水流形態(tài)與水頭損失

1、 第四章第四章 水流型態(tài)與水頭損失水流型態(tài)與水頭損失水力學(xué)水力學(xué)水力學(xué)水力學(xué)本章的學(xué)習(xí)重點(diǎn)本章的學(xué)習(xí)重點(diǎn)1.1.兩種流態(tài)的特點(diǎn)、判別方法、雷諾數(shù)的物兩種流態(tài)的特點(diǎn)、判別方法、雷諾數(shù)的物理意義。理意義。2.2.沿程水頭損失系數(shù)的變化規(guī)律與計(jì)算。沿程水頭損失系數(shù)的變化規(guī)律與計(jì)算。3.3.達(dá)西公式。達(dá)西公式。4. 4. 局部水頭損失計(jì)算。局部水頭損失計(jì)算。5.5.局部水頭損失計(jì)算。局部水頭損失計(jì)算。水力學(xué)水力學(xué) 1.1.水流阻力是由于液體的粘滯性作用和水流阻力是由于液體的粘滯性作用和固體邊界的影響，使液體與固體之間、液體固體邊界的影響，使液體與固體之間、液體內(nèi)部有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的各液層之間存在的摩擦阻內(nèi)部

2、有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的各液層之間存在的摩擦阻力的合力，水流阻力必然與水流的運(yùn)動(dòng)方向力的合力，水流阻力必然與水流的運(yùn)動(dòng)方向相反。相反。 2.2.水流在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中克服水流阻力而消水流在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中克服水流阻力而消耗的能量稱為水頭損失。其中邊界對(duì)水流的耗的能量稱為水頭損失。其中邊界對(duì)水流的阻力是產(chǎn)生水頭損失的外因，液體的粘滯性阻力是產(chǎn)生水頭損失的外因，液體的粘滯性是產(chǎn)生水頭損失的內(nèi)因，也是主要原因。是產(chǎn)生水頭損失的內(nèi)因，也是主要原因。 一一. . 水頭損失產(chǎn)生的原因水頭損失產(chǎn)生的原因3.3.水頭損失的概念：水頭損失的概念： 總流單位重量液體的平均機(jī)械能損失總流單位重量液體的平均機(jī)械能損失 二二. . 水頭損失的

3、類型水頭損失的類型 根據(jù)邊界條件的不同，可以把水頭根據(jù)邊界條件的不同，可以把水頭損失分為兩類：損失分為兩類：1.1.沿程水頭損失沿程水頭損失 ：對(duì)于平順的邊界，：對(duì)于平順的邊界，水頭損失與流程成正比；水頭損失與流程成正比；fh水力學(xué)水力學(xué)2.2.局部水頭損失局部水頭損失 ：由于局部邊界急劇改：由于局部邊界急劇改變，導(dǎo)致水流結(jié)構(gòu)改變、流速分布調(diào)整并變，導(dǎo)致水流結(jié)構(gòu)改變、流速分布調(diào)整并產(chǎn)生旋渦區(qū)，從而引起的水頭損失產(chǎn)生旋渦區(qū)，從而引起的水頭損失 3.3.特征：特征：（1 1）沿程水頭損失：均勻分布在流段與流沿程水頭損失：均勻分布在流段與流段長(zhǎng)度成正比。段長(zhǎng)度成正比。（2 2）局部水頭損失：僅存在于

4、局部區(qū)域與）局部水頭損失：僅存在于局部區(qū)域與邊界變化程度（形狀）有關(guān)。邊界變化程度（形狀）有關(guān)。jh 4.4.對(duì)于在某個(gè)流程上運(yùn)動(dòng)的液體，它的總水頭損失對(duì)于在某個(gè)流程上運(yùn)動(dòng)的液體，它的總水頭損失h hw w遵循疊加原理即遵循疊加原理即 5.5.為了反映過(guò)流斷面面積和濕周對(duì)水流阻力和水頭為了反映過(guò)流斷面面積和濕周對(duì)水流阻力和水頭損失的綜合影響，我們引入水力半徑的概念，即損失的綜合影響，我們引入水力半徑的概念，即水力半徑是水力學(xué)中應(yīng)用廣泛的重要的水力要素。水力半徑是水力學(xué)中應(yīng)用廣泛的重要的水力要素。 水力學(xué)水力學(xué)wfjhhh AR圖圖2-局部水頭損失局部水頭損失水力學(xué)水力學(xué)圖圖1-水頭損失水頭損失

5、三三. .均勻流沿程水頭損失的基本公式均勻流沿程水頭損失的基本公式達(dá)西公式達(dá)西公式水力學(xué)水力學(xué)1.1.均勻流中只存在沿程水頭損失，它有兩個(gè)特點(diǎn)：均勻流中只存在沿程水頭損失，它有兩個(gè)特點(diǎn)：一是所消耗的能量全部由勢(shì)能轉(zhuǎn)化來(lái)的，二是每一是所消耗的能量全部由勢(shì)能轉(zhuǎn)化來(lái)的，二是每單位長(zhǎng)度上的水頭損失單位長(zhǎng)度上的水頭損失J J（也稱為水力坡度（也稱為水力坡度J J= =h hf f/ /l l）是沿程不變的。是沿程不變的。2.2.均勻流的切應(yīng)力分布規(guī)律：均勻流的切應(yīng)力分布規(guī)律： 液體內(nèi)部切應(yīng)力液體內(nèi)部切應(yīng)力 = =RRJ J 邊界上切應(yīng)力邊界上切應(yīng)力 0 0= =RJRJ 式當(dāng)式當(dāng)、J J為定值，切應(yīng)力與

6、為定值，切應(yīng)力與R R成正比，成正比，也就是說(shuō)邊界上的切應(yīng)力為最大。也就是說(shuō)邊界上的切應(yīng)力為最大。管壁處的切應(yīng)力為管壁處的切應(yīng)力為 20g3.3.均勻流沿程水頭損失的計(jì)算基本公式為達(dá)西均勻流沿程水頭損失的計(jì)算基本公式為達(dá)西公式公式242flhRg畢業(yè)答辯畢業(yè)答辯水力學(xué)水力學(xué)對(duì)于圓管對(duì)于圓管 ，則，則4dR 22flhdg上式建立了沿程水頭損失上式建立了沿程水頭損失h hf f與流速、流段長(zhǎng)、與流速、流段長(zhǎng)、邊界幾何特征邊界幾何特征R R和沿程阻力系數(shù)和沿程阻力系數(shù)之間的關(guān)之間的關(guān)系。系。是計(jì)算沿程水頭損失重要的參數(shù)。沿是計(jì)算沿程水頭損失重要的參數(shù)。沿程水頭損失系數(shù)程水頭損失系數(shù)與液體的流動(dòng)型態(tài)

7、和邊界與液體的流動(dòng)型態(tài)和邊界的粗糙程度密切相關(guān)。的粗糙程度密切相關(guān)。水力學(xué)水力學(xué) 五五. .液體流動(dòng)的兩種型態(tài)和流態(tài)的判別液體流動(dòng)的兩種型態(tài)和流態(tài)的判別1.雷諾實(shí)驗(yàn)雷諾實(shí)驗(yàn) 18831883年英國(guó)科學(xué)家雷諾，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)液體年英國(guó)科學(xué)家雷諾，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)液體在流動(dòng)中存在兩種內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全不同的流態(tài)：在流動(dòng)中存在兩種內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全不同的流態(tài)：層流和紊流。層流和紊流。（1 1）層流）層流 當(dāng)流速較小時(shí)，各流層質(zhì)點(diǎn)互不混雜，當(dāng)流速較小時(shí)，各流層質(zhì)點(diǎn)互不混雜，這種型態(tài)的流動(dòng)叫這種型態(tài)的流動(dòng)叫層流層流。水力學(xué)水力學(xué)（2 2）紊流）紊流 當(dāng)流速較大時(shí)，各流層質(zhì)點(diǎn)形成渦體當(dāng)流速較大時(shí)，各流層質(zhì)點(diǎn)形成渦體互相混摻

8、，這種型態(tài)的流動(dòng)叫做互相混摻，這種型態(tài)的流動(dòng)叫做紊流紊流。水力學(xué)水力學(xué)2.水流流動(dòng)型態(tài)的判水流流動(dòng)型態(tài)的判別別雷諾數(shù)雷諾數(shù)ReRe作為判據(jù)作為判據(jù)的的 同時(shí)發(fā)現(xiàn)，層流的沿程水頭損失同時(shí)發(fā)現(xiàn)，層流的沿程水頭損失h hf f與流速一與流速一次方成正比，紊流的次方成正比，紊流的h hf f與流速的與流速的1.751.752.02.0次方次方成正比；在層流與紊流之間存在過(guò)渡區(qū)，成正比；在層流與紊流之間存在過(guò)渡區(qū)，h hf f與與流速的變化規(guī)律不明確。流速的變化規(guī)律不明確。對(duì)于明渠水流對(duì)于明渠水流ReRv 明渠水流臨界雷諾數(shù)明渠水流臨界雷諾數(shù)ReRek k=500=500。當(dāng)。當(dāng)ReRe500500為為

9、層流，層流， ReRe500500為紊流。為紊流。對(duì)于圓管水流對(duì)于圓管水流Redv 圓管水流臨界雷諾數(shù)圓管水流臨界雷諾數(shù)ReRek k=2000=2000。當(dāng)。當(dāng)ReRe20002000為層流，為層流， ReRe20002000為紊流。為紊流。3.雷諾雷諾 數(shù)的實(shí)質(zhì)數(shù)的實(shí)質(zhì) 從力學(xué)的角度看，雷諾數(shù)就是慣性力作從力學(xué)的角度看，雷諾數(shù)就是慣性力作用與粘滯力作用的對(duì)比關(guān)系。用與粘滯力作用的對(duì)比關(guān)系。當(dāng)當(dāng)ReRe較小時(shí)，較小時(shí)，水力學(xué)水力學(xué)說(shuō)明粘滯力占主導(dǎo)，液體為層流；反之則為紊說(shuō)明粘滯力占主導(dǎo)，液體為層流；反之則為紊流。流。例題例題1 1管道直徑管道直徑 d d = 10 mm= 10 mm，通過(guò)流

10、量，通過(guò)流量 Q Q = 20 = 20 cm3/scm3/s，運(yùn)動(dòng)粘度，運(yùn)動(dòng)粘度 = 0.0101cm2/s = 0.0101cm2/s。問(wèn)管中水。問(wèn)管中水流流態(tài)屬層流還是紊流？若將直徑改為流流態(tài)屬層流還是紊流？若將直徑改為 d = d = 30 30 mmmm，水溫、流量不變，問(wèn)管中水流屬何種流態(tài)？，水溫、流量不變，問(wèn)管中水流屬何種流態(tài)？ 解：解：（1）2025.480.785 1 1QcmsA 水力學(xué)水力學(xué)紊流200025230101. 0148.25dRescmAQ83. 23785. 0202層流200059.8400101. 0383. 2dRe（2）當(dāng)直徑改為）當(dāng)直徑改為30mm

11、時(shí)時(shí)水力學(xué)水力學(xué) 五五. 圓管層流運(yùn)動(dòng)和沿程水頭損失圓管層流運(yùn)動(dòng)和沿程水頭損失 圓管層流運(yùn)動(dòng)可以應(yīng)用牛頓內(nèi)摩擦定律表達(dá)圓管層流運(yùn)動(dòng)可以應(yīng)用牛頓內(nèi)摩擦定律表達(dá)式和均勻流內(nèi)切應(yīng)力表達(dá)式，通過(guò)積分求出過(guò)式和均勻流內(nèi)切應(yīng)力表達(dá)式，通過(guò)積分求出過(guò)水?dāng)嗝嫔系牧魉俜植紴閽佄镄头植?。水?dāng)嗝嫔系牧魉俜植紴閽佄镄头植肌?204rrJu最大流速在管軸線處最大流速在管軸線處204maxrJu斷面平均流速斷面平均流速max21232208udJrJ沿程水頭損失沿程水頭損失232dlfh沿程阻力系數(shù)沿程阻力系數(shù)Re64水力學(xué)水力學(xué)水力學(xué)水力學(xué) 六六. 沿程水頭損失系數(shù)的變化規(guī)律沿程水頭損失系數(shù)的變化規(guī)律 尼庫(kù)拉茲為探討紊

12、流沿程阻力的計(jì)算公式，尼庫(kù)拉茲為探討紊流沿程阻力的計(jì)算公式，用不同粒徑的人工砂粘貼在不同直徑的管道的用不同粒徑的人工砂粘貼在不同直徑的管道的內(nèi)壁上，用不同的流速進(jìn)行一系列試驗(yàn)。內(nèi)壁上，用不同的流速進(jìn)行一系列試驗(yàn)。尼古尼古拉茲通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)沿程阻力系數(shù)拉茲通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)沿程阻力系數(shù)在層在層流和紊流三個(gè)不同流區(qū)內(nèi)的變化規(guī)律，從而為流和紊流三個(gè)不同流區(qū)內(nèi)的變化規(guī)律，從而為確定確定值，進(jìn)而計(jì)算紊流各流區(qū)的沿程水頭損值，進(jìn)而計(jì)算紊流各流區(qū)的沿程水頭損失失h hf f提供了可應(yīng)用的方法。提供了可應(yīng)用的方法。1.1.層流狀態(tài)時(shí)，圓管的層流狀態(tài)時(shí)，圓管的 與理論公式相一與理論公式相一致，說(shuō)明層流的致，

13、說(shuō)明層流的僅是僅是ReRe的函數(shù)，而且水頭的函數(shù)，而且水頭64Re水力學(xué)水力學(xué)圖圖3-尼古拉茲沿程阻力系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系曲線尼古拉茲沿程阻力系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系曲線損失損失h hf f與流速與流速v v的一次方成正比，與雷諾實(shí)的一次方成正比，與雷諾實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相一致。驗(yàn)的結(jié)果相一致。2.2.當(dāng)當(dāng)20002000ReRe40004000時(shí)，過(guò)渡區(qū)時(shí)，過(guò)渡區(qū)僅與僅與ReRe有關(guān)，而與相對(duì)光滑度無(wú)關(guān)。有關(guān)，而與相對(duì)光滑度無(wú)關(guān)。 3.3.紊流狀態(tài)：紊流狀態(tài)：（1 1）紊流光滑區(qū)紊流光滑區(qū)：類似于層流，：類似于層流，只與只與ReRe有關(guān)而與相對(duì)粗糙度有關(guān)而與相對(duì)粗糙度/r/r0 0無(wú)關(guān)，無(wú)關(guān)， 。75. 1fh

14、水力學(xué)水力學(xué) （2 2）紊流粗糙區(qū)：）紊流粗糙區(qū)：與與ReRe無(wú)關(guān)，只與相對(duì)粗糙無(wú)關(guān)，只與相對(duì)粗糙度度/r/r0 0有關(guān)有關(guān) ， ，所以紊流粗糙又稱為阻，所以紊流粗糙又稱為阻力平方區(qū)。力平方區(qū)。 2 0fh.（3 3）紊流過(guò)渡區(qū)）紊流過(guò)渡區(qū) ：既與既與ReRe有關(guān)，也與有關(guān)，也與有有關(guān)，關(guān)， 。 0275. 1。fh七七. . 沿程水頭損失經(jīng)驗(yàn)公式沿程水頭損失經(jīng)驗(yàn)公式謝才公式謝才公式C RJ水力學(xué)水力學(xué) C是反映邊界對(duì)液體運(yùn)動(dòng)影響的綜合系數(shù)，稱為舍齊系數(shù)，單位：m1/2/s 。2222842flg lhJLC RCRgCnR11 6/曼寧公式曼寧公式謝才公式適用紊流阻力平方區(qū)。水力學(xué)水力學(xué)七七

15、. . 局部水頭損失的計(jì)算局部水頭損失的計(jì)算1.局部水頭損失產(chǎn)生的原因局部水頭損失產(chǎn)生的原因 局部水頭損失產(chǎn)生于邊界發(fā)生明顯改變的地局部水頭損失產(chǎn)生于邊界發(fā)生明顯改變的地方，使水流形態(tài)發(fā)生了很大的變化。其特點(diǎn)為能方，使水流形態(tài)發(fā)生了很大的變化。其特點(diǎn)為能耗大、能耗集中而且主要為旋渦紊動(dòng)損失。耗大、能耗集中而且主要為旋渦紊動(dòng)損失。 2.局部水頭損失計(jì)算公式局部水頭損失計(jì)算公式22hjg突然擴(kuò)大突然縮小閘閥三通匯流管道彎頭管道進(jìn)口分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)水力學(xué)水力學(xué) 局部水頭損失的計(jì)算在于正確選擇局部水局部水頭損失的計(jì)算在于正確選擇局部水

16、頭損失系數(shù)頭損失系數(shù)，但注意對(duì)應(yīng)的流速水頭。，但注意對(duì)應(yīng)的流速水頭。 例題例題2 2 測(cè)定測(cè)定9090彎管局部水頭損失系數(shù)的彎管局部水頭損失系數(shù)的試驗(yàn)裝置如圖示。已知試驗(yàn)裝置如圖示。已知ABAB段段 長(zhǎng)長(zhǎng)10 m 10 m ，管徑，管徑d d0.05m0.05m，彎管曲率半徑，彎管曲率半徑R Rd d，管段沿程水，管段沿程水力摩擦系數(shù)力摩擦系數(shù)0.02640.0264，實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)ABAB管段兩端測(cè)管段兩端測(cè)壓管水頭差壓管水頭差h h0.63m0.63m，100100秒鐘流入量水秒鐘流入量水箱的水體積為箱的水體積為0.28m0.28m3 3，試求彎管內(nèi)的流速、，試求彎管內(nèi)的流速、沿程水頭損失和局

17、部水頭損失系數(shù)。沿程水頭損失和局部水頭損失系數(shù)。 水力學(xué)水力學(xué)解：（解：（1 1）先求彎管內(nèi)的流速：）先求彎管內(nèi)的流速： 水h AB20.280.0510041.43QVAtAm s水力學(xué)水力學(xué)（2 2）再求沿程水頭損失，由達(dá)西公式得：）再求沿程水頭損失，由達(dá)西公式得：mgdlhf55. 08 . 9243. 105. 0100264. 0222（3）最后求局部水頭損失系數(shù)：）最后求局部水頭損失系數(shù)： mhhhhjfw63.0mhhhfj08. 055. 063. 0水力學(xué)水力學(xué)22jhg2222 9.8 0.080.771.43jgh因?yàn)橐驗(yàn)樗运岳}例題3 3 如圖所示，水從如圖所示，水

18、從A A池流入池流入B B池，管池，管道長(zhǎng)道長(zhǎng)L=25mL=25m，管徑，管徑d=2.5cmd=2.5cm，管道的沿程水頭，管道的沿程水頭損失系數(shù)損失系數(shù)=0.03=0.03，當(dāng)兩水池的水位差，當(dāng)兩水池的水位差H=2mH=2m， 管道的流量是多少？管道內(nèi)的糙率管道的流量是多少？管道內(nèi)的糙率n是是多少？多少？ 9010.5)aaRd彎管（），閘板式閘門（解：解：“三選三選”如圖所示。列如圖所示。列AAAA和和BBBB斷面斷面的能量方程，的能量方程， 0.50.82.061.0進(jìn)出彎閥，wBBBAAAhgpzgpz22222222225(0.030.50.82.06)0.252LHdggg 2231211662 6.362.4820.785 0.25 2.48 0.1288 9.851.120.03110.25()0.012351.12 4msgQ Am sgCm snRC則 流 量 為本章小結(jié)本章小結(jié) 1 1產(chǎn)生水頭損失的原因有兩個(gè)方面：產(chǎn)生水頭損失的原因有兩個(gè)方面：一是水流邊界的幾何條件，叫外因；二是一是水流邊界的幾何條件，叫外因；二是水流自身具有黏滯性，叫