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突然擴大和突然縮小阻力測定--流體力學實驗裝置

一、實驗目的
1．觀察突擴管旋渦區測管水頭線，以及其它各種邊界突變情況下的測管水頭變化情況，加深對局部水頭損失的感性認識。
2．掌握測定管道局部水頭損失系數的方法，并將突擴管的實測值與理論值比較，將突縮管的實測值與經驗值比較。
3．學習用測壓管測量壓強和用體積法測流量的實驗技能
二、實驗原理
寫出局部阻力前后兩斷面的能量方程，根據推導條件，扣除沿程水頭損失可得：
1．突然擴大采用三點法計算，下式中

由

按流長比例換算得。
實測

理論

2．突然縮小采用四點法計算，下式中B點為突縮點，

由

換算得出，

由

換算得出。
實測

經驗公式，計算中的速度應取小管徑中的速度值。

當

時，可簡化為

三、實驗裝置
本實驗裝置如圖所示。

局部阻力系數實驗裝置圖

1.自循環供水器；2.實驗臺；3.可控硅無級調速器；4. 恒壓水箱；5. 溢流板；6.穩水孔板；7.突然擴大實驗管段；8.測壓計；9. 滑動測量尺；10. 測壓管；11.突然收縮實驗管段；12.流量調節閥；
實驗管道由小→大→小三種已知管徑的管道組成，共設有六個測壓孔，測孔1—3和2— 5分別測量突擴和突縮的局部阻力系數。其中測孔1位于突擴界面處，用以測量小管出口端壓強值。
四、實驗方法與步驟
1．測記實驗有關常數。
2．打開電源開關，使恒壓水箱充水，排除實驗管道中的滯留氣體。
3．打開出水閥至最大開度，待流量穩定后，測記測壓管讀數，同時用體積法測記流量。
4．改變出水閥開度3~4次，分別測記測壓管讀數及流量。
5．實驗完成。
五、實驗成果及要求

3.擴張段 ζe/ζe 理論=0.2216/0.2601=85.19%
收縮段 ζs/ζs 理論=0.2453/0.2994=83.27%
六、實驗分析與討論
1．結合實驗成果，分析比較突擴與突縮在相應條件下的局部損失大小關系。
實驗結果如下圖：

時，突然擴大的水頭損失比相應突然收縮的要大。在本實驗中 D1/D2=0.7，突擴損失與突縮損失應接近，即 hjs/hje=1，說明實驗結果與理論推到相一致。從而我們也可得到，當 d1 d2 接近于 1 時，突擴的水流形態接近于逐漸擴大管的流動，因而阻力損失顯著減小。
2．結合流動儀演示的水力現象，分析局部阻力損失機理何在？產生突擴與突縮局部阻力損失的主要部位在哪里？怎樣減小局部阻力損失？
流動演示儀 I-VII 型可顯示突擴、突縮、漸擴、漸縮、分流、合流、閥道、繞流等三十余種內、外流的流動圖譜。據此對局部阻力損失的機理分析如下：
從顯示的圖譜可見，凡流道邊界突變處，形成大小不一的旋渦區。旋渦是產生損失的主要根源。由于水質點的無規則運動和激烈的紊動，相互摩擦，便消耗了部分水體的自儲能量。另外，當這部分低能流體被主流的高能流體帶走時，還須克服剪切流的速度梯度，經質點間的動能交換，達到流速的重新組合，這也損耗了部分能量。這樣就造成了局部阻力損失。
從流動儀可見，突擴段的旋渦主要發生在突擴斷面以后，而且與擴大系數有關，擴大系數越大，旋渦區也越大，損失也越大，所以產生突擴局部阻力損失的主要部位在突擴斷面的后部。而突縮段的旋渦在收縮斷面前后均有。突縮前僅在死角區有小旋渦，且強度較小，而突縮的后部產生了紊動度較大的旋渦環區。可見產生突縮水頭損失的主要部位是在突縮斷面后。
從以上分析知。為了減小局部阻力損失，在設計變斷面管道幾何邊界形狀時應流線型化或盡量接近流線型，以避免旋渦的形成，或使旋渦區盡可能小。如欲減小本實驗管道的局部阻力，就應減小管徑比以降低突擴段的旋渦區域；或把突縮進口的直角改為園角，以消除突縮斷面后的旋渦環帶，可使突縮局部阻力系數減小到原來的 1/2~1/10。突然收縮實驗管道，使用年份長后，實測阻力系數減小，主要原因也在這里。
3．現備有一段長度及聯接方式與調節閥（圖 8.1）相同，內徑與實驗管道相同的直管段，如何用兩點法測量閥門的局部阻力系數？兩點法是測量局部阻力系數的簡便有效辦法。它只需在被測流段（如閥門）前后的直管段長度大于（20~40）d 的斷面處，各布置一個測壓點便可。先測出整個被測流段上的總水頭損失

，有
所以

☆5．試說明用理論分析法和經驗法建立相關物理量間函數關系式的途徑。
突擴局部阻力系數公式是由理論分析法得到的。一般在具備理論分析條件時，函數式可直接由理論推演得，但有時條件不夠，就要引入某些假定。如在推導突擴局部阻力系數時，假定了“在突擴的環狀面積上的動水壓強按靜水壓強規律分布”。引入這個假定的前提是有充分的實驗依據，證明這個假定是合理的。理論推導得出的公式，還需通過實驗驗證其正確性。這是先理論分析后實驗驗證的一個過程。
經驗公式有多種建立方法，突縮的局部阻力系數經驗公式是在實驗取得了大量數據的基礎上，進一步作數學分析得出的。這是先實驗后分析歸納的一個過程。但通常的過程應是先理論分析（包括量綱分析等）后實驗研究，最后進行分析歸納。

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