水力學系統(tǒng)講義課件第五章流動形態(tài)及水頭損失二

第五章液體的流動型態(tài)及水頭損失§5-1水頭損失產生的原因及分類§5-2均勻流中沿程水頭損失的計算公式§5-3液體流動的兩種型態(tài)輸水管路系統(tǒng)§5-1水頭損失產生的原因及分類產生原因：液體的粘滯性和液體質點間的動量交換而引起的。沿程水頭損失：在管徑沿程不變的直管段內產生，記為hf，其大小和管長成比例。產生原因：局部地區(qū)產生漩渦。漩渦的產生及維持，漩渦水體與主流之間的動量交換，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生，記為hj。過水斷面的形狀和尺寸對沿程水頭損失的影響

濕周：過水斷面上被液體濕潤的固體周界長度，記為χ。結論：在同樣的流量，同樣的管材、管長、過水斷面積的前提下，濕周越小，沿程水頭損失越小。過水斷面的形狀和尺寸對沿程水頭損失的影響

結論：不能單純用過水斷面積和濕周的大小反映過水斷面的形狀和尺寸對沿程水頭損失的影響。水力半徑過水斷面積A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。對于半徑為r或者直徑為d的圓形過水斷面，水力半徑為綜合反映過水斷面積和濕周對沿程水頭損失的影響。對于底寬為b，水深為h，邊坡系數為m的梯形過水斷面渠道的水力半徑為矩形過水斷面渠道的水力半徑，令m=0，則對于h/b<1/10的寬矩形過水斷面渠道的水力半徑§5-2均勻流中沿程水頭損失的計算公式

圓管總流中取出長度為s的一段作為控制體，研究其平衡。假設流動是恒定的均勻流，且液體是不可壓縮的。恒定流，沒有時間加速度；均勻流，沒有位移加速度，故該流動液體的全部加速度為零?？刂企w上的表面力：動水總壓力；摩擦力控制體上的質量力：重力分量動水總壓力摩擦力重力分量寫1－1和2－2斷面的能量方程式圓管均勻流過水斷面上的切應力按直線規(guī)律分布，管壁處最大，管軸線處為零。對于水力半徑為R`的同心圓筒式元流，其元流表面的切應力τ為由量綱分析我們可以得到切應力τ0為均勻流情況下的沿程水頭損失公式對于圓管達西-威斯巴赫（Darcy-Weisbach）公式例5.2.1水流在直徑d=30cm的圓管中流動時，在l=100管長上測得水頭損失hf=2m。試求：（1）管壁上的切應力τ0；（2）當沿程水頭損失系數λ=0.025時的斷面平均流速v。解：（1）τ0計算（2）斷面平均流速計算§5-3液體流動的兩種型態(tài)

雷諾實驗液流型態(tài)的判別雷諾數的物理意義5.3.1雷諾實驗

實驗裝置上游是一個保持恒定水位的水箱，由側壁引出一根平直的玻璃管。水箱頂部放有一盛紅顏色水的容器，在其下用細管引入到水平玻璃管的入口處。兩個測壓管是為了測量沿程水頭損失。通過閥門K可以調節(jié)管中的流速。下游設有接水容器。實驗操作及現象先將閥門K微微打開，在玻璃管中有一條平直的色線。再將閥門K逐漸開大，玻璃管中的流速就逐漸增大，管中的色線開始顫動并彎曲，有波狀外形。當流速達到一定值時，色線完全破裂形成許許多多的小旋渦充滿整個玻璃管。當實驗以相反的程序進行時，則流動從紊流轉變?yōu)閷恿?。由紊流轉變?yōu)閷恿鲿r的流速比由層流轉變?yōu)槲闪鲿r的流速小。實驗結論1.同一種液體在同一個管道中流動，當流速不同時液體有兩種不同的運動型態(tài)：（1）層流：是指在流速較小時，液體質點作有條不紊的直線運動，水流各層上的質點互不摻混。（2）紊流（湍流）：是指在流速較大時，流層逐漸不穩(wěn)定，質點相互摻混，液體質點運動軌跡極不規(guī)則的流動。2.沿程水頭損失hf與平均流速的關系。

沿程三水頭三損失hf與平三均流三速的三關系由1-三1，2-三2斷面三的能三量方三程兩根三測壓三管中三的水三位差三就是1-三1，2-三2斷面三間的三水頭三損失三；通過三下游三容器三可測三量流三量，三進而三可計三算管三中的三斷面三平均三流速v。以lg三v為橫三坐標三軸，三以lg三hf為縱三坐標三軸。線段AC與水三平軸三的夾三角為45三o；線段DE與水三平軸三的夾三角在60三o1三5ˊ～63三o2三6ˊ之間三。5.三3.三2液流三型態(tài)三的判三別用顏三色水三觀察三水流三型態(tài)三（可三操作三性差三）用臨三界流三速判三斷（三缺乏三普適三性）實驗三發(fā)現三，采三用無三量綱三雷諾三數判三斷液三流型三態(tài)更三適合相應三于下三臨界三流速三的雷三諾數三為下三臨界三雷諾三數三；相三應于三上臨三界流三速三的三雷諾三數為三上臨三界雷三諾數三。臨界三雷諾三數由于三下臨三界雷三諾數三比較三穩(wěn)定三，因三此用三下臨三界雷三諾數三作為三判斷三液流三型態(tài)三的依三據。下臨三界雷三諾數三以上三的液三流總三是紊三流，三下臨三界雷三諾數三以下三的液三流總三是層三流。對于三圓管三中的三流動三，臨三界雷三諾數三為對于三明渠三及天三然河三道中三的流三動，三臨界三雷諾三數為5.三3.三3雷諾三數的三物理三意義雷諾三數表三示作三用在三液流三上的三慣性三力與三粘性三力的三比值三。紊流三：雷三諾數三較大三，作三用在三液流三上的三慣性三力起三主導三作用三，粘三性力三約束三不住三液流三的質三點，三液體三質點三在慣三性力三的作三用下三互相三摻混三而呈三紊流三型態(tài)三。層流三：雷三諾數三較小三，作三用在三液流三上的三粘性三力起三主導三作用三，粘三性力三約束三液體三質點三的運三動，三故成三層流三型態(tài)三。例5.三3.三1假設三圓管三流動三的臨三界雷