管道内的局部阻力实验报告名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 11 页 - - - - - - - - - 一、实验目的：1. 了解各种局部阻力的形成原因及影响状况。2. 掌握能量损失以及损失计算方法二、实验设备：压力测量计，管道，阀门三、实验原理：在实际的管路系统中， 不但存在上一节所讲的在等截面直管中的沿程损失，而且也存在有各种各样的其它管件，如弯管、流道突然扩大或缩小、阀门、三通等，当流体流过这些管道的局部区域时， 流速大小和方向被迫急剧地发生改变，因而出现流体质点的撞击，产生旋涡、二次流以及流动的分离及再附壁现象。此时由于粘性的作用， 流体质点间发生剧烈的摩擦和动量交换，从名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 11 页 - - - - - - - - - 而阻碍着流体的运动。这种在局部障碍物处产生的损失称为局部损失 ，其阻力称为局部阻力。因此一般的管路系统中，既有沿程损失，又有局部损失。四、 局部损失的产生的原因及计算：一、产生局部损失的原因对于突然扩张的管道， 由于流体从小管道突然进入大管道如图 4.9 （） 所示，而且由于流体惯性的作用，流体质点在突然扩张处不可能马上贴附于壁面，而是在拐角的尖点处离开了壁面，出现了一系列的旋涡。 进一步随着流体流动截面面积的不断的扩张，直到 2 截面处流体充满了整个管截面。在拐角处由于流体微团相互之间的摩擦作用，使得一部分机械能不可逆的转换成热能，在流动过程中，不断地有微团被主流带走，同时也有微团补充到拐角区， 这种流体微团的不断补充和带走，必然产生撞击、摩擦和质量交换，从而消耗一部分机械能。另一方面，进入大管流体的流速必然重新分配，增加了流体的相对运动，并导致流体的进一步的摩擦和撞击。局部损失就发生在旋涡开始到消失的一段距离上。图 4.9 （） 给出了弯曲管道的流动。由于管道弯曲，流线会发生弯曲， 流体在受到向心力的作用下，管壁外侧的压力名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 11 页 - - - - - - - - - 高于内侧的压力。在管壁的外侧，压强先增加而后减小，同时内侧的压强先减小后增加， 这样流体在管内形成螺旋状的交替流动。综上所述， 碰撞和旋涡是产生局部损失的主要原因。当然在 1-2 之间也存在沿程损失，一般来说，局部损失比沿程损失要大得多。 在测量局部损失的实验中，实际上也包括了沿程损失。二、局部损失的计算如前所述，单位重量流体的局部能量损失以表示式中，局部损失（阻力）系数，是一个无量纲的系数，它的大小与局部障碍物的结构形式有关，由实验确定。管中的平均速度（通常指局部损失之后的速度）。局部压强损失为名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 11 页 - - - - - - - - - 式中，流经局部障碍物前后的压强差（或总压差）。1. 突然扩张管道的局部损失计算由于产生局部损失的情况多种多样以及其流动情况的复杂性，所以对于大多数情况局部损失只能通过实验来确定。只有极少数情况下的局部损失可以进行理论计算。对于突然扩大的情况， 可以通过理论推导得到局部损失的计算公式。流体在如图 4.9 （）所示的突然扩张的管道内流动，由于流体的碰撞、惯性和附面层的影响，在拐角区形成了旋涡，引起能量损失。由图可见，流体到 2 截面充满整个管道。取1-1和 2-2 截面以及侧表面为控制体，并设截面1 处的面积为，参数为；截面 2 处的面积为，参数为，则根据柏努力方程，有于是局部损失为对 1-1 和 2-2 截面运用连续方程，即名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 11 页 - - - - - - - - - 对所取得控制面应用动量方程，考虑到 1-1 和 2-2 截面之间的距离比较短， 通常可以不计侧表面上的表面力，于是动量方程可写为将动量方程和连续方程代入的表达式得令，则局部损失可写为（4.35 ）式中，分别表示局部损失（阻力）系数。式（4.35 ）表明，用公式计算局部损失时， 采用的速度可以是损失前的也可以是损失后的，但局部损失系数也不同。由式（4.35 ）及局部损失系数的表达式可以看出， 突然扩大的局部损失系数仅与管道的面积比有关而与雷诺数无关， 实际上根据实验结果可知，在雷诺数不很大时，局部损失系数随着雷诺数的增大而减小，只有当雷诺数足够大 （流动进入阻力平方区） 后， 局部损失系数才与雷诺数无关。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 11 页 - - - - - - - - - 下面给出的几种比较常见的局部损失系数的计算，且一般情况下，局部损失系数均指对应发生损失后的速度给出的。2. 渐扩管流体流过逐渐扩张的管道时，由于管道截面积的逐渐扩大，使得流速沿流向减小，压强增高，且由于粘性的影响，在靠近壁面处，由于流速小，以至于动量不足以克服逆压的倒推作用，因而在靠近壁面处出现倒流现象从而引起旋涡，产生能量损失。 渐扩管的扩散角越大，旋涡产生的能量损失也越大，越小，要达到一定的面积比所需要的管道也越长，因而产生的摩擦损失名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 11 页 - - - - - - - - - 也越大。所以存在着一个最佳的扩散角。在工程中，一般取，其能量损失最小。在左右损失最大。渐扩管的局部损失系数为（4.36 ）3. 突然缩小管道图 4.10 突然缩小的管道名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 11 页 - - - - - - - - - 流体在突然缩小的管道中流动如图 4.10 所示，当管道的截面积突然收缩时， 流体首先在大管的拐角处发生分离，形成分离区， 然后在小管内也形成一个分离区。最后才占据管道的整个截面。 局部损失系数的确定可以根据实验确定。对于不可压缩流动，实验结果为（4.37 ）在特殊情况下，即流体从一个大容器进入管道且进口处具有尖锐的边缘时，局部损失系数为。若将进口处的尖锐边缘改成圆角后，则局部损失系数随着进口的圆滑程度而大大降低， 对于圆形匀滑的边缘；入口极圆滑时。4. 渐缩管为了减小突然缩小的流动损失，通常采用渐缩管。 在渐缩管中， 流线不会脱离壁面， 因此流动阻力主要是沿流程的摩擦引起的。对应于缩小后的流速的局部损失系数为，由此可见，在渐缩管中的流动损失很小。5. 弯管名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 11 页 - - - - - - - - - 图 4.11 流体在弯管内的流动在弯管内的流动由于流体的惯性，流体在流过弯管时内外壁面的压力分布不同而流线发生弯曲，流体受到向心力的作用， 这样，弯管外侧的压强就高于内侧的压强如图 4.11 所示。图中区域内，流体压强升高，点以后，流体的压强渐渐降低。与此同时， 在弯管内侧的区域内， 流体作增速降压的流动，区域内是增压减速流动。 在和这两个区域内，由于流动是减速增压的，会引起流体脱离壁面，形成漩涡区，造成损失。此外，由于粘性的作用，管壁附近的流体速度小，在内外压力差的作用下，会沿管壁从外侧向内侧流动。同时，由于连续性，管中心流体会向外侧壁面流去。从而形成一个双旋涡形状的横向流动，整个流动呈螺旋状。 横向流动的出现， 也会引起流体能量的损失。弯管的局部损失系数可按下列经验公式计算：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 11 页 - - - - - - - - - （4.38a ）系数的计算式为（4.38b ）式中，是弯管中线的曲率半径，为管径。五：实验总结通过观察这个局部阻力损失装置，我们清晰观察到了流量的变化，间接反映出的局部阻力的变化，帮助我们更好地理解局部阻力这一概念。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 11 页 - - - - - - - - -