液流形态与水头损失

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1、韩智明韩智明内容回顾能量方程：能量方程：whgvgpzgvgpz222222221111动量方程：Fvv)(1122Q液体运动的三大方程连续性方程：2211vAvAQ1.1.水头损失产生原因及分类水头损失产生原因及分类2.2.液流型态液流型态( (流态判别与特性流态判别与特性) )3.3.沿程水头损失的变化规律及确定沿程水头损失的变化规律及确定4.4.局部水头损失和绕流阻力局部水头损失和绕流阻力 本章主要内容：本章主要内容：1 1 水头损失的物理概念及其分类水头损失的物理概念及其分类2 2 液流边界几何条件对水头损失的影响液流边界几何条件对水头损失的影响3 3 均匀流沿程水头损失与切应力的关系

2、均匀流沿程水头损失与切应力的关系4 4 液体运动的两种型态液体运动的两种型态 5 5 圆管中的层流运动及其沿程水头损失的计算圆管中的层流运动及其沿程水头损失的计算6 6 紊流的特征紊流的特征7 7 沿程阻力系数的变化规律沿程阻力系数的变化规律8 8 计算沿程水头损失的经验公式谢齐公式计算沿程水头损失的经验公式谢齐公式 9 9 局部水头损失局部水头损失能量损失的能量损失的内因内因： 液流内部存在粘滞性液流内部存在粘滞性能量损失的能量损失的外因外因： 流动要克服边界阻力做功流动要克服边界阻力做功一、能量损失产生的原因一、能量损失产生的原因1 1、水头损失的物理概念及其分类、水头损失的物理概念及其分

3、类边界面无滞水作用边界面无滞水作用1. 概念概念单位重量液体自一断面流至下一断面所损失单位重量液体自一断面流至下一断面所损失的机械能的机械能二、水头损失及其分类二、水头损失及其分类产生水头损失必须产生水头损失必须具备的两个条件具备的两个条件(1)(1)液体具有粘滞性；液体具有粘滞性；-内因内因(2)(2)由于固体边界的影响，液流由于固体边界的影响，液流内部质点之问产生相对运动。内部质点之问产生相对运动。2. 产生条件产生条件 沿程水头损失沿程水头损失h hf f特点：特点： h hf f 与流程长度与流程长度L L，流速，流速v v及及边界特征有关边界特征有关1. 1. 沿程水头损失沿程水头损

4、失(Friction head loss) 在固体边界的形状和尺寸沿程不变时，液在固体边界的形状和尺寸沿程不变时，液流在长直段中的水头损失流在长直段中的水头损失 在产生沿程水头损失的流段中，流向彼此在产生沿程水头损失的流段中，流向彼此平行，主流不脱离边壁，也无漩涡发生。平行，主流不脱离边壁，也无漩涡发生。 一般，在均匀流和渐变流情况下产生的水一般，在均匀流和渐变流情况下产生的水头损失只有沿程损失头损失只有沿程损失2. 2. 局部水头损失局部水头损失(Local head loss) 局部水头损失局部水头损失h hj j特点特点： （a a）一般发生在边界突变处一般发生在边界突变处 （b b）大

5、小与流速和边界突变形式有关大小与流速和边界突变形式有关 当固体边界的形状、尺寸或两者之一沿流当固体边界的形状、尺寸或两者之一沿流程急剧变化时所产生的水头损失，用程急剧变化时所产生的水头损失，用hj表示表示(Local head loss)突然扩大突然缩小闸阀三通汇流管道弯头管道进口分离区分离区分离区分离区分离区分离区分离区分离区分离区分离区分离区分离区分离区分离区3.3.总水头损失总水头损失 hw=hf+hjhf各流段沿程水头损失之和各流段沿程水头损失之和hj各处局部水头损失之和各处局部水头损失之和 某一流段沿程水头损失与局部水头损失的总和某一流段沿程水头损失与局部水头损失的总和4.4.水流阻

6、力水流阻力沿程水头损失沿程水头损失局部水头损失局部水头损失或者液流阻力做功或者液流阻力做功消耗的机械能消耗的机械能原因原因液体质点之间相液体质点之间相互摩擦和碰撞互摩擦和碰撞沿程阻力沿程阻力局部阻力局部阻力产生沿程损失的阻力是内摩擦产生沿程损失的阻力是内摩擦阻力。称之阻力。称之在产生局部损失的地方，由于主在产生局部损失的地方，由于主流和边界的分离和漩涡的存在，流和边界的分离和漩涡的存在，质点间的摩擦和碰撞加剧，因而质点间的摩擦和碰撞加剧，因而引起的能量损失比同样长度而没引起的能量损失比同样长度而没有漩涡时的损失要大得多，称之有漩涡时的损失要大得多，称之 沿程水头损失与局部水头损失的外因不同，沿

7、程水头损失与局部水头损失的外因不同，但本质是一致的。但本质是一致的。2 2、横向边界条件对水头损失的影响、横向边界条件对水头损失的影响横向边界特征横向边界特征水力半径水力半径 R=A/ 一、液流边界横向轮廓的形状和大小一、液流边界横向轮廓的形状和大小可用过水断面的水力要素来表征可用过水断面的水力要素来表征湿周也是过水断面的重要水力要素之一。湿周也是过水断面的重要水力要素之一。湿周愈大，水流阻力及水头损失也愈大。湿周愈大，水流阻力及水头损失也愈大。 -湿周湿周液流过水断面与固体边界接触的周界线液流过水断面与固体边界接触的周界线非常重要的水力要素非常重要的水力要素单位：单位：m或或cm有压圆管：有

8、压圆管：R R= =d d/4/4宽浅（宽浅（B B/ /H H10)10)河渠：河渠：R R 二、液流边界纵向轮廓二、液流边界纵向轮廓均匀流均匀流H H线与线与HpHp线平线平行，且为直行，且为直线线只有沿程水只有沿程水头损失头损失流速水头相流速水头相等等二、液流边界纵向轮廓二、液流边界纵向轮廓非均匀流非均匀流H H线与线与HpHp线互不平行，且为曲线线互不平行，且为曲线非均匀渐变流局部水头损失可以忽略非均匀渐变流局部水头损失可以忽略非均匀急变流时两种水头损失均有非均匀急变流时两种水头损失均有3 3、切应力与沿程损失的关系、切应力与沿程损失的关系 只有沿程水头损失只有沿程水头损失 h hw

9、w=h=hf f （h hj j=0=0） 流速水头相等流速水头相等 总水头线与测压管水头线是相互平行总水头线与测压管水头线是相互平行一、均匀流沿程水头损失特点一、均匀流沿程水头损失特点: :-均匀流基本方程均匀流基本方程二、均匀流基本方程的推导二、均匀流基本方程的推导gAlgpzgpzlzzTGPPlTgAlGApPApP02211212102211)()(sin0sin，受力受力受力平衡受力平衡均匀流流速水头沿程不变，故约去均匀流流速水头沿程不变，故约去fhgpzgpz)()(22110000000)1 (,2R)(/,hyrrrRRJRglhJgRJgAlhff微小流束其中：则有圆管：明

10、渠均匀流：三、均匀流基本方程三、均匀流基本方程沿过水断面切应力成线性变化沿过水断面切应力成线性变化gRJ0208v沿程水力摩擦系数，与液流形态有关沿程水力摩擦系数，与液流形态有关JgRRRRJ任意大小流束的水力半径任意大小流束的水力半径总流的水力半径总流的水力半径水力坡度水力坡度lhJf四、切应力的分布四、切应力的分布RR0过水断面上切应力是按直线分布过水断面上切应力是按直线分布圆管中心的切应力为零圆管中心的切应力为零沿半径方向逐渐增大，管壁处为沿半径方向逐渐增大，管壁处为0圆管圆管 00rr00rr或或 001ryy为任意点距管壁的距离为任意点距管壁的距离二元明渠恒定均匀流二元明渠恒定均匀流

11、任意点y处的切应力0切应力是随切应力是随y呈线性变化呈线性变化在渠底处最大在渠底处最大hy10在水面处最小在水面处最小0五、水头损失的计算公式五、水头损失的计算公式. .沿程水头损失（达西公式）沿程水头损失（达西公式）. .局部水头损失局部水头损失gvRlhf242gvhj22量纲分析内容不要求，故推导简略量纲分析内容不要求，故推导简略4 4、液体运动的两种流态和判别、液体运动的两种流态和判别一、一、 两种流态两种流态: :雷诺实验雷诺实验 1885年年 ReynoldsOsborne Reynolds (1842-1916)层流：液体质点作有条不紊的线状运动，层流：液体质点作有条不紊的线状运