沿程水頭損失實驗

1、沿程水頭損失實驗前言：確定沿程水頭損失，首先得弄清沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律。1933年尼古拉茲采用不同粒徑的人工粗砂粘于管道內(nèi)壁模擬粗糙的方法進(jìn)行了一系列管道實驗，得出了管道沿程阻力系數(shù)變化的一般規(guī)律。（1）雷諾數(shù)Re<2000 時，水流為層流，與Re呈倒數(shù)關(guān)系，且=64/Re.（2）2000<Re<4000 時，層流向紊流過渡，Re 為的主要影響因素.（3）Re>4000 時，水流處于紊流狀態(tài)：（a）當(dāng)Re較小時，由于粘性底層較厚，從而掩蓋了圓管內(nèi)壁粗糙度，流動處于紊流光滑區(qū)，只與Re 有關(guān)，即=f（Re）；（b）當(dāng)Re 很大時，管壁糙面凸起完全深入管內(nèi)紊流流核，沿程阻

2、力主要受水流流經(jīng)管壁糙面凸起時形成的小旋渦影響，流動處于紊流粗糙區(qū)， 由相對粗糙度/R（R為水力半徑，下同）決定，=f（/ d）；（c）當(dāng)Re 介于紊流光滑區(qū)與粗糙區(qū)之間時， 由Re 和/d 共同決定，流動處于紊流過渡粗糙區(qū)，=f（/d，Re）。1937 年泰科斯達(dá)在人工加糙明渠中進(jìn)行了沿程阻力實驗，得出了與尼古拉茲實驗相似的論，說明管流和明渠流具有相同的變化規(guī)律.為滿足工程實際應(yīng)用的需要，人們通過實驗總結(jié)出許多經(jīng)驗或半經(jīng)驗公式 如適用于紊流光滑區(qū)的布拉修斯公式，適用于過渡粗糙區(qū)的柯懷公式，適用于紊流光滑區(qū)的尼古拉茲經(jīng)驗公式，莫迪圖經(jīng)驗公式，本實驗采用莫迪圖經(jīng)驗公式進(jìn)行對比分析。摘要：本次實驗

3、內(nèi)容有，測量沿程阻力系數(shù)，通過與莫迪圖對比分析其合理性，提高實驗成果分析能力；繪制曲線，加深了解圓管層流和紊流的沿程損失隨平均流速變化的規(guī)律。實驗原理由達(dá)西公式 得 其中hf為水頭損失，為沿程阻力系數(shù)，L為管道長度、d為管道內(nèi)徑，V為平均流速，另由能量方程對水平等直徑圓管可得 h為測壓管的液面高差實驗裝置實驗方法與步驟準(zhǔn)備 對照裝置圖和說明，搞清各組成部件的名稱、作用及其工作原理；記錄有關(guān)實驗常數(shù)：工作管內(nèi)徑和實驗管長。準(zhǔn)備 啟動水泵。先打開出水閥門，再打開進(jìn)水閥門，再慢慢減小出水閥門開度；等穩(wěn)壓筒中的水適當(dāng)時，關(guān)閉穩(wěn)壓筒的排氣口。準(zhǔn)備 調(diào)通量測系統(tǒng)。1.檢查測壓管管內(nèi)空氣是否排盡。2.實驗裝

4、置通水排氣后，即可進(jìn)行實驗測量。在進(jìn)水閥、出水閥全開的前提下，逐次減小出水閥開度，若有水從測壓管中溢出，則適當(dāng)減小進(jìn)水閥開度，每次調(diào)節(jié)流量時，均需穩(wěn)定23分鐘，流量愈小，穩(wěn)定時間愈長；測流時間不小于810秒；測流量的同時，需測記水壓差、溫度計（溫度表應(yīng)掛在水箱中）等讀數(shù)：層流段：應(yīng)在水壓計（夏季）（冬季）量程范圍內(nèi)，測記35組數(shù)據(jù)。紊流段：每次增量可按遞加，直至測出最大的值。3結(jié)束實驗。實驗數(shù)據(jù)：1有關(guān)常數(shù)。 實驗裝置臺號 4 圓管直徑d=1.4cm， 量測段長度水溫t=30 水的線性系數(shù) u=8.05e-3c m2/s 常數(shù)K= 7.65e-9m5/s2V(cm3)t(s)Qv(cm3)v(

5、m/s)Reh1(cm)h2(cm)hf(cm) 理論1200085.123.500.15250046.0345.450.570.07960.04712200045.044.440.29472845.0543.731.330.05130.03843200039.051.260.33545267.0365.401.630.04730.03684200037.753.110.34564967.6065.921.690.04570.03645200033.160.480.39643355.3053.052.250.04710.03506600044.6134.530.871431022.8015.1

6、57.650.03230.02817600035.0171.671.121826152.6041.6011.000.02860.02638600027.3219.781.432337856.5539.9016.650.02640.02489600025.3237.151.542522657.4537.9019.550.02660.02433繪圖分析* 繪制lglghf曲線，并確定指數(shù)關(guān)系值的大小。通過擬合可得m=1.5495<1.75,處于光滑管流區(qū)。（層流，光滑管流區(qū)，粗糙管紊流區(qū)，紊流過渡區(qū)）六、實驗分析與討論1.考慮誤差源的影響，計算出每種流量的的誤差限。指出最應(yīng)該注意的測量物理量

7、是哪些。 經(jīng)計算，各誤差源引起的絕對誤差限和相對誤差限如下：絕對誤差限：相對誤差限： 從圖中可以看出，隨著流量的增加，誤差限逐漸減小，在所有誤差源中，應(yīng)特別注意水流體積（即水箱高度y）和測壓管高度h的測量，尤其在流速較小的層流段，測壓管帶來的誤差非常明顯，可能使實驗得不到正確的結(jié)果。2.為什么壓差計的水柱差就是沿程水頭損失？實驗管道安裝成向下傾斜，是否影響實驗成果？現(xiàn)以傾斜等徑管道上裝設(shè)的水銀多管壓差計為例（圖7. 3）說明（圖中AA為水平線）：如圖示00為基準(zhǔn)面，以11和22為計算斷面，設(shè)定，由能量方程可得   由00壓強(qiáng)相等，P1=P0-H1=13.6(h1-

8、H1)P2=P0-H2=13.6(h2-H2)所以，hf=(H1+P1)-(H2+P2)=13.6(h1-H1+H1)-13.6(h2-H2+H2)=13.6(h2-h1)表明水銀壓差計的壓差值即為沿程水頭損失，且和傾角無關(guān)。3.據(jù)實測m值判別本實驗的流區(qū)。（）曲線的斜率m =1.56，即與成正比，表明流動為層流m = 1. 0、紊流光滑區(qū)和紊流過渡區(qū)（未達(dá)阻力平方區(qū)）。4.實際工程中鋼管中的流動，大多為光滑紊流或紊流過渡區(qū)，而水電站泄洪洞的流動，大多為紊流阻力平方區(qū)，其原因何在？鋼管的當(dāng)量粗糙度一般為0. 2mm，常溫（）下，經(jīng)濟(jì)流速300cm/s，若實用管徑D =（20100）cm，其，相

9、應(yīng)的 = 0. 00020. 001，由莫迪圖知，流動均處在過渡區(qū)。若需達(dá)到阻力平方區(qū)，那么相應(yīng)的，流速應(yīng)達(dá)到（59）m/s。這樣高速的有壓管流在實際工程中非常少見。而泄洪洞的當(dāng)量粗糙度可達(dá)（19）mm，洞徑一般為（23）m，過流速往往在（）m/s以上，其大于，故一般均處于阻力平方區(qū)。5.管道的當(dāng)量粗糙度如何測得？當(dāng)量粗糙度的測量可用實驗的同樣方法測定及的值，然后用下式求解：（1）考爾布魯克公式       （1）迪圖即是本式的圖解。（2）S·J公式       （2）（3）Barr公式       （3）（3）式精度最高。在反求時，（2）式開方應(yīng)取負(fù)號。也可直接由關(guān)系在莫迪圖上查得，進(jìn)而得出當(dāng)量粗糙度值。6.本次實驗結(jié)果與莫迪圖吻合與否？試分析其原因通常試驗點(diǎn)所繪得的曲線處于光滑管區(qū)，本報告所列的試驗值，也是如此。但是，有的實驗結(jié)果相應(yīng)點(diǎn)落到了莫迪圖中光滑管區(qū)的右下方。對此必須認(rèn)真分析。如果由于誤差所致，那么據(jù)下式分析    d和Q的影響最大，Q有2%誤差時，就有4%的誤差，而d有2%誤差時，可產(chǎn)生10%的誤