第1章 水力學基礎知識

1、1.1 液體的主要物理力學性質(zhì) 1.2 水靜力學 1.3 水動力學 1.4 水流型態(tài)與水頭損失 本章主要講述液體的主要物理力學性質(zhì)，靜水壓強的分布規(guī)律，液流連續(xù)方程及水頭損失計算的相關知識。 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材第1章 水力學基礎知識1.1.1 液體的密度和容重液體的密度和容重1.1.2 液體的粘滯性液體的粘滯性 1.1.3 液體的壓縮性液體的壓縮性1.1.4 液體的熱脹性液體的熱脹性 1.1.5 液體的表面張力特性液體的表面張力特性主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材1.1 液體的主要物理力學性質(zhì)液體的主要物

2、理力學性質(zhì) 自然界中的物質(zhì)根據(jù)其存在形態(tài)可分為固體、液體和氣體三種。固體具有固定的形狀，在外力的作用下不容易變形；液體和氣體統(tǒng)稱為流體，流體容易流動和變形。液體和氣體的主要區(qū)別在于，液體在外力的作用下不易被壓縮，而氣體在外力的作用下則容易被壓縮。 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材1.1 液體的主要物理力學性質(zhì)液體的主要物理力學性質(zhì) 1液體的密度 對于均質(zhì)液體，其單位體積的質(zhì)量稱為密度，即 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材式中 m液體的質(zhì)量（g）； v液體的體積(cm3)； p液體的密度(gcm3)。Vm （1-1）1.

3、1.1 液體的密度和容重液體的密度和容重 2液體的重量和容重 地球上的物體都會受到地心引力作用，這種地球?qū)ξ矬w的引力就稱為重量(或重力)。對于質(zhì)量為m的液體，其重量為 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材式中G液體的重量(N)； g重力加速度,本教材為簡化計算取980ms2。mgG （12）1.1.1 液體的密度和容重液體的密度和容重 式中 r液體的容重(Nm3)。 由式(1-2)和式(1-3)，可得容重與密度的關系： 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材 對于均質(zhì)液體，單位體積的重量稱為容重，則容重VG（1-3）必須說明的是

4、液體的體積隨著溫度和壓強的變化而變化，故其容重與密度也將隨之而發(fā)生變化，但變化很小。通常將水的容重和密度視為常數(shù)，在溫度為40C、壓強為一個大氣壓的條件下，為簡化計算，一般采用水的容重為9.80kNm3，密度為1000kgm3。g（1-4）1.1.1 液體的密度和容重液體的密度和容重 液體在運動狀態(tài)下，流層間存在著相對運動，從而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，故運動狀態(tài)下的液體具有抵抗剪切變形的能力。運動狀態(tài)下的液體具有抵抗剪切變形能力的特性，稱為液體的粘滯性。粘滯性只有在流層間存在相對運動時才顯示出來，靜止液體是不顯示粘滯性的，靜止狀態(tài)下的液體是不能承受切力來抵抗剪切變形的。 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目

5、錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材1.1.2 液體的粘滯性液體的粘滯性 1液體的壓縮性 液體不能承受拉力，只能承受壓力，液體受壓時體積壓縮變形，當壓力除去后又恢復原狀，液體的這種性質(zhì)稱為液體的壓縮性。 2. 液體的體積壓縮系數(shù) 液體壓縮性的大小可用體積壓縮系數(shù)來表示。由于液體的體積總是隨壓強的增大而減小的,故壓縮系數(shù)值愈小愈不易壓縮。主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材1.1.3 液體的壓縮性液體的壓縮性 液體溫度升高體積膨脹的性質(zhì)稱為液體的熱脹性。液體的熱脹性很小，在很多工程技術領域中液體的熱脹性忽略不計。在建筑設備工程中，管中輸液除水擊和熱水水循環(huán)系統(tǒng)

6、外，一般計算均不考慮液體的熱脹性。 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材1.1.4 液體的熱脹性液體的熱脹性 由于液體表層分子之間的相互吸引的存在，使得液體表面薄層內(nèi)能夠承受微小拉力的特性，稱為表面張力特性。表面張力不僅存在于液體的自由表面上，也存在于不相混合的兩層液體之間的接觸面上。表面張力很小，通常情況下可以忽略不計，僅當液體的表面曲率很大時才需考慮。主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材1.1.5 液體的表面張力特性液體的表面張力特性1.2.1 靜水壓強及其特性靜水壓強及其特性 1.2.2 靜水壓強的基本方程靜水壓強的基本

7、方程 1.2.3 絕對壓強、相對壓強、真空壓強絕對壓強、相對壓強、真空壓強 1.2.4 壓強的單位表示法壓強的單位表示法1.2.5 靜水壓強分布圖靜水壓強分布圖 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材1.2 水靜力學 水靜力學是研究靜止的水所表現(xiàn)的力學特性的。 本節(jié)主要研究靜水壓強的特性及其基本規(guī)律，靜止是相對的，通常如果液體相對其貯存設備及液體與液體之間沒有相對運動，我們就稱其為靜止液體。 液體的靜止狀態(tài)有兩種：一是液體相對地球處于靜止狀態(tài)，液體與液體之間沒有相對運動,如蓄水池中的水；二是指液體對地球有相對運動，但液體與貯存設備之間沒有相對運動,如作勻速運動的

8、油罐車中的油。由于靜止狀態(tài)液體質(zhì)點間無相對運動，粘滯性表現(xiàn)不出來，故而內(nèi)摩擦力為零，表面力只有壓力。主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材1.2 水靜力學 1. 靜水壓強 靜止液體對與其約束邊界的壁面有壓力作用，如蓄水池中的水對池壁及池底都有水壓力的作用。 我們把靜止的液體作用在其約束邊界表面上的壓力稱為靜水壓力。 如圖1-1所示的蓄水池池壁上，圍繞K點取微小面積A，作用在A上的靜水壓力為P，則A面上單位面積所受的平均靜水壓力就稱為該面積上的平均靜水壓強。主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材圖1-1 靜水壓強計算示意圖1.2.1

9、 靜水壓強及其特性靜水壓強及其特性 靜水壓力的單位為牛頓(N)，靜水壓強的單位為牛頓米2(Nm2)。Nm2又稱帕斯卡(Pa)。 2. 靜水壓強的特性 靜水壓強有兩個重要特性 1)靜水壓強的方向與受壓面垂直并指向受壓面。 2)靜水中任何一點上各個方向的靜水壓強大小均相等，或者說其大小與作用面的方位無關。 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材1.2.1 靜水壓強及其特性靜水壓強及其特性 靜水壓強基本方程式表明：僅有重力作用下的靜水中任一點的靜水壓強，等于水面壓強加上液體的容重與該點水深的乘積。 如果水面是自由水面時，計算邊界所受水壓力時，邊界內(nèi)、外大氣壓相抵消，如

10、略除此項不計，則式（1-7）可簡寫為：主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材 水深為h處的靜水壓強的基本方程hpp0（1-7）靜水中任一點的壓強與該點在水下淹沒的深度成線性關系。hp（1-8）1.2.2 靜水壓強的基本方程靜水壓強的基本方程 地球表面大氣所產(chǎn)生的壓強稱為大氣壓強，試驗測定一個標準大氣壓為1013kNm2，在工程中進行水力學計算時，為計算方便一般用工程大氣壓，其值為98kNm2，以Pa表示。 計算壓強時因計算基準的不同，壓強可分為絕對壓強與相對壓強。 1. 絕對壓強 以沒有空氣的絕對真空為零基準計算面的壓強稱絕對壓強。 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返

11、回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材1.2.3 絕對壓強、相對壓強、真空壓強絕對壓強、相對壓強、真空壓強 2. 相對壓強 以大氣壓作為零基準計算出的壓強，稱為相對壓強。也就是說，在水力計算中不計入大氣壓。若不加特殊說明，靜水壓強即指相對壓強。 對同一點壓強，用絕對壓強計算和用相對壓強計算雖然其計算結(jié)果數(shù)值不同，但卻表示的是同一個壓強，壓強本身的大小并沒有發(fā)生變化，只是計算的零基準發(fā)生了變化。主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材1.2.3 絕對壓強、相對壓強、真空壓強絕對壓強、相對壓強、真空壓強 3. 真空壓強 絕對壓強為零的狀態(tài)稱為絕對真空。當某點的絕對

12、壓強小于當?shù)卮髿鈮簭姇r就認為該點產(chǎn)生了真空，真空值的大小用真空壓強表示，真空壓強為大氣壓強與該點的絕對壓強的差值。 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材圖1-3 絕對壓強、相對壓強和真空值之間的關系1.2.3 絕對壓強、相對壓強、真空壓強絕對壓強、相對壓強、真空壓強 1. 以應力單位表示。壓強用單位面積上受力的大小來表示稱為應力單位表示法，這是壓強的基本表示方法。單位為Nm2,又稱帕斯卡(Pa)。 2以工程大氣壓表示。工程上常用工程大氣壓表示壓強，1個工程大氣壓=98kPa，相當于10m水柱底部產(chǎn)生的壓強，水力學中凡不加說明都是指工程大氣壓。 3. 以水柱高表

13、示。工程中，點的靜水壓強往往用相對壓強表示。主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材1.2.4 壓強的單位表示法壓強的單位表示法 由于建筑物都處在大氣中，各個方向的大氣壓互相抵消，計算中只涉及相對壓強，所以只需畫出相對壓強分布圖。由靜水壓強方程可知，壓強與水深呈線性函數(shù)關系，把受壓面上壓強與水深的這種函數(shù)關系用圖形來表示，稱為靜水壓強分布圖。其繪制原則是： 1)用有向線段長度代表該點靜水壓強的大小。 2)用箭頭方向表示靜水壓強的作用方向，作用方向垂直指向受壓面。 因壓強與水深為一次方關系，故在水深方向靜水壓強系直線分布，只要給出兩個點的壓強即可確定此直線。主要內(nèi)容

14、主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材1.2.5 靜水壓強分布圖靜水壓強分布圖 工程中常見的幾種情況，如圖1-4所示。矩形受壓面的靜水壓強分布圖，因其放置位置不同，有直角三角形、直角梯形、矩形三種基本圖形。當受壓面上邊緣恰在水面，下邊緣在水面以下時，不論受壓面是垂直安放還是傾斜安放，其壓強分布圖均為三角形；當受壓面上、下邊緣都在水面以下，上邊緣高于下邊緣時，其分布圖為梯形；當受壓面在水中水平放置時，其壓強分布圖為矩形。其它復雜圖形都是上述三種圖形的組合。主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材1.2.5 靜水壓強分布圖靜水壓強分布圖 返回目

15、錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材a)、b)直角三角形分布 c) 直角三角形和直角梯形分布 d) 矩形分布圖1-4 工程中常見的幾種靜水壓強分布情況1.2.5 靜水壓強分布圖靜水壓強分布圖 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材 例3 如圖1-5，繪制矩形閘門AB平面的靜水壓強分布圖。 解：選A和B兩點；求A點和B點靜水壓強的大?。划嫾龡U，A點箭桿長度為0，B點箭桿垂直指向上AB面，長度為rH；連箭尾，連接AB兩點箭桿尾端；標數(shù)字，標注B點箭桿所表示的壓強數(shù)據(jù)rH；在圖形內(nèi)部畫若干箭桿表示各點壓強的分布。 圖1-5 矩形閘門靜水壓強分布圖 1.2.5 靜水壓強分布圖靜

16、水壓強分布圖1.3.1 水動力學的基本概念水動力學的基本概念 1.3.2 恒定液流連續(xù)性方程恒定液流連續(xù)性方程 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材1.3 水動力學水動力學 1. 跡線與流線 液體是由無數(shù)質(zhì)點構(gòu)成的連續(xù)介質(zhì)。要想研究液體運動規(guī)律，首先要了解描述液體的運動的方法。水力學中描述水流運動有兩種方法，即跡線法和流線法。 （1）跡線法 跡線是指液體質(zhì)點在運動過程中不同時刻所經(jīng)過的空間位置的連線，亦是液體質(zhì)點運動的軌跡。用跡線法描述液體運動，是研究個別液體質(zhì)點在不同時刻的運動情況。這種方法概念清晰，簡單易懂。但它只適用于研究液體質(zhì)點作某些有規(guī)則的運動；從實

17、用上講，大多數(shù)情況下并不需要知道各質(zhì)點運動的來龍去脈，而僅需了解某一固定區(qū)域的流動狀況，所以這種方法在水力學中一般不大采用，而普遍采用較為簡便實用的流線法。主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材1.3.1 水動力學的基本概念水動力學的基本概念 （2）流線法 流線法是把充滿液體質(zhì)點的空間作為研究對象，不再跟蹤每個質(zhì)點，而是考察分析水流中的水質(zhì)點在通過固定空間點時的速度、壓強的變化情況，來獲得整個液體運動的規(guī)律。由于流線法是以流動的空間作為研究對象，所以通常把液體流動所占據(jù)的空間稱為流場。 在液體運動的流場內(nèi)繪出一條曲線，該曲線上任一點的切線方向都是某一時刻液流質(zhì)點

18、的速度方向，此曲線就稱為該液流的流線。流線一定是光滑的曲線，流場中同一瞬時可繪出無數(shù)條流線。用流線法描述液體運動，要考察同一時刻液體質(zhì)點在不同空間點的運動情況。 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材1.3.1 水動力學的基本概念水動力學的基本概念 根據(jù)流線的概念，可知流線有以下特征： 1)流線上所有各質(zhì)點的切線方向就代表了該點的流動方向。 2)一般情況下，流線既不能相交，也不能是折線，而只能是一條連續(xù)光滑的曲線。這是因為如果有兩條流線相交，則在交點處，流速就會有兩個方向；如果流線為折線，則在轉(zhuǎn)折點處，同樣將出現(xiàn)有兩個流動方向的矛盾現(xiàn)象，所以流線只能是一條光滑曲

19、線。主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材1.3.1 水動力學的基本概念水動力學的基本概念 3)流線上的液體質(zhì)點只能沿著流線運動。這是因為水質(zhì)點的流速是與流線相切的,在流線上不可能有垂直于流線的速度分量，所以液體質(zhì)點不可能有橫越流線的流動。 某一瞬時，在運動液體的整個空間繪出的一系列流線所構(gòu)成的圖形，稱為流線圖。流線圖不僅能夠反映空間點上液體質(zhì)點的流速方向，對于不可壓縮液體，流線圖的疏密程度還能反映該時刻流場中各點的速度大小。流線愈密集的地方流速愈大，流線愈稀疏的地方，流速愈小，它的形狀受到固體邊界形狀、離邊界遠近等因素的影響。如圖1-6、1-7所示。主要內(nèi)容主

20、要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材1.3.1 水動力學的基本概念水動力學的基本概念 圖1-6 流線 圖1-7 流線圖主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材1.3.1 水動力學的基本概念水動力學的基本概念 2. 過水斷面、流量和流速 (1)過水斷面 與流線正交的液流橫斷面，稱為過水斷面。用A表示，其單位為m2。過水斷面可為平面，也可為曲面。在流線相互平行時，過水斷面為平面；否則過水斷面則為曲面。如圖1-8所示。 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材圖1-8 過水斷面示意圖1.3.1 水動力學的基本概念水動

21、力學的基本概念 (2)流量 單位時間內(nèi)通過某一過水斷面的液體體積，稱為流量。用表示，其單位為m3/s或L/s。 (3)斷面平均流速 過水斷面上各點的流速一般并不定相同，且斷面流速分布不易確定，為使研究方便，實際工程中常常采用斷面平均流速。 流量與過水斷面的比值稱為斷面平均流速。其單位為m/s。 過水斷面、流量和流速之間的關系為：總流的流量Q等于斷面平均流速v與過水斷面面積A的乘積。 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材1.3.1 水動力學的基本概念水動力學的基本概念 3. 水流運動的類型 (1)恒定流與非恒定流 根據(jù)液流的運動要素是否隨時間變化，可將液流分為恒

22、定流與非恒定流。液體運動時，若任何空間點上所有的運動要素（如流速的大小、方向）都不隨時間而改變，這種水流稱為恒定流。如圖1-9所示，在水箱側(cè)壁上開有孔口，當箱內(nèi)水面保持不變(即H為常數(shù))時，孔口泄流的形狀、尺寸及運動要素均不隨時間而變，這就是恒定流。主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材1.3.1 水動力學的基本概念水動力學的基本概念 液體運動時，若任何空間點上有一運動要素隨時間發(fā)生了變化，這種水流稱為非恒定流。由于恒定流時運動要素不隨時間而改變，則流線形狀也不隨時間而變化，此時，流線與跡線重合，這種水流運動的分析比較簡單，本節(jié)后續(xù)內(nèi)容只研究恒定流。 (2)均勻

23、流與非均勻流 在恒定流中，根據(jù)液流的運動要素是否沿程變化，將液流分為均勻流與非均勻流。 若同一流線上液體質(zhì)點流速的大小和方向均沿程均不變化，此液流稱為均勻流。如液體在直徑不變的長直管中的流動，或在斷面形狀、尺寸沿程不變的長直渠道中的流動，都是均勻流。主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材1.3.1 水動力學的基本概念水動力學的基本概念 在均勻流中，沿同一根流線的流速分布是均勻的，所以流線是一組互相平行的直線，此時過水斷面為平面。 當液流流線上各質(zhì)點的運動要素沿程發(fā)生變化，流線不是彼此平行的直線時，此液流稱為非均勻流。液體在收縮管、擴散管或彎管中的流動，以及液體在

24、斷面形狀、尺寸改變的渠道中的流動，均為非均勻流。主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材圖1-9 恒定流 圖1-10 非恒定流 1.3.1 水動力學的基本概念水動力學的基本概念 (3)漸變流與急變流 在非均勻流中，根據(jù)流線的不平行程度和彎曲程度，可將其分為漸變流與急變流。漸變流是指流線接近于平行直線的流動，如圖1-11所示。此時，各流線的曲率很小(即曲率半徑較大)，流線間的夾角也很小，它的極限情況就是流線為平行直線的均勻流。由于漸變流中流線近似平行，故可認為漸變流過水斷面近似為平面。急變流是指流線的曲率較大，流線之間的夾角也較大的流動。此時，流線已不再是一組平行的

25、直線，因此過水斷面為曲面。管道轉(zhuǎn)彎、斷面擴大或收縮使水面發(fā)生急劇變化處的水流，均為急變流。主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材1.3.1 水動力學的基本概念水動力學的基本概念圖1-11 漸變流與急變流 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材1.3.1 水動力學的基本概念水動力學的基本概念 (4)有壓流、無壓流 根據(jù)液流在流動過程中有無自由表面，可將其分為有壓流與無壓流。液體沿流程整個周界都與固體壁面接觸，而無自由液面的流動稱為有壓流。它主要是依靠壓力作用而流動，如自來水管和有壓涵管中的水流，均為有壓流。 若液體沿流程一部分周界與

26、固體壁面接觸，另一部分與空氣接觸，具有自由液面的液流稱為無壓流。它主要是依靠重力作用而流動，因無壓流液面與大氣相通，故又可稱為重力流，如河渠中的水流和無壓涵管中的水流，均為無壓流。 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材1.3.1 水動力學的基本概念水動力學的基本概念 液體作為不可壓縮的連續(xù)介質(zhì)與其它運動物質(zhì)運動一樣，也必須遵循質(zhì)量守恒定律。恒定流連續(xù)性方程，實質(zhì)上就是質(zhì)量守恒定律在水流運動中的具體體現(xiàn)。在恒定流中任取一段微小流束作為研究對象，如圖1-12所示，考慮到： 1)在恒定流條件下，微小流束的形狀與位置不隨時間而改變。 2)液體一般可視為不可壓縮的連續(xù)介

27、質(zhì)，其密度為常數(shù)。 3)液體質(zhì)點不可能從微小流束的側(cè)壁流人或流出。 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材1.3.2 恒定液流連續(xù)性方程恒定液流連續(xù)性方程 恒定流連續(xù)性方程。式中的與分別表示過水斷面及的斷面平均流速。連續(xù)性方程表明： 1)對于不可壓縮的恒定總流，流量沿程不變。 2)如果斷面沿流程變化，則任意兩個過水斷面的平均流速的大小與過水斷面面積成反比。斷面大的地方流速小，斷面小的地方流速大。上述連續(xù)性方程是在流量沿程不變的條件下建立的，若沿程有流量匯人或分出，則連續(xù)性方程在形式上需作相應的變化。 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級

28、規(guī)劃教材1.3.2 恒定液流連續(xù)性方程恒定液流連續(xù)性方程1.4.1 水流的流態(tài)水流的流態(tài) 1.4.2 水頭損失水頭損失 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材1.4 水流型態(tài)與水頭損失水流型態(tài)與水頭損失 試驗表明，在管中流動的水流，當其流速不同時，水流具有兩種不同的流動型態(tài)。當流速較小時，各流層的水流質(zhì)點是有條不紊、互不混摻地分層流動，水流的這種流動型態(tài)稱為層流。當水流中的流速較大時，各流層中的水流質(zhì)點已形成旋渦，在流動中互相混摻，這種流動型態(tài)的水流為紊流。 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材1.4.1 水流的流態(tài)水流的流態(tài)

29、水流型態(tài)的判別: 為了鑒別層流與紊流這兩種水流型態(tài)，把兩類水流型態(tài)轉(zhuǎn)換時的流速稱為臨界流速。其中，層流變紊流時的臨界流速較大，稱上臨界流速，由紊流變層流時的臨界流速較小，稱下臨界流速。當流速大于上臨界流速時，水流為紊流狀態(tài)。當流速小于下臨界流速時，水流為層流狀態(tài)。當流速介于上下兩臨界流速之間時，水流可能為紊流，也可能為層流，根據(jù)管道的初始條件和受擾動的程度確定。主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材1.4.1 水流的流態(tài)水流的流態(tài) 液體流動型態(tài)的轉(zhuǎn)變，取決于液體流速和管徑d的乘積與液體運動粘滯性系數(shù)的比值，稱為雷諾數(shù)。 同一形狀的邊界中流動的各種液體，流動型態(tài)轉(zhuǎn)

30、變時的雷諾數(shù)是一個常數(shù)，稱為臨界雷諾數(shù)。紊流變層流時的雷諾數(shù)稱為下臨界雷諾數(shù)。層流變紊流的雷諾數(shù)稱為上臨界雷諾數(shù)。下臨界雷諾數(shù)比較穩(wěn)定，而上臨界雷諾數(shù)的數(shù)值極不穩(wěn)定。實踐中，只根據(jù)下臨界雷諾數(shù)判別流態(tài)。把下臨界雷諾數(shù)稱為臨界雷諾數(shù)。實際判別液體流態(tài)時，當液流的雷諾數(shù)小于臨界雷諾數(shù)時，為層流；當液流的雷諾數(shù) 大于臨界雷諾數(shù)時，則為紊流。雷諾數(shù)是判別流動型態(tài)的判別數(shù)，對于同一邊界形狀的流動，在不同液體、不同溫度及不同邊界尺寸的情況下，臨界雷諾數(shù)是一個常數(shù)。不同邊界形狀下流動的臨界雷諾數(shù)大小不同。 試驗測得圓管中臨界雷諾數(shù)=20003000，常取2320為判別值。主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普

31、通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材1.4.1 水流的流態(tài)水流的流態(tài) 在明槽流動中，由于槽身形狀有差異，臨界雷諾數(shù)=300-600，常取580為判別值。 在建筑設備工程中所遇到的流動絕大多數(shù)屬于紊流，即使流速和管徑皆較小的生活供水，管流通常也是紊流。層流是很少發(fā)生的，只有在流速很小，管徑很大或粘滯性很大的流體運動時（如地下滲流、油管等）才可能發(fā)生層流運動。主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材1.4.1 水流的流態(tài)水流的流態(tài) 1水頭損失產(chǎn)生的原因和水頭損失的類型 由于實際液體具有粘滯性，因此在流動過程中在有相對運動的相鄰流層間就會產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，耗損一部分液流的機械

32、能，造成水頭損失。 在固體邊界順直的情況下，水流的邊界形狀和尺寸沿水流方向不變或基本不變，水流的流線便是平行的直線，或者近似為平行的直線，其水流屬于均勻流或漸變流，在此情況下產(chǎn)生的水頭損失沿程都存在，并隨流程的長度而增加，這種為克服沿程阻力而引起單位重量水體在運動過程中的能量損失，稱為沿程水頭損失，如輸水管道、隧洞和河渠中的均勻流及漸變流流段內(nèi)的水頭損失，就是沿程水頭損失。 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 返回目錄返回目錄普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材1.4.2 水頭損失水頭損失 在邊界形狀和大小沿流程發(fā)生改變的流段，水流的流線發(fā)生彎曲,由于水流的慣性作用，水流在邊界突變處會產(chǎn)生與邊界的分離,并且水流與邊界之間形成旋渦區(qū)，故在水流邊界突變處的水流屬于急變流，如圖1-16所示。 在急變流段內(nèi)，由于水流的擴散和旋渦的形成，使水流在此段內(nèi)形成了比內(nèi)摩擦阻