10.2 实验原理

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，即局部阻力系数，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，可以认为系数ζ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，或用水头损失前和水头损失后断面的平均流速，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。图10.1为一水流突然扩大的实验管段，在发生局部水头损失前后取断面1—1和断面2—2（两个断面应属渐变流）写能量方程得

式中：（z₁+p₁/γ）-（z₂+p₂/γ）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（图10.1）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

图10.1 局部水头损失分析简图

由连续方程A₁v₁=A₂v₂，解出v₁或v₂代入式（10.3）可分别得

或

式中，A₁、A₂分别为断面1—1和断面2—2的过水断面面积；ζ_扩大1、ζ_扩大2分别为突然扩大的局部阻力系数。由式（10.4）和式（10.5）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。

对于断面突然缩小的情况，目前尚没有理论公式，对于A₂/A₁<0.1的情况，有下面的经验公式：

对于断面突然缩小的其他面积比，其阻力系数可由表10.1查算，或者用经验公式（10.7）计算。