局部水头损失量测实验-清华版

原理简介

● 有压管道恒定流遇到管道边界的局部突变 → 流动分离形成剪切层 → 剪切层流动不

稳定，引起流动结构的重新调整，并产生旋涡 → 平均流动能量转化成脉动能量，造成不可逆的能量耗散。与沿程因摩擦造成的分布损失不同，这部分损失可以看成是集中损失在管道边界的突变处，每单位重量流体承担的这部分能量损失称为局部水头损失。

● 根据能量方程，局部水头损失

g

v g v g p z

g p z h j 22)()(2

2

22112211ααρρ-

++-+=， 这里我们认为因边界突变造成的能量损失全部产生在1-1，2-2两断面之间，不再考虑沿程损失。上游断面1-1应取在由于边界的突变，水流结构开始发生变化的渐变流段中，下游2-2断面则取在水流结构调整刚好结束，重新形成渐变流段的地方。总之，两断面应尽可能接近，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。 ● 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

ζα=

h v g

j

22.

当上下游断面平均流速不同时，应明确它对应的是哪个速度水头？例如，对于突扩圆管就有 ζα1122=

h v g

j

和 ζα22

2

2=

h v g

j

之分。其它情况的局部损失系数在查表或使用经验公式确定时也应该注意这一点。通常

情况下对应下游的速度水头。

● 局部水头损失系数随流动的雷诺数而变，即

ζ=f R e ()，

但当雷诺数大到一定程度后，ζ 值成为常数。在工程中使用的表格或经验公式中列出的

ζ 就是指这个范围的数值。

● 局部水头损失的机理复杂，除了突扩圆管的情况以外，一般难于用解析方法确定，而要

通过实测来得到各种边界突变情况下的局部水头损失系数。

● 对于突扩圆管的情况，局部水头损失系数有理论结果，推导如下：流动经过突扩圆管的

局部水头损失

g

v g v g p z g p z h j 22)()(2

2

22112211ααρρ-

++-+=， 取1-1，2-2两断面如图，这里要特别注意1-1断面取为突扩开始的断面，2-2断面则取在水流结构调整刚好结束，重新形成渐变流段的地方。两断面面积都为A 2，而v 1和v 2则分别为细管和粗管中的平均流速。根据动量方程可知

)()()(101202222211v v Q A gz p A gz p ααρρρ-=+-+， 所以有

g

v v v g p

z g p z )()()(1012

0222211ααρρ-=+-+

. 将其代入局部水头损失的表达式，得

h v v v g v v g

j =-+-20220111122222()()αααα.

取020121,,,αααα的值均为1.0，则 h v v

g A A v g v g

j =-=-≡()()2122122

22

222122ζ，

或 h v v g A A v g v g j =-=-≡()()212122121

1

2

2122ζ.

可见 ζ112

2

1=-

()A A ， ζ22121=-()A A .

● 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

的测管水头为常数；②1-1，2-2两断面的面积相等。而突缩圆管的1-1，2-2两断面必须分别取在粗管和细管中，这是由流动结构决定的，因此突缩圆管的局部水头损失不能解析表达，只有经验公式： ζ=-

0512

1

.()A A .

这里的 ζ 对应下游，即细管中的速度水头。

● 其它各种弯管、截门、闸阀等的局部水头损失系数可查表或由经验公式获得。

实验设备

实验装置如图所示，在自循环恒定管道流上串联突扩管、突缩管、900缓弯管、1800缓弯管、900急弯管和阀门，沿程接上许多测压管。管中流速可用尾阀来调节，设置专用水箱进行流量的量测。

实验目的和要求

1．观察突扩管旋涡区测管水头线，以及其它各种边界突变情况下的测管水头变化情况，加深对局部水头损失的感性认识。

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。

实验数据记录

仪器编号：

有关常数：d1 = mm，d2 = mm

实验结果

定性绘制最大流量时突扩管和突缩管段的测管水头线（∇1 ～∇15）

分析思考问题

1.突扩管的局部水头损失的实测值与理论值为什么会有差别，这种差别是由哪些因素造成

的？

2.为什么要从测压管水面变化找突扩管的下游渐变流断面？怎么找这个断面？

3.局部水头损失系数是否与雷诺数有关？通常给定的局部水头损失系数是常数，应该怎么

理解？

4.测定突缩管的局部水头损失系数时，两断面应该如何选取？与突扩管有何不同？

5.突缩管的局部水头损失为什么不能像突扩管一样也有理论值？

6.在粗细管径相同、流量相同的条件下，突扩管和突缩管的局部水头损失是否相同？为什

么？

7.影响局部水头损失系数测量精度的因素有哪些？本实验测得的突扩管和突缩管的结果，

哪个精度高？原因是什么？

8.如不考虑管段的沿程水头损失h

，所测出的局部水头损失系数ζ值比实际的偏大还是偏

f

小？在工程中使用此ζ值是否安全？

9.为什么在实验中要反复强调保持水流恒定的重要性？