流動阻力和水頭損失

能源與機(jī)械工程系水力學(xué)C第4章流動阻力和水頭損失12/25/2022

水力學(xué)

給排水工程

【教學(xué)重點(diǎn)】1．實(shí)際流體的兩種流動型態(tài)的判別

；2．均勻流的基本方程；3．圓管層流與紊流的流速分布；4．沿程阻力系數(shù)及沿程水頭損失的計(jì)算;5.局部水頭損失的計(jì)算。沿程損失與局部損失的特征，當(dāng)量粗糙度、當(dāng)量直徑的概念，紊流沿程阻力系數(shù)的計(jì)算12/25/2022

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給排水工程第一節(jié)水頭損失的概念及分類一、水流阻力與水頭損失1.水頭損失產(chǎn)生的原因：

1）液體具有粘滯性；（內(nèi)因）2）由于固體邊界的影響，液流內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間產(chǎn)生相對運(yùn)動。（外因）

流速分布切應(yīng)力分布uτy12/25/2022

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給排水工程液體經(jīng)過時(shí)的局部損失包括五段：進(jìn)口、突然放大、突然縮小、彎管和閘門。進(jìn)口突然放大突然縮小彎管閘門12/25/2022

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給排水工程2、水頭損失的分類沿程損失hf沿程都有并隨沿程長度而增加的能量損失，稱作沿程水頭損失，常用hf表示。hf1hf2hf3hf412/25/2022

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給排水工程流動急劇調(diào)整產(chǎn)生的流動阻力為局部阻力；局部損失總的水頭損失為：進(jìn)口突然放大突然縮小彎管閘門12/25/2022

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給排水工程1.

沿程水頭損失

2.

局部水頭損失或或！關(guān)鍵是各種流動條件下無因次系數(shù)和的計(jì)算。二、能量損失的計(jì)算公式12/25/2022

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給排水工程

大量的實(shí)踐表明，沿程損失的規(guī)律與流體運(yùn)動狀態(tài)密切相關(guān)，雷諾（Reynolds）通過大量實(shí)驗(yàn)研究后，發(fā)現(xiàn)實(shí)際流體運(yùn)動存在著兩種不同的狀態(tài)，即層流（laminarflow）和紊（湍）流（Turbulentflow）兩種流動類型。兩種流動類型中沿程損失規(guī)律大不相同。下面來介紹雷諾是如何發(fā)現(xiàn)流體運(yùn)動的這兩種流態(tài)的。第二節(jié)雷諾實(shí)驗(yàn)層流與紊流12/25/2022

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給排水工程一、層流與紊流(LaminarandTurbulentflow)各液層之間毫不相混，這種分層有規(guī)律的流動－層流12/25/2022

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給排水工程運(yùn)動軌跡極不規(guī)則，各部分流體劇烈摻混－紊（湍）流12/25/2022

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給排水工程OABD：：流流速速由由小小到到大大。。EDCAO：：流流速速由由大大到到小小。。二、、與與V之之間間的的關(guān)關(guān)系系12/19/2022水力力學(xué)學(xué)給排排水水工工程程（1））在OA段段，，，，。。（2））在在DE段段，，，，（3)在AD段段，，流流動動狀狀態(tài)態(tài)不不穩(wěn)穩(wěn)定定，，為為過過渡渡區(qū)區(qū)。。12/19/2022水力力學(xué)學(xué)給排排水水工工程程12/19/2022流體體力力學(xué)學(xué)設(shè)備備和和熱熱動動雷諾諾數(shù)數(shù)：：臨界界雷雷諾諾數(shù)數(shù)：：對于于圓圓管管：：三.流流態(tài)態(tài)的的判判別別—雷諾諾數(shù)數(shù)(Reynoldsnumber)12/19/2022水力力學(xué)學(xué)給排排水水工工程程＝Re>Rek＝500紊流明渠渠bhm12/19/2022水力力學(xué)學(xué)給排排水水工工程程【例例4-1】】已已知：：，，，求：：（1））判判別別流流態(tài)態(tài);（2））求求臨臨界界速速度度解：：（1））（（紊紊流流））（2））＝＝＞＞12/19/2022水力力學(xué)學(xué)給排排水水工工程程12/19/2022流體體力力學(xué)學(xué)設(shè)備備和和熱熱動動四、、紊紊流流的的成成因因12/19/2022水力力學(xué)學(xué)給排排水水工工程程層流流受受擾擾動動后后，，當(dāng)當(dāng)粘粘性性的的穩(wěn)穩(wěn)定定作作用用起起主主導(dǎo)導(dǎo)作作用用時(shí)時(shí)，，擾擾動動就就受受到到粘粘性性的的阻阻滯滯而而衰衰減減下下來來，，層層流流就就是是穩(wěn)穩(wěn)定定的的。。當(dāng)當(dāng)擾擾動動占占上上風(fēng)風(fēng)時(shí)時(shí)，，粘粘性性的的穩(wěn)穩(wěn)定定作作用用無無法法克克服服使使擾擾動動衰衰減減下下來來，，于于是是擾擾動動便便變變?yōu)闉槲晌闪髁鳌！Ｒ蛞虼舜?，，流流動動呈呈現(xiàn)現(xiàn)何何流流動動狀狀態(tài)態(tài)，，取取決決于于擾動動的的慣慣性性作作用用和粘性性的的穩(wěn)穩(wěn)定定作作用用相互互斗斗爭爭的的結(jié)結(jié)果果。。Hinze：：紊紊流流是是一一個(gè)個(gè)相相當(dāng)當(dāng)熟熟悉悉的的概概念念，，但但至至今今仍仍不不能能給給出出一一個(gè)個(gè)很很好好的的定定義義，，使使其其能能評評價(jià)價(jià)其其特特征征。。楊本本洛洛:對對一一個(gè)個(gè)以以不不規(guī)規(guī)則則作作為為必必要要條條件件寫寫出出的的現(xiàn)現(xiàn)象象，，試試圖圖尋尋找找它它的的規(guī)規(guī)則則的的研研究究是是永永遠(yuǎn)遠(yuǎn)不不會會成成功功的的。。為什什么么雷雷諾諾數(shù)數(shù)可可以以作作為為判判別別流流態(tài)態(tài)的的一一般般準(zhǔn)準(zhǔn)則則?12/19/2022水力力學(xué)學(xué)給排排水水工工程程雷諾諾數(shù)數(shù)反反映映了了慣慣性性力力和和粘粘滯滯力力的的對對比比關(guān)關(guān)系系。。12/19/2022水力力學(xué)學(xué)給排排水水工工程程軸向向力力的的平平衡衡：：第四四節(jié)節(jié)圓圓管管中中的的層層流流運(yùn)運(yùn)動動一、、均均勻勻流流動動方方程程式式圖3.1812/19/2022水力力學(xué)學(xué)給排排水水工工程程—稱為水力坡度表明明圓圓管管均均勻勻流流中中，，切切應(yīng)應(yīng)力力與與半半徑徑成成正正比比，，在在斷斷面面上上按按直直線線規(guī)規(guī)律律分分布布，，軸軸線線上上為為零零，，在在管管壁壁上上達(dá)達(dá)最最大大值值。。12/19/2022水力力學(xué)學(xué)給排排水水工工程程1、、速速度度剖剖面面顯然然，，斷斷面面流流速速分分布布是是以以管管中中心心線線為為軸軸的的旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)拋拋物物面面。。邊界條件：r=r0，u=0。二、、斷斷面面流流速速分分布布特特征征12/19/2022水力力學(xué)學(xué)給排排水水工工程程2、、斷斷面面最最大大速速度度(管管軸軸上上)3、、平平均均流流速速4、、沿沿程程損損失失及及沿沿程程阻阻力力系系數(shù)數(shù)12/19/2022水力力學(xué)學(xué)給排排水水工工程程5、動動能能修修正正系系數(shù)數(shù)及及動動量量修修正正系系數(shù)數(shù)6、、動動量量修修正正系系數(shù)數(shù)12/19/2022水力力學(xué)學(xué)給排排水水工工程程【例例4-2】已已知知：：求：：解：：，cm/s，流態(tài)態(tài)為為層層流流，，故故有有，12/19/2022水力力學(xué)學(xué)給排排水水工工程程紊流流內(nèi)內(nèi)部部有有著著許許許許多多多多尺尺度度不不同同的的渦渦旋旋。。這這些些渦渦旋旋都都在在圍圍繞繞著著通通過過自自身身的的某某一一軸軸旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)的的同同時(shí)時(shí)，，還還具具有有空空間間運(yùn)運(yùn)動動的的隨隨機(jī)機(jī)性性。。紊流流的的宏宏觀觀表表現(xiàn)現(xiàn)是是各各流流層層的的流流體體質(zhì)質(zhì)點(diǎn)點(diǎn)相相互互摻摻混混，，流流動動極極不不規(guī)規(guī)則則，，雜雜亂亂無無章章，，即即使使在在同同一一空空間間點(diǎn)點(diǎn)上上，，流流體體質(zhì)質(zhì)點(diǎn)點(diǎn)的的速速度度、、壓壓強(qiáng)強(qiáng)等等物物理理量量隨隨時(shí)時(shí)間間呈呈一一種種不不規(guī)規(guī)則則的的隨隨機(jī)機(jī)變變化化特特征征，，這這種種現(xiàn)現(xiàn)象象稱稱為為脈動或或漲落落（fluctuation)現(xiàn)象。。第五節(jié)節(jié)紊紊(湍湍)流流的特特征一、紊紊流運(yùn)運(yùn)動的的特征征瞬時(shí)值值、時(shí)時(shí)均值值、脈脈動值值12/19/2022水力學(xué)學(xué)給排水水工程程由于脈脈動的的隨機(jī)機(jī)性，，統(tǒng)計(jì)平平均法法是處理理紊流流流動動的基基本方方法。。統(tǒng)計(jì)計(jì)平均均法有有時(shí)均均法和和體均均法等等。12/19/2022水力學(xué)學(xué)給排水水工程程速度分分量ux的時(shí)均均值：：同理，，有有其中，，T為為平均均周期期，比比紊流流的脈脈動周周期大大得多多，而而比流流動的的不恒恒定性性的特特征時(shí)時(shí)間又又小得得多，，隨具具體情情況而而定。。脈動值值：：如果湍湍流流流動中中各物物理量量的時(shí)時(shí)均值值不隨隨時(shí)間間而變變，僅僅僅是是空間間點(diǎn)的的函數(shù)數(shù)，可可認(rèn)為為時(shí)均流流動是是恒定定流動動。紊流流的瞬時(shí)運(yùn)運(yùn)動總是非恒定定的，而而平均運(yùn)運(yùn)動可能是是非恒恒定的的，也也可能能是恒恒定的的。但但紊流流從本本質(zhì)上上來說說是非非恒定定的。。12/19/2022水力學(xué)學(xué)給排水水工程程因時(shí)均均流速速的不不同，，各流流層間間的相相對運(yùn)運(yùn)動，，仍然然存在在著粘粘性切切應(yīng)力力。。1、粘粘性性切應(yīng)應(yīng)力2、、慣性性切應(yīng)應(yīng)力這就是是因紊紊流橫橫向脈脈動而而產(chǎn)生生的慣慣性切切應(yīng)力力。二、紊紊流阻阻力12/19/2022水力學(xué)學(xué)給排水水工程程因此紊紊流理理論主主要就就是研研究脈動值值和平均值值之間的的關(guān)系系。宏觀上上流動動質(zhì)點(diǎn)點(diǎn)脈動動引起起慣性性切應(yīng)應(yīng)力，，這與與分子子微觀觀運(yùn)動動引起起粘性性切應(yīng)應(yīng)力十十分相相似。。因此此，Prandtl（1925））將流流體質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的的脈動動與與分子子運(yùn)動動相類類比，，提出出了混混合長長度的的概念念。混合長長度：假設(shè)在在脈動動過程程中，，存在在著一一個(gè)與與分子子平均均自由由路程程相當(dāng)當(dāng)?shù)木嗑嚯x。。流體體微團(tuán)團(tuán)在該該距離離內(nèi)不不會和和其它它微團(tuán)團(tuán)相碰碰撞。因此，，該流流體微微團(tuán)保保持原原有的的物理理屬性性，例例如,保持持動量量不變變。只只是在在經(jīng)過過這段段距離離后，，才與與周圍圍流體體相混混合，，并取取得與與新位位置原原有流流體相相同的的動量量?；旌祥L長度（MixingLength））理論12/19/2022水力學(xué)學(xué)給排水水工程程式中稱稱為混混合長長度。。于是是湍流流切應(yīng)應(yīng)力可可寫成成由普朗朗特混混合長長度理理論，，可以以導(dǎo)出出注意：：12/19/2022水力學(xué)學(xué)給排水水工程程四、紊紊流的的流速速分布布三、紊紊流結(jié)結(jié)構(gòu)12/19/2022水力學(xué)學(xué)給排水水工程程紊流12/19/2022水力學(xué)學(xué)給排水水工程程第六節(jié)節(jié)沿沿程阻阻力系系數(shù)的的變化化規(guī)律律一、沿沿程阻阻力系系數(shù)的的影響響因素素絕對粗糙度度K：粗糙糙凸起的高高度相對粗糙度度：K/d或K/r0，其倒數(shù)稱稱為相對光光滑度二、尼古拉拉茲實(shí)驗(yàn)不要走神，注意聽講吆！12/19/2022水力學(xué)給排水工程程為了分析和和觀測Re和相對粗粗糙度對沿沿程阻力系系數(shù)的的影響響，共選取取了六種不不同的相對對粗糙度。。1、人工均均勻粗糙將大小基本本相同，形形狀近似球球體的砂粒粒用漆汁均均勻而稠密密地粘附于于管壁上，，這種尼古古拉茲使用用的人工均均勻粗糙叫叫尼古拉茲粗粗糙。12/19/2022水力學(xué)給排水工程程Lg（100λ）lgRe層流時(shí),紊流光滑區(qū)紊流過渡區(qū)區(qū)紊流粗糙區(qū)(阻力平方區(qū))2、尼古拉拉茲實(shí)驗(yàn)結(jié)結(jié)果：12/19/2022水力學(xué)給排水工程程3、紊流阻阻力分區(qū)的的解釋紊流光滑區(qū)區(qū)紊流過渡區(qū)區(qū)紊流粗糙區(qū)區(qū)12/19/2022水力學(xué)給排水工程程光滑區(qū)：重合。粗糙區(qū)：均與橫軸平平行。因此可把把尼古拉茲粗粗糙作為度量的的基本標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)，把工業(yè)業(yè)管道的不不均勻粗糙糙折合為尼尼古拉茲粗粗糙。當(dāng)量粗糙度度：與工業(yè)管道道粗糙區(qū)λ值相等的同直徑尼氏管道的的糙粒高度度稱為該工業(yè)業(yè)管道的當(dāng)當(dāng)量粗糙度度。四、工業(yè)管管道λ的計(jì)計(jì)算12/19/2022水力學(xué)給排水工程程過渡區(qū)λ的計(jì)算公公式2.阿里特特蘇里公式式：二者存在較較大的差異異:工業(yè)管道在較小的Re下就偏偏離光滑曲曲線，且隨Re的增增加平滑下下降，而尼古拉拉茲曲線存存在著上升升的部分。。因此，尼古古拉茲的過過渡區(qū)的實(shí)實(shí)驗(yàn)資料對對工業(yè)管道道是完全不不適用的1.Colebrook(柯柯列勃洛克克)公式K：工業(yè)管管道的當(dāng)量量糙粒高度度12/19/2022水力學(xué)給排水工程程莫迪圖（以以柯氏公式式為基礎(chǔ)））12/19/2022水力學(xué)給排水工程程層流區(qū)紊流光滑區(qū)區(qū)布拉休斯經(jīng)經(jīng)驗(yàn)公式：：紊流過渡區(qū)區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式紊流粗糙區(qū)區(qū)阿里特蘇里里經(jīng)驗(yàn)公式式：（Re<105)的經(jīng)驗(yàn)公式式12/19/2022水力學(xué)給排水工程程【例4-3】已知:，，，，，，求：（1））人工管道道，（2）光滑滑銅管（3）工業(yè)業(yè)管，分別求解：（1））；查尼氏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)圖，得：：12/19/2022水力學(xué)給排水工程程（2）（3），查Moody圖，得得：12/19/2022水力學(xué)給排水工程程計(jì)算沿程水水頭損失的的經(jīng)驗(yàn)公式式——謝齊齊公式斷面平均流速謝齊系數(shù)水力半徑水力坡度1.謝齊系系數(shù)有量綱綱，量綱為為[L