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1、第三章第三章 液流形态及水头损失液流形态及水头损失学习重点学习重点 1、两种流态的特点、判别方法、雷诺数的物理、两种流态的特点、判别方法、雷诺数的物理意义。意义。2、沿程水头损失系数的变化规律与计算。、沿程水头损失系数的变化规律与计算。3、达西公式。、达西公式。4、谢才公式、曼宁公式、糙率、谢才公式、曼宁公式、糙率n。5、局部水头损失计算。、局部水头损失计算。水水力力学学讲讲义义第三章第三章 液流形态及水头损失液流形态及水头损失3.1 3.1 水流阻力与水头损失水流阻力与水头损失1 1、水流阻力：水流阻力：液体与固体之间、液体内部有相对运动的液体与固体之间、液体内部有相对运动的各液层之间存在的
2、摩擦阻力的合力，水流阻力必然与水流各液层之间存在的摩擦阻力的合力，水流阻力必然与水流的运动方向相反。的运动方向相反。2 2、水头损失：水头损失：水流在运动过程中克服水流阻力而消耗的水流在运动过程中克服水流阻力而消耗的能量称为水头损失。其中边界是外因，粘滞性是内因。能量称为水头损失。其中边界是外因，粘滞性是内因。3 3、根据边界条件的不同，水头损失分两类：对于平顺的、根据边界条件的不同，水头损失分两类：对于平顺的边界，水头损失与流程成正比，称为边界，水头损失与流程成正比，称为沿程水头损失沿程水头损失，用，用h hf f表示；由于局部边界急剧改变，导致水流结构改变、流速表示；由于局部边界急剧改变，
3、导致水流结构改变、流速分布调整并产生旋涡区，从而引起的水头损失称为分布调整并产生旋涡区，从而引起的水头损失称为局部水局部水头损失头损失，用，用h hj j表示。表示。水水力力学学讲讲义义第三章第三章 液流形态及水头损失液流形态及水头损失4 4、对于在某个流程上运动的液体，它的总水头损失、对于在某个流程上运动的液体，它的总水头损失hw遵循叠加原理即：遵循叠加原理即：h hw w=h hf f+h+hj j5、为了反映过流断面面积和湿周对水流阻力和水头损为了反映过流断面面积和湿周对水流阻力和水头损失的综合影响，我们引入水力半径的概念，即：失的综合影响，我们引入水力半径的概念，即：R R=A A/水
4、力半径是水力学中应用广泛的重要的水力要素。水水力力学学讲讲义义第三章第三章 液流形态及水头损失液流形态及水头损失3.3 均匀流沿程水头损失与切应力的关系均匀流沿程水头损失与切应力的关系-均匀流基本方程均匀流基本方程在均匀流中，任意取出一段总流来分析。在均匀流中，任意取出一段总流来分析。如图，对如图，对1-1,2-2写能量方写能量方程程:h:hf f=(z=(z1 1+p+p1 1/r)-(z/r)-(z2 2+p+p2 2/r)/r)通过力的平衡分析可得：通过力的平衡分析可得：将以上各项都除以将以上各项都除以 ，考，考虑到虑到整理后得到：整理后得到：(z1+p1/r)-(z2+p2/r)水水力
5、力学学讲讲义义第三章第三章 液流形态及水头损失液流形态及水头损失鉴于：鉴于：可得到均匀流沿程水头损失与切应力的关系式，即均匀可得到均匀流沿程水头损失与切应力的关系式，即均匀流基本方程式：流基本方程式：上面的分析，适用于任何大小的流束。上面的分析，适用于任何大小的流束。水水力力学学讲讲义义第三章第三章 液流形态及水头损失液流形态及水头损失3.4 3.4 液体运动的两种型态、圆管层流液体运动的两种型态、圆管层流一、雷诺试验一、雷诺试验当流速较小时，各流层质点互不混杂，这种型当流速较小时，各流层质点互不混杂，这种型态的流动叫态的流动叫层流层流。当流速较大时，各流层质点。当流速较大时，各流层质点形成涡
6、体互相混掺，这种型态的流动叫做形成涡体互相混掺，这种型态的流动叫做紊流紊流。水水力力学学讲讲义义第三章第三章 液流形态及水头损失液流形态及水头损失试验结果：试验结果：液流型态不同液流型态不同,沿程水头损失的规律也不沿程水头损失的规律也不同。同。相应于液体运动型态转变时的流速叫做相应于液体运动型态转变时的流速叫做临界流临界流速速。雷诺数雷诺数Re=vd/,上、下临界雷诺数。上、下临界雷诺数。液流型态的判别：圆管中液流的液流型态的判别：圆管中液流的下临界雷诺数是一个比较稳定的数下临界雷诺数是一个比较稳定的数值，上临界雷诺数是一个不稳定的值，上临界雷诺数是一个不稳定的数值，因此判别液流型态要以下临数
7、值，因此判别液流型态要以下临界雷诺数为标准。实际雷诺数大于界雷诺数为标准。实际雷诺数大于下临界雷诺数时就是紊流，小于下下临界雷诺数时就是紊流，小于下临界雷诺数时一定是层流。临界雷诺数时一定是层流。水水力力学学讲讲义义第三章第三章 液流形态及水头损失液流形态及水头损失三、紊流形成过程的分析三、紊流形成过程的分析1 1、紊流有混掺、紊流有混掺,涡体是混掺的根源。涡体是混掺的根源。2 2、涡体的形成过程。流层之间相对运动，产生内摩擦、涡体的形成过程。流层之间相对运动，产生内摩擦切应力，对选定的流层，流速大的邻层加于它的切应力切应力，对选定的流层，流速大的邻层加于它的切应力是顺流向的，流速小的邻层加于
8、它的切应力是逆流向的，是顺流向的，流速小的邻层加于它的切应力是逆流向的，因此该选定的流层所承因此该选定的流层所承 受的切应力，就构成力矩，促受的切应力，就构成力矩，促使涡体产生。使涡体产生。3 3、外界扰动、外界扰动局部波动局部波动要素调整。要素调整。4 4、如图，波峰附近流线间距变化、如图，波峰附近流线间距变化波蜂上面微小流束过水断面变小，波蜂上面微小流束过水断面变小，流速增大，压强降低，波蜂下面反流速增大，压强降低，波蜂下面反之。波谷与波峰处的情况相反。之。波谷与波峰处的情况相反。水水力力学学讲讲义义第三章第三章 液流形态及水头损失液流形态及水头损失5 5、这样，就使发生微小波动的流层各段
9、承受不同方向的、这样，就使发生微小波动的流层各段承受不同方向的横向压力。横向压力。6 6、这种横向压力使波峰愈凸，波谷愈凹；促使波幅更加、这种横向压力使波峰愈凸，波谷愈凹；促使波幅更加增大。波幅增大到一定程度以后，由于横向压力与切应增大。波幅增大到一定程度以后，由于横向压力与切应力的综合作用，最后，使波峰与波谷重叠，形成涡体。力的综合作用，最后，使波峰与波谷重叠，形成涡体。7 7、涡体形成以后，旋转方向与水流方向一致的一边流速、涡体形成以后，旋转方向与水流方向一致的一边流速变大，压强变小，流速小的一边压强大，这样就使涡体变大，压强变小，流速小的一边压强大，这样就使涡体上下两边有压差产生，形成升
10、力，推动涡体脱离原流层上下两边有压差产生，形成升力，推动涡体脱离原流层而进入流速较高的邻层，从而扰动邻层进一步产生新的而进入流速较高的邻层，从而扰动邻层进一步产生新的涡体。如此不断，层流即转化为紊流。涡体。如此不断，层流即转化为紊流。水水力力学学讲讲义义第三章第三章 液流形态及水头损失液流形态及水头损失涡体形成并不一定就能形成紊流。一方面因为涡体由涡体形成并不一定就能形成紊流。一方面因为涡体由于惯性作用有保持其本身运动的倾向。另一方面因为粘于惯性作用有保持其本身运动的倾向。另一方面因为粘滞性约束涡体的运动。所以涡体能否脱离原流层而进入滞性约束涡体的运动。所以涡体能否脱离原流层而进入邻层，就要看
11、惯性作用与粘滞作用的对比关系。只有当邻层，就要看惯性作用与粘滞作用的对比关系。只有当惯性作用与粘滞作用相比强大到一定程度时，才能形成惯性作用与粘滞作用相比强大到一定程度时，才能形成紊流。紊流。3.53.5圆管层流运动和沿程水头损失圆管层流运动和沿程水头损失 圆管层流运动可以应用牛顿内摩擦定律表达式和均圆管层流运动可以应用牛顿内摩擦定律表达式和均匀流内切应力表达式，通过积分求出过水断面上的流速匀流内切应力表达式，通过积分求出过水断面上的流速分布为抛物型分布。分布为抛物型分布。水水力力学学讲讲义义第三章第三章 液流形态及水头损失液流形态及水头损失最大流速在管轴线处最大流速在管轴线处断面平均流速断面
12、平均流速沿程水头损失沿程水头损失 对应的沿程阻力系数对应的沿程阻力系数水水力力学学讲讲义义第三章第三章 液流形态及水头损失液流形态及水头损失这里得到一个重要的结论：这里得到一个重要的结论：圆管层流运动的沿程阻力系数圆管层流运动的沿程阻力系数与雷诺数与雷诺数ReRe成反比。从成反比。从沿程水沿程水头损失等头损失等式中也可看出式中也可看出h hf f与流速的一次方成正比，这个结果与雷诺与流速的一次方成正比，这个结果与雷诺实验的结论相一致，为后面讨论紊流的实验的结论相一致，为后面讨论紊流的变化规律提供了重要依据。变化规律提供了重要依据。3.6 3.6 紊流紊流一、紊流运动要素一、紊流运动要素紊流的一
13、系列参差不齐的涡体连续通过某一定点时，紊流的一系列参差不齐的涡体连续通过某一定点时，此处的瞬时运动要素此处的瞬时运动要素(如流速、压强等如流速、压强等)随时间发生波动，随时间发生波动，叫做叫做运动要素的脉动运动要素的脉动。某一瞬间通过定点的液体质点的流速称为该定点的瞬时某一瞬间通过定点的液体质点的流速称为该定点的瞬时流速；任一瞬时流速总可分解为三个分速流速；任一瞬时流速总可分解为三个分速ux、uy、uz。水水力力学学讲讲义义第三章第三章 液流形态及水头损失液流形态及水头损失如图，以瞬时流速如图，以瞬时流速uxux为例，在足够长的时间段，其时间为例，在足够长的时间段，其时间平均值是不变的。即：平
14、均值是不变的。即：图中图中ABAB线代表时间平均流速曲线，线代表时间平均流速曲线，恒定流时与恒定流时与t t轴平行，非恒定流时轴平行，非恒定流时不平行。不平行。紊流运动要素时间平均值规律的存在，使前几章中所紊流运动要素时间平均值规律的存在，使前几章中所学的概念及分析水流运动规律的方法，对紊流运动仍可学的概念及分析水流运动规律的方法，对紊流运动仍可适用。例如，对紊流来说，流线是指时间平均的流线，适用。例如，对紊流来说，流线是指时间平均的流线，恒定流是指时间平均的运动要素不随时间而变等等。恒定流是指时间平均的运动要素不随时间而变等等。水水力力学学讲讲义义第三章第三章 液流形态及水头损失液流形态及水
15、头损失二、紊动附加切应力二、紊动附加切应力紊流切应力的计算，由两部分所组成：相邻流层间的粘紊流切应力的计算，由两部分所组成：相邻流层间的粘滞切应力和由脉动流速所产生的附加切应力，即滞切应力和由脉动流速所产生的附加切应力，即三、紊流粘性底层三、紊流粘性底层在紊流中，紧靠固体边界的地方，粘滞切应力起主要作在紊流中，紧靠固体边界的地方，粘滞切应力起主要作用，液流型态属于层流。因此紊流并不是整个液流都是用，液流型态属于层流。因此紊流并不是整个液流都是紊流，在紧靠固体边界表面有一层极薄的层流层存在，紊流，在紧靠固体边界表面有一层极薄的层流层存在，叫做叫做粘性底层。粘性底层。在层流底层以外的液流才是紊流。
16、称为在层流底层以外的液流才是紊流。称为紊流流核。紊流流核。水水力力学学讲讲义义第三章第三章 液流形态及水头损失液流形态及水头损失水水力力学学讲讲义义粘滞底层的厚度粘滞底层的厚度0 0可用下式计算：可用下式计算：由上式可知：由上式可知：粘滞性底层的厚度粘滞性底层的厚度0 0随随ReRe的增大而减小。的增大而减小。第三章第三章 液流形态及水头损失液流形态及水头损失固体边界的表面总是粗糙不平的。粗糙表面凸出高度固体边界的表面总是粗糙不平的。粗糙表面凸出高度叫做叫做绝对粗糙度绝对粗糙度水水力力学学讲讲义义水力光滑面和水力粗糙面水力光滑面和水力粗糙面 当当ReRe较小时，较小时，0 0可以大于可以大于若
17、干倍，边若干倍，边壁表面虽然高低不平，而凸出高度完全淹没在粘性底层壁表面虽然高低不平，而凸出高度完全淹没在粘性底层中，粗糙度对紊流不起任何作用，边壁对水流的阻力，中，粗糙度对紊流不起任何作用，边壁对水流的阻力，主要是粘性底层的粘滞阻力，这叫主要是粘性底层的粘滞阻力，这叫水力光滑面水力光滑面。当当ReRe较大时，较大时，0 0极薄，可以小于极薄，可以小于若干若干倍，边壁的粗糙度对紊流已起主要作用，边壁对水流的倍，边壁的粗糙度对紊流已起主要作用，边壁对水流的阻力主要是紊流流核绕过凸出高度时形成的小旋涡造成阻力主要是紊流流核绕过凸出高度时形成的小旋涡造成的，而粘性底层的粘滞力只占次要地位，这种粗糙表面的，而粘性底层的粘滞力只占次要地位，这种粗糙表面叫做叫做水力粗糙面。水力粗糙面。第三章第三章 液流形态及水头损失液流形态及水头损失 谢 谢！水水力力学学讲讲义义