..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壁模擬粗糙的方法進展了一系列管道實驗，得出了管道沿程阻力系數(shù)變化的一般規(guī)律?！?〕雷諾數(shù)Re<2000時，水流為層流，與Re呈倒數(shù)關系，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Re較小時，由于粘性底層較厚，從而掩蓋了圓管壁粗糙度，流動處于紊流光滑區(qū)，只與Re有關，即λ=f〔Re〕；〔b〕當Re很大時，管壁糙面凸起完全深入管紊流流核，沿程阻力主要受水流流經(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)，λ由相對粗糙度Δ/R〔R為水力半徑，下同〕決定，λ=f〔Δ/d〕；〔c〕當Re介于紊流光滑區(qū)與粗糙區(qū)之間時，λ由Re和Δ/d共同決定，流動處于紊流過渡粗糙區(qū)，λ=f〔Δ/d，Re〕。1937年泰科斯達在人工加糙明渠中進展了沿程阻力實驗，得出了與尼古拉茲實驗相似的論，說明管流和明渠流具有一樣的變化規(guī)律.為滿足工程實際應用的需要，人們通過實驗總結出許多經(jīng)歷或半經(jīng)歷公式λ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)歷公式，莫迪圖經(jīng)歷公式，本實驗采用莫迪圖經(jīng)歷公式進展比照分析。摘要：本次實驗容有，測量沿程阻力系數(shù)，通過與莫迪圖比照分析其合理性，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備Ⅰ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；記錄有關實驗常數(shù)：工作管徑和實驗管長。準備Ⅱ啟動水泵。先翻開出水閥門，再翻開進水閥門，再慢慢減小出水閥門開度；等穩(wěn)壓筒中的水適當時，關閉穩(wěn)壓筒的排氣口。準備Ⅲ調(diào)通量測系統(tǒng)。1.檢查測壓管管空氣是否排盡。2.實驗裝置通水排氣后，即可進展實驗測量。在進水閥、出水閥全開的前提下，逐次減小出水閥開度，假設有水從測壓管中溢出，那么適當減小進水閥開度，每次調(diào)節(jié)流量時，均需穩(wěn)定2—3分鐘，流量愈小，穩(wěn)定時間愈長；測流時間不小于8~10秒；測流量的同時，需測記水壓差、溫度計〔溫度表應掛在水箱中〕等讀數(shù)：層流段：應在水壓計〔夏季〕[〔冬季〕]量程圍，測記3~5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．完畢實驗。實驗數(shù)據(jù)：1．有關常數(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-3cm2/s常數(shù)K=7.65e-9m5/s2V(cm3)t(s)Qv(cm3)v(m/s)Reh1(cm)h2(cm)hf(cm)λλ理論1200085.123.500.15250046.0345.450.570.07960.04712200045.044.440.29472845.0543.731.330.05130.03843200039.051.260.33545267.0365.401.630.04730.03684200037.753.110.34564967.6065.921.690.04570.03645200033.160.480.39643355.3053.052.250.04710.03506600044.6134.530.871431022.8015.157.650.03230.02817600035.0171.671.121826152.6041.6011.000.02860.02638600027.3219.781.432337856.5539.9016.650.02640.02489600025.3237.151.542522657.4537.9019.550.02660.02433．繪圖分析*繪制lg~lghf曲線，并確定指數(shù)關系值的大小。通過擬合可得m=1.5495<1.75,處于光滑管流區(qū)?！矊恿?，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。指出最應該注意的測量物理量是哪些。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的水銀多管壓差計為例〔圖7.3〕說明〔圖中A—A為水平線〕：如圖示0—0為基準面，以1—1和2—2為計算斷面，，設定，由能量方程可得由0—0壓強相等，P1=P0-H1=13.6(h1-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)說明水銀壓差計的壓差值即為沿程水頭損失，且和傾角無關。3.據(jù)實測m值判別本實驗的流區(qū)?！病城€的斜率m=1.56，即與成正比，說明流動為層流m=1.0、紊流光滑區(qū)和紊流過渡區(qū)〔未達阻力平方區(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？鋼管的當量粗糙度一般為0.2mm，常溫〔〕下，經(jīng)濟流速300cm/s，假設實用管徑D=〔20～100〕cm，其，相應的=0.0002～0.001，由莫迪圖知，流動均處在過渡區(qū)。假設需到達阻力平方區(qū)，那么相應的，流速應到達〔5～9〕m/s。這樣高速的有壓管流在實際工程中非常少見。而泄洪洞的當量粗糙度可達〔1～9〕mm，洞徑一般為〔2～3〕m，過流速往往在〔５～１０〕m/s以上，其大于，故一般均處于阻力平方區(qū)。5.管道的當量粗糙度如何測得？當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?！?〕S·J公式〔2〕〔3〕Barr公式〔3〕〔3〕式精度最高。在反求時，〔2〕式開方應取負號。也可直接由關系在莫迪圖上查得，進而得出當量粗糙度值。6.本次實驗結果與莫迪圖吻合與否？試分析其原因通常試驗點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，有的實驗結果相應點落到了莫迪圖中光滑管區(qū)的右下方。對此必須認真分析。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%的誤差。Q的誤差可經(jīng)