液体的粘稠度要远高于空气，内部的相互作用力太大了，远大于空气。

3. 体积法、三角堰法测流量各适用于什么情况？量测如何进行？用三角堰测流量要注意哪
些问题才能确保量测精度？
4. 为了得到管道的沿程水头损失系数，在实验中需要量测沿程水头损失h f ，管径d ，管
段长度l ，流量Q 等，其中哪一个的精度对的影响最大？量测时应注意什么？ 5. 如果要测定管道的糙率n ，实验应怎样进行？成果应如何整理？ 6. 为什么要把实验结果点绘在双对数纸上？使用双对数纸要注意些什么？
λλ。