水力學(xué)系統(tǒng)講義課件第五章流動(dòng)形態(tài)及水頭損失二

第五章液體的流動(dòng)型態(tài)及水頭損失§5-1水頭損失產(chǎn)生的原因及分類§5-2均勻流中沿程水頭損失的計(jì)算公式§5-3液體流動(dòng)的兩種型態(tài)輸水管路系統(tǒng)§5-1水頭損失產(chǎn)生的原因及分類產(chǎn)生原因：液體的粘滯性和液體質(zhì)點(diǎn)間的動(dòng)量交換而引起的。沿程水頭損失：在管徑沿程不變的直管段內(nèi)產(chǎn)生，記為hf，其大小和管長成比例。產(chǎn)生原因：局部地區(qū)產(chǎn)生漩渦。漩渦的產(chǎn)生及維持，漩渦水體與主流之間的動(dòng)量交換，漩渦間的碰撞與摩擦均需消耗能量而引起水頭損失。局部水頭損失：在水流方向、斷面形狀和尺寸改變以及障礙處產(chǎn)生，記為hj。過水?dāng)嗝娴男螤詈统叽鐚?duì)沿程水頭損失的影響

濕周：過水?dāng)嗝嫔媳灰后w濕潤的固體周界長度，記為χ。結(jié)論：在同樣的流量，同樣的管材、管長、過水?dāng)嗝娣e的前提下，濕周越小，沿程水頭損失越小。過水?dāng)嗝娴男螤詈统叽鐚?duì)沿程水頭損失的影響

結(jié)論：不能單純用過水?dāng)嗝娣e和濕周的大小反映過水?dāng)嗝娴男螤詈统叽鐚?duì)沿程水頭損失的影響。水力半徑過水?dāng)嗝娣eA與濕周χ之比定義為水力半徑：

其他條件相同：水力半徑大者沿程水頭損失小。對(duì)于半徑為r或者直徑為d的圓形過水?dāng)嗝?，水力半徑為綜合反映過水?dāng)嗝娣e和濕周對(duì)沿程水頭損失的影響。對(duì)于底寬為b，水深為h，邊坡系數(shù)為m的梯形過水?dāng)嗝媲赖乃Π霃綖榫匦芜^水?dāng)嗝媲赖乃Π霃剑頼=0，則對(duì)于h/b<1/10的寬矩形過水?dāng)嗝媲赖乃Π霃健?-2均勻流中沿程水頭損失的計(jì)算公式

圓管總流中取出長度為s的一段作為控制體，研究其平衡。假設(shè)流動(dòng)是恒定的均勻流，且液體是不可壓縮的。恒定流，，沒有時(shí)時(shí)間加速速度；均均勻流，，沒有位位移加速速度，故故該流動(dòng)動(dòng)液體的的全部加加速度為為零?？刂企w上上的表面面力：動(dòng)動(dòng)水總壓壓力；摩摩擦力控制體上上的質(zhì)量量力：重重力分量量動(dòng)水總壓壓力摩擦力重力分量量寫1－1和2－2斷面的能量方方程式圓管均勻流過過水?dāng)嗝嫔系牡那袘?yīng)力按直直線規(guī)律分布布，管壁處最最大，管軸線線處為零。對(duì)于水力半徑徑為R`的同心圓筒式式元流，其元元流表面的切切應(yīng)力τ為由量綱分析我我們可以得到到切應(yīng)力τ0為均勻流情況下下的沿程水頭頭損失公式對(duì)于圓管達(dá)西-威斯巴赫（Darcy-Weisbach）公式例5.2.1水流在直徑d=30cm的圓管中流動(dòng)動(dòng)時(shí)，在l=100管長上測(cè)得水水頭損失hf=2m。試求：（1）管壁上的切切應(yīng)力τ0；（2）當(dāng)沿程水頭損損失系數(shù)λ=0.025時(shí)的斷面平均均流速v。解：（1）τ0計(jì)算（2）斷面平均流流速計(jì)算§5-3液體流動(dòng)的兩兩種型態(tài)雷諾實(shí)驗(yàn)液流型態(tài)的判判別雷諾數(shù)的物理理意義5.3.1雷諾實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置上游是一個(gè)保保持恒定水位位的水箱，由由側(cè)壁引出一一根平直的玻玻璃管。水箱箱頂部放有一一盛紅顏色水水的容器，在在其下用細(xì)管管引入到水平平玻璃管的入入口處。兩個(gè)個(gè)測(cè)壓管是為為了測(cè)量沿程程水頭損失。。通過閥門K可以調(diào)節(jié)管中中的流速。下下游設(shè)有接水水容器。實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)現(xiàn)象先將閥門K微微打開，在在玻璃管中有有一條平直的的色線。再將閥門K逐漸開大，玻玻璃管中的流流速就逐漸增增大，管中的色線開始始顫動(dòng)并彎曲曲，有波狀外外形。當(dāng)流速速達(dá)到一定值值時(shí)，色線完完全破裂形成成許許多多的的小旋渦充滿滿整個(gè)玻璃管管。當(dāng)實(shí)驗(yàn)以相反反的程序進(jìn)行行時(shí)，則流動(dòng)動(dòng)從紊流轉(zhuǎn)變變?yōu)閷恿?。由紊流轉(zhuǎn)變?yōu)闉閷恿鲿r(shí)的流流速比由層流流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪髁鲿r(shí)的流速小小。實(shí)驗(yàn)結(jié)論1.同一種液體在在同一個(gè)管道道中流動(dòng)，當(dāng)當(dāng)流速不同時(shí)時(shí)液體有兩種種不同的運(yùn)動(dòng)動(dòng)型態(tài)：（1）層流：是指指在流速較小小時(shí)，液體質(zhì)質(zhì)點(diǎn)作有條不不紊的直線運(yùn)運(yùn)動(dòng)，水流各各層上的質(zhì)點(diǎn)點(diǎn)互不摻混。。（2）紊流（湍流流）：是指在在流速較大時(shí)時(shí)，流層逐漸漸不穩(wěn)定，質(zhì)質(zhì)點(diǎn)相互摻混混，液體質(zhì)點(diǎn)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡極極不規(guī)則的流流動(dòng)。2.沿程水頭損失失hf與平均流速的的關(guān)系。沿程水頭損失失hf與平均流速的的關(guān)系由1-1，2-2斷面的能量方方程兩根測(cè)壓管中中的水位差就就是1-1，2-2斷面間的水頭頭損失；通過下游容器器可測(cè)量流量量，進(jìn)而可計(jì)計(jì)算管中的斷斷面平均流速速v。以lgv為橫坐標(biāo)軸，，以lghf為縱坐標(biāo)軸。。線段AC與水平軸的夾夾角為45o；線段DE與水平軸的夾夾角在60o15ˊˊ～63o26ˊˊ之間。5.3.2液流型態(tài)的判判別用顏色水觀察察水流型態(tài)（（可操作性差差）用臨界流速判判斷（缺乏普普適性）實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，，采用無量量綱雷諾數(shù)數(shù)判斷液流流型態(tài)更適適合相應(yīng)于下臨臨界流速的的雷諾諾數(shù)為下臨臨界雷諾數(shù)數(shù)；；相應(yīng)于上上臨界流速速的雷雷諾數(shù)為上上臨界雷諾諾數(shù)。。臨界雷諾數(shù)數(shù)由于下臨界界雷諾數(shù)比比較穩(wěn)定，，因此用下下臨界雷諾諾數(shù)作為判判斷液流型型態(tài)的依據(jù)據(jù)。下臨界雷諾諾數(shù)以上的的液流總是是紊流，下下臨界雷諾諾數(shù)以下的的液流總是是層流。對(duì)于圓管中中的流動(dòng)，，臨界雷諾諾數(shù)為對(duì)于明渠及及天然河道道中的流動(dòng)動(dòng)，臨界雷雷諾數(shù)為5.3.3雷諾數(shù)的物物理意義雷諾數(shù)表示示作用在液液流上的慣慣性力與粘粘性力的比比值。紊流：雷諾諾數(shù)較大，，作用在液液流上的慣慣性力起主主導(dǎo)作用，，粘性力約約束不住液液流的質(zhì)點(diǎn)點(diǎn)，液體質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在慣性性力的作用用下互相摻摻混而呈紊紊流型態(tài)。。層流：雷諾諾數(shù)較小，，作用在液液流上的粘粘性力起主主導(dǎo)作用，，粘性力約