第八节 局部水头损失量测实验

一、实验目的和要求

（1）观察管径突然扩大时漩涡区测压管水面线的变化情况，以及其他各种边界突变情况下的测压管水头线变化情况。

（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。

二、实验原理

（1）水流在流动过程中，由于水流边界条件或过水断面的改变，引起水流内部各质点的流速、压强也都发生变化，并且产生漩涡。在这一过程中，水流质点间相对运动加强，水流内部摩擦阻力所做的功增加，水流在流动调整过程中消耗能量所损失的水头称为局部水头损失。

局部水头损失的一般表达式为

式中：h_j 为局部水头损失；ζ为局部水头损失系数，它是流动形态与边界形状的函数，即ζ=f（边界形状，Re），当水流的雷诺数Re足够大时，可以认为ζ系数不再随Re而变化，可视作为一常数；v为断面平均流速，一般用发生局部水头损失以后的断面平均流速，也有用损失断面前的平均流速，所以在计算或查表时要注意区分。

局部水头损失可以通过能量方程进行分析。如图2-8-1所示，为一水流突然扩大的实验管段，在发生局部水头损失前后断面1-1和断面2-2，两个断面应属渐变流，写能量方程得：

图2-8-1 突扩圆管断面

式中：为断面1-1和断面2-2的测压管水头差；v₁、v₂分别为断面1-1和断面2-2的平均流速。

管道局部水头损失目前仅有断面突然扩大可利用动量方程、能量方程和连续方程进行理论分析，并可得出足够精确的结果，其他情况尚需通过实验方法测定局部阻力系数。对于管道突然扩大，理论公式为

式中：A₁、A₂分别为断面1-1和断面2-2的过水面积，可以看出，突然扩大的局部水头损失可以用损失前的流速水头或者用损失后的流速水头表示，但两种表示方法其阻力系数是不一样的，在应用中要注意应用条件。

（2）对于断面突然缩小的圆管情况，如图2-8-2所示，断面1-1和断面2-2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没有理论公式。

图2-8-2 突缩圆管断面

对于的情况，有下面的经验公式：

三、实验设备

实验装置如图2-8-3所示，在自循环恒定管道上串联突扩管、突缩管、90°缓弯管、180°缓弯管、90°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。

四、实验步骤

（1）启动水泵，打开进水开关，使水箱充水，并保持溢流状态，使水位恒定。

图2-8-3 局部水头损失实验仪

（2）检查下游阀门全关时，各个测压管水面是否处于同一水平面上，否则需进行排气调平。

（3）核对设备编号，确认断面管径等数据。

（4）开启下游阀门，待水流稳定后，观察测压管水头的变化，正确选择量测断面，进行数据的量测，并记录到数据记录表的相应位置。

（5）改变阀门开度，待水流稳定后，重复上述步骤。本实验要求做三个流量。

（6）流量用体积法测量。现设备配备了计算机数字采集系统，可在计算机上直接读出每次的流量Q和局部水头损失h_j。

五、实验数据记录

仪器编号：____

有关常数：管道变化前管径d₁=____cm，管道变化后管径d₂=____cm，量水箱面积A=____cm²

六、实验数据处理及结果

七、注意事项

（1）实验必须在水流稳定后方可进行。

（2）计算局部水头损失系数ζ时，应注意选择相应的速度水头，所选量测断面应选在渐变流断面上，尤其下游断面应选在漩涡区的末端，即主流恢复并充满全管断面上。

八、思考题

（1）在该实验中，通过理论公式计算出的突扩管局部水头损失与通过实验得到的实测值是否有差别？若有差别，试分析该差别由哪些因素导致。

（2）如何通过测压管的水面变化寻找突扩管下游的渐变流断面？为什么如此寻找？

（3）如果没有忽略管段的沿程水头损失，则通过实验所测得的局部水头损失系数ζ值与实际值相比，偏大还是偏小？

（4）若管径相同、流量相同，突扩管和突缩管的局部水头损失是否相同？为什么？

九、讨论分析题

（1）局部水头损失是否与流态有关，即是否与雷诺数有关？为什么一般情况下给定的局部水头损失系数为常数？

（2）在测定突缩管和突扩管的局部水头损失系数时，上下游两断面应如何选取？二者有何区别？为什么突扩管的局部水头损失有理论值而突缩管却没有？

（3）在该实验中，测得的突扩管局部水头损失结果与突缩管相比，哪个损失大？

（4）通过实验数据比较90°缓弯管、90°急弯管和180°缓弯管的局部水头损失大小。