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突然扩大和突然缩小阻力测定--流体力学实验装置

一、实验目的
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
二、实验原理
写出局部阻力前后两断面的能量方程，根据推导条件，扣除沿程水头损失可得：
1．突然扩大采用三点法计算，下式中

由

按流长比例换算得。
实测

理论

2．突然缩小采用四点法计算，下式中B点为突缩点，

由

换算得出，

由

换算得出。
实测

经验公式，计算中的速度应取小管径中的速度值。

当

时，可简化为

三、实验装置
本实验装置如图所示。

局部阻力系数实验装置图

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.突然扩大实验管段；8.测压计；9. 滑动测量尺；10. 测压管；11.突然收缩实验管段；12.流量调节阀；
实验管道由小→大→小三种已知管径的管道组成，共设有六个测压孔，测孔1—3和2— 5分别测量突扩和突缩的局部阻力系数。其中测孔1位于突扩界面处，用以测量小管出口端压强值。
四、实验方法与步骤
1．测记实验有关常数。
2．打开电源开关，使恒压水箱充水，排除实验管道中的滞留气体。
3．打开出水阀至最大开度，待流量稳定后，测记测压管读数，同时用体积法测记流量。
4．改变出水阀开度3~4次，分别测记测压管读数及流量。
5．实验完成。
五、实验成果及要求

3.扩张段 ζe/ζe 理论=0.2216/0.2601=85.19%
收缩段 ζs/ζs 理论=0.2453/0.2994=83.27%
六、实验分析与讨论
1．结合实验成果，分析比较突扩与突缩在相应条件下的局部损失大小关系。
实验结果如下图：

时，突然扩大的水头损失比相应突然收缩的要大。在本实验中 D1/D2=0.7，突扩损失与突缩损失应接近，即 hjs/hje=1，说明实验结果与理论推到相一致。从而我们也可得到，当 d1 d2 接近于 1 时，突扩的水流形态接近于逐渐扩大管的流动，因而阻力损失显著减小。
2．结合流动仪演示的水力现象，分析局部阻力损失机理何在？产生突扩与突缩局部阻力损失的主要部位在哪里？怎样减小局部阻力损失？
流动演示仪 I-VII 型可显示突扩、突缩、渐扩、渐缩、分流、合流、阀道、绕流等三十余种内、外流的流动图谱。据此对局部阻力损失的机理分析如下：
从显示的图谱可见，凡流道边界突变处，形成大小不一的旋涡区。旋涡是产生损失的主要根源。由于水质点的无规则运动和激烈的紊动，相互摩擦，便消耗了部分水体的自储能量。另外，当这部分低能流体被主流的高能流体带走时，还须克服剪切流的速度梯度，经质点间的动能交换，达到流速的重新组合，这也损耗了部分能量。这样就造成了局部阻力损失。
从流动仪可见，突扩段的旋涡主要发生在突扩断面以后，而且与扩大系数有关，扩大系数越大，旋涡区也越大，损失也越大，所以产生突扩局部阻力损失的主要部位在突扩断面的后部。而突缩段的旋涡在收缩断面前后均有。突缩前仅在死角区有小旋涡，且强度较小，而突缩的后部产生了紊动度较大的旋涡环区。可见产生突缩水头损失的主要部位是在突缩断面后。
从以上分析知。为了减小局部阻力损失，在设计变断面管道几何边界形状时应流线型化或尽量接近流线型，以避免旋涡的形成，或使旋涡区尽可能小。如欲减小本实验管道的局部阻力，就应减小管径比以降低突扩段的旋涡区域；或把突缩进口的直角改为园角，以消除突缩断面后的旋涡环带，可使突缩局部阻力系数减小到原来的 1/2~1/10。突然收缩实验管道，使用年份长后，实测阻力系数减小，主要原因也在这里。
3．现备有一段长度及联接方式与调节阀（图 8.1）相同，内径与实验管道相同的直管段，如何用两点法测量阀门的局部阻力系数？两点法是测量局部阻力系数的简便有效办法。它只需在被测流段（如阀门）前后的直管段长度大于（20~40）d 的断面处，各布置一个测压点便可。先测出整个被测流段上的总水头损失

，有
所以

☆5．试说明用理论分析法和经验法建立相关物理量间函数关系式的途径。
突扩局部阻力系数公式是由理论分析法得到的。一般在具备理论分析条件时，函数式可直接由理论推演得，但有时条件不够，就要引入某些假定。如在推导突扩局部阻力系数时，假定了“在突扩的环状面积上的动水压强按静水压强规律分布”。引入这个假定的前提是有充分的实验依据，证明这个假定是合理的。理论推导得出的公式，还需通过实验验证其正确性。这是先理论分析后实验验证的一个过程。
经验公式有多种建立方法，突缩的局部阻力系数经验公式是在实验取得了大量数据的基础上，进一步作数学分析得出的。这是先实验后分析归纳的一个过程。但通常的过程应是先理论分析（包括量纲分析等）后实验研究，最后进行分析归纳。

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