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1、1第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失n n 6 6 6 6、理解尼古拉兹实验中沿程水头损失系数、理解尼古拉兹实验中沿程水头损失系数、理解尼古拉兹实验中沿程水头损失系数、理解尼古拉兹实验中沿程水头损失系数的变化规的变化规的变化规的变化规 律，律，律，律，掌握紊流掌握紊流掌握紊流掌握紊流3 3 3 3个流区沿程水头损失系数个流区沿程水头损失系数个流区沿程水头损失系数个流区沿程水头损失系数的确定方法，能应用达的确定方法，能应用达的确定方法，能应用达的确定方法，能应用达西公式计算紊流的沿程水头损失。西公式计算紊流的沿程水头损失。西公式计算
2、紊流的沿程水头损失。西公式计算紊流的沿程水头损失。n n 7 7 7 7、了解当量粗糙度的概念，会运用、了解当量粗糙度的概念，会运用、了解当量粗糙度的概念，会运用、了解当量粗糙度的概念，会运用MoodyMoodyMoodyMoody图查找图查找图查找图查找的值。的值。的值。的值。n n 8 8 8 8、掌握计算沿程水头损失的经验公式、掌握计算沿程水头损失的经验公式、掌握计算沿程水头损失的经验公式、掌握计算沿程水头损失的经验公式谢齐公式和曼谢齐公式和曼谢齐公式和曼谢齐公式和曼宁公式，能正确选择糙率宁公式，能正确选择糙率宁公式，能正确选择糙率宁公式，能正确选择糙率n n n n。n n 9 9 9
3、 9、理解局部水头损失产生的原因，能正确选择局部水头、理解局部水头损失产生的原因，能正确选择局部水头、理解局部水头损失产生的原因，能正确选择局部水头、理解局部水头损失产生的原因，能正确选择局部水头损失系数进行局部水头损失计算。损失系数进行局部水头损失计算。损失系数进行局部水头损失计算。损失系数进行局部水头损失计算。基本要求：基本要求：第1页/共84页2几种常见现象第2页/共84页3一、能量损失产生的原因与条件一、能量损失产生的原因与条件3.1 3.1 水头损失的物理概念及其分类水头损失的物理概念及其分类第三章第三章第三章第三章 液流液流液流液流阻力阻力阻力阻力与水头损失与水头损失与水头损失与水
4、头损失边界面无滞水作用边界面无滞水作用第3页/共84页4水头损失的水头损失的内因内因：液流内部存在粘滞性液流内部存在粘滞性水头损失的水头损失的外因外因：流动要克服边界阻力做功流动要克服边界阻力做功3.1 3.1 水头损失的物理概念及其分类水头损失的物理概念及其分类一、水头损失产生的原因与条件一、水头损失产生的原因与条件 1.1.产生原因产生原因第4页/共84页5产生水头损失必须具产生水头损失必须具备的两个必要条件备的两个必要条件(1)(1)液体具有粘滞性；液体具有粘滞性；-内因内因(2)(2)由于固体边界的影响，液流由于固体边界的影响，液流 内部质点之间产生相对运动。内部质点之间产生相对运动。
5、2.2.产生条件产生条件3.1 3.1 水头损失的物理概念及其分类水头损失的物理概念及其分类一、水头损失产生的原因与条件一、水头损失产生的原因与条件第5页/共84页61.1.概念概念单位重量液体自一断面流至下一断面所损失的机械能单位重量液体自一断面流至下一断面所损失的机械能二、水头损失及其分类二、水头损失及其分类第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失s基准面总水头线3.1 3.1 水头损失的物理概念及其分类水头损失的物理概念及其分类第6页/共84页7特点：特点：u h hf f 与流程长度与流程长度L L，流速，流速v v 及边界特征
6、有关及边界特征有关（1 1）沿程水头损失：）沿程水头损失：在固体边界的形状和尺寸沿在固体边界的形状和尺寸沿 程不变时，液流在长直段中的程不变时，液流在长直段中的水头损失，用水头损失，用h hf f 表示。u 在产生沿程水头损失的流段中，流向彼此平行，主流不脱离边在产生沿程水头损失的流段中，流向彼此平行，主流不脱离边壁，也无漩涡发生。壁，也无漩涡发生。u 通常在均匀流和渐变流情况下产生的水头损失只有沿程损失。通常在均匀流和渐变流情况下产生的水头损失只有沿程损失。第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失2.2.分类分类二、水头损失及其分类二
7、、水头损失及其分类3.1 3.1 水头损失的物理概念及其分类水头损失的物理概念及其分类第7页/共84页8特点：特点：u一般发生在边界突变处一般发生在边界突变处u水头损失大小与流速和边界变化情况有关水头损失大小与流速和边界变化情况有关 当固体边界的形状、尺寸当固体边界的形状、尺寸或两者之一沿流程急剧变化时或两者之一沿流程急剧变化时所产生的水头损失，用所产生的水头损失，用h hj j表示。表示。第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失（2 2）局部水头损失：）局部水头损失：2.2.分类分类二、水头损失及其分类二、水头损失及其分类3.1 3.
8、1 水头损失的物理概念及其分类水头损失的物理概念及其分类第8页/共84页9总水头损失：总水头损失：h hw w=h=hf f+h+hj jhhf f各流段沿程水头损失之和各流段沿程水头损失之和hhj j各处局部水头损失之和各处局部水头损失之和 “某一流段沿程水头损失与局部水头损失的总和某一流段沿程水头损失与局部水头损失的总和”第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失第9页/共84页10沿程阻力沿程阻力局部阻力局部阻力产生沿程损失的阻力是内摩擦阻力。产生沿程损失的阻力是内摩擦阻力。在产生局部损失的地方，由于主流在产生局部损失的地方，由于主
9、流和边界的分离和漩涡的存在，质点和边界的分离和漩涡的存在，质点间的摩擦和碰撞加剧，因而引起的间的摩擦和碰撞加剧，因而引起的能量损失比同样长度而没有漩涡时能量损失比同样长度而没有漩涡时的损失要大得多。的损失要大得多。注：沿程水头损失与局部水头损失的外因不同，注：沿程水头损失与局部水头损失的外因不同，但本质是一致的。但本质是一致的。第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失水流阻力与水头损失的关系水流阻力与水头损失的关系沿程水头损失沿程水头损失局部水头损失局部水头损失或者液流阻力做功或者液流阻力做功消耗的机械能消耗的机械能原原因因液体质点之间
10、相液体质点之间相互摩擦和碰撞互摩擦和碰撞第10页/共84页113.23.2边界条件对水头损失的影响边界条件对水头损失的影响一、液流边界横向轮廓的影响一、液流边界横向轮廓的影响1、-湿周：湿周：液流过水断面与固体边界接触的周界线液流过水断面与固体边界接触的周界线第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失过水断面的水力要素过水断面的水力要素:断面积断面积A A,湿周湿周,水力半径水力半径R R2、水力半径、水力半径 单位：单位：m m 或或 cmcmbhBbhm1hr rd d第11页/共84页12有压圆管矩形断面bh3.23.2边界条件对水
11、头损失的影响边界条件对水头损失的影响一、液流边界横向轮廓的影响一、液流边界横向轮廓的影响过水断面的水力要素过水断面的水力要素:断面积断面积A,A,湿周湿周,水力半径水力半径R R2、水力半径、水力半径A=b hx=b+2hR=bh/(b+2h)R R=d d/4/4r/2r/2rd第12页/共84页13()212mhbhmhbAR+=212mhb+=A=(b+mh)h梯形断面梯形断面Bbhm1h3.23.2边界条件对水头损失的影响边界条件对水头损失的影响一、液流边界横向轮廓的影响一、液流边界横向轮廓的影响过水断面的水力要素过水断面的水力要素:断面积断面积A A,湿周湿周,水力半径水力半径R R
12、第13页/共84页14U形断面复式断面h2Bh1brh3.23.2边界条件对水头损失的影响边界条件对水头损失的影响一、液流边界横向轮廓的影响一、液流边界横向轮廓的影响过水断面的水力要素过水断面的水力要素:断面积断面积A,A,湿周湿周,水力半径水力半径R R宽浅（宽浅（B B/H H10)10)河渠：河渠：R R H H H H第14页/共84页15二、液流边界纵向轮廓的影响二、液流边界纵向轮廓的影响1 1、均匀流、均匀流（1 1）H H线与线与HpHp线平线平行，且为直线行，且为直线（2 2）只有沿程水）只有沿程水头损失头损失（3)3)流速水头相等流速水头相等第三章第三章第三章第三章 液流阻力
13、与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失3.23.2边界条件对水头损失的影响边界条件对水头损失的影响水力坡度水力坡度:第15页/共84页16二、液流边界纵向轮廓的影响二、液流边界纵向轮廓的影响 非非均均匀匀流流(1)H(1)H线与线与HpHp线互不平行，且为曲线线互不平行，且为曲线(2)(2)非均匀渐变流局部水头损失可以忽略非均匀渐变流局部水头损失可以忽略(3)(3)非均匀急变流时两种水头损失均有非均匀急变流时两种水头损失均有第三章第三章第三章第三章 液流流态与水头损失液流流态与水头损失液流流态与水头损失液流流态与水头损失第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流
14、阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失3.23.2边界条件对水头损失的影响边界条件对水头损失的影响第16页/共84页173.3 3.3 均匀流沿程损失与切应力的关系均匀流沿程损失与切应力的关系第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失一、方程的推导一、方程的推导圆圆 管管明明 渠渠第17页/共84页18第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失由能量方程由能量方程:水力坡度水力坡度:水力半径：水力半径：3.3 3.3 均匀流沿程损失与切应力的关系均匀流沿程损失与切应力的关
15、系一、方程的推导一、方程的推导第18页/共84页19任意流束的水力半径任意流束的水力半径总流的水力半径总流的水力半径水力坡度水力坡度第三章第三章第三章第三章 液流流态与水头损失液流流态与水头损失液流流态与水头损失液流流态与水头损失2 2、总流边界上的平均切应力、总流边界上的平均切应力1 1、任一流束上的平均切应力、任一流束上的平均切应力3.3 3.3 均匀流沿程损失与切应力的关系均匀流沿程损失与切应力的关系一、方程的推导一、方程的推导第19页/共84页20二、切应力的分布二、切应力的分布u过水断面上切应力是按直线分布过水断面上切应力是按直线分布u圆管中心的切应力为零圆管中心的切应力为零u沿半径
16、方向逐渐增大，管壁处为沿半径方向逐渐增大，管壁处为0 0圆管圆管：y y为任意点距管壁的距离为任意点距管壁的距离二元明渠恒定均匀流：二元明渠恒定均匀流：u切应力是随切应力是随y y呈线性变化呈线性变化u在渠底处最大在渠底处最大u在水面处最小在水面处最小3.3 3.3 均匀流沿程损失与切应力的关系均匀流沿程损失与切应力的关系第20页/共84页21三、沿程水头损失的通用公式三、沿程水头损失的通用公式u由试验和因次分析：由试验和因次分析：式中：式中：沿程阻力系数，沿程阻力系数，与流态、壁面状况、断面特性等因素与流态、壁面状况、断面特性等因素有关。圆管层流的有关。圆管层流的可由理论分析得到，紊流的可由
17、理论分析得到，紊流的依赖于试验，依赖于试验，即即u对于圆管，对于圆管，4R=d4R=d，注：以上三式称为达西一魏斯巴赫公式（简称达西公注：以上三式称为达西一魏斯巴赫公式（简称达西公式），它适用层流和紊流。式），它适用层流和紊流。第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失第21页/共84页223.43.4 液体运动的两种流态和判别液体运动的两种流态和判别一、一、雷诺实验雷诺实验(1883(1883年）年）第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失第22页/共84页23层流：层流：液体质
18、点作有条不紊的线状运动，液体液体质点作有条不紊的线状运动，液体各层或各微小流束上的质点彼此互不混掺。各层或各微小流束上的质点彼此互不混掺。试验结论：试验结论：第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失3.43.4 液体运动的两种流态和判别液体运动的两种流态和判别一、一、雷诺实验雷诺实验(1883(1883年）年）第23页/共84页24第三章第三章第三章第三章 液流流态与水头损失液流流态与水头损失液流流态与水头损失液流流态与水头损失3.43.4 液体运动的两种流态和判别液体运动的两种流态和判别一、一、雷诺实验雷诺实验(1883(1883年）
19、年）第24页/共84页25紊流：液体质点在沿管轴方向运动过程中互相混掺紊流：液体质点在沿管轴方向运动过程中互相混掺第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失3.43.4 液体运动的两种流态和判别液体运动的两种流态和判别一、一、雷诺实验雷诺实验(1883(1883年）年）试验结论：试验结论：第25页/共84页26BACDE：上临界流速：上临界流速：下临界流速：下临界流速第三章第三章第三章第三章 液流流态与水头损失液流流态与水头损失液流流态与水头损失液流流态与水头损失二、二、h hf fu u关系关系3.43.4 液体运动的两种流态和判别液体
20、运动的两种流态和判别第26页/共84页273.43.4 液体运动的两种流态和判别液体运动的两种流态和判别三、液流型态的判别三、液流型态的判别u雷诺数的物理意义：雷诺数的物理意义：雷诺数表示惯性力与粘滞力之比雷诺数表示惯性力与粘滞力之比第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失u 雷诺实验表明：雷诺实验表明：圆管中恒定流动的流态转化取决于雷诺数圆管中恒定流动的流态转化取决于雷诺数 d d圆管直径；圆管直径；v v断面平均流速断面平均流速流体的运动粘滞系数流体的运动粘滞系数第27页/共84页283.43.4 液体运动的两种流态和判别液体运动的
21、两种流态和判别总结：总结：第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失第28页/共84页29ReRecrcr20002000ReRecrcr20002000明渠及天然河道明渠及天然河道ReRecrcr500500；平行固体壁之间的液流；平行固体壁之间的液流ReRecr cr 100010003.43.4 液体运动的两种流态和判别液体运动的两种流态和判别第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失第29页/共84页30【例一例一】A A断断 面面 管管 径径d d=50mm,=50mm,油
22、油 的的 粘粘 滞滞 系系 数数v v =5.16=5.16 1010-6 6m m2 2/s,/s,v vA A=0.103m/s,=0.103m/s,判判别别该该处处油油流流流流态态？若若管管径径沿沿程程减小，减小，ReRe沿程如何变化？求保持层流的最小管径沿程如何变化？求保持层流的最小管径d dm m。A A A A第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失3.43.4 液体运动的两种流态和判别液体运动的两种流态和判别第30页/共84页31故为层流。故为层流。因因管径沿程减小管径沿程减小所以所以 雷诺数雷诺数ReRe则沿程增大。则沿
23、程增大。解：解：Q Q=0.0002m=0.0002m3 3/s/s，要保持层流须满足：要保持层流须满足：当当可得最小管径可得最小管径 d dm m=24.7mm=24.7mm第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失 A A A A3.43.4 液体运动的两种流态和判别液体运动的两种流态和判别第31页/共84页32BACDE(1)(1)“液体具有粘滞性液体具有粘滞性”沿程阻力（沿程阻力（内因）内因）(2)(2)“固体边界变化的影响固体边界变化的影响”局部阻力（局部阻力（外因外因）上次重点内容复习：上次重点内容复习：一、水流阻力类型及水头
24、损失分类h hf fh hj j二、圆管均匀流方程式由试验和因次分析由试验和因次分析 三、雷诺试验与液流型态三、雷诺试验与液流型态第32页/共84页333.5 3.5 圆管中层流及水头损失的计算圆管中层流及水头损失的计算看作是由许多无限薄的同心圆筒层一个套一个地运动着，看作是由许多无限薄的同心圆筒层一个套一个地运动着，每一圆筒层表面的切应力都可按牛顿内摩擦定律来计算每一圆筒层表面的切应力都可按牛顿内摩擦定律来计算1 1、流速分布、流速分布第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失rur0第33页/共84页34积分：积分：第三章第三章第三章
25、第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失3.5 3.5 圆管中层流及水头损失的计算圆管中层流及水头损失的计算1 1、流速分布、流速分布即：各流束的流速随半径增加而减小即：各流束的流速随半径增加而减小切应力是线性分布切应力是线性分布第34页/共84页352 2、管轴处流速最大、管轴处流速最大4 4、沿程水头损失、沿程水头损失第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失3 3、断面平均流速断面平均流速5 5、层流沿程阻力系数、层流沿程阻力系数3.5 3.5 圆管中层流及水头损失的计算圆管中层流及水头损失的
26、计算第35页/共84页36第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失 重要结论：重要结论：重要结论：重要结论：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与雷诺数与雷诺数ReReReRe成反比。从沿程水头损失等式中也可看出成反比。从沿程水头损失等式中也可看出成反比。从沿程水头损失等式中也可看出成反比。从沿程水头损失等式中也可看出h h h hf f f f与流速的一次方成正比，这个结果与雷诺实验与流速的一次方成正比，这个结果与雷诺实验与流速的一次方成正比，这个结果
27、与雷诺实验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，为后面讨论紊流的的结论相一致，为后面讨论紊流的的结论相一致，为后面讨论紊流的的结论相一致，为后面讨论紊流的变化规律变化规律变化规律变化规律提供了重要依据。提供了重要依据。提供了重要依据。提供了重要依据。雷诺实验雷诺实验3.5 3.5 圆管中层流及水头损失的计算圆管中层流及水头损失的计算第36页/共84页37第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失3.6 3.6 紊流的特征紊流的特征一、紊流的发生一、紊流的发生第37页/共84页38第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失
28、液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失3.6 3.6 紊流的特征紊流的特征一、紊流的发生一、紊流的发生紊流形成条件涡体的产生雷诺数达到一定的数值第38页/共84页39第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失根源：粘性根源：粘性条件：漩涡条件：漩涡方式：混掺方式：混掺3.6 3.6 紊流的特征紊流的特征一、紊流的发生一、紊流的发生第39页/共84页40二、脉动现象与时均值的概念二、脉动现象与时均值的概念 第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失1 1、脉动现象、脉动
29、现象 瞬时运动要素瞬时运动要素(如流速、压强等如流速、压强等)随时间发生波随时间发生波动的现象。动的现象。3.6 3.6 紊流的特征紊流的特征第40页/共84页412、时均流速时均流速 以瞬时流速以瞬时流速u ux x为例，在为例，在足够长的时间段，其时间平足够长的时间段，其时间平均值是不变的。即：均值是不变的。即：注意：注意：建立了时间平均的概念，可用分析水流运动规建立了时间平均的概念，可用分析水流运动规律的方法分析紊流运动。律的方法分析紊流运动。第三章第三章第三章第三章 液流流态与水头损失液流流态与水头损失液流流态与水头损失液流流态与水头损失3.6 3.6 紊流的特征紊流的特征二、脉动现象
30、与时均值的概念二、脉动现象与时均值的概念第41页/共84页42思考题思考题u由于紊流存在脉动现象。则紊流不存由于紊流存在脉动现象。则紊流不存在恒定流，对吗？在恒定流，对吗？第42页/共84页433 3、脉动流速、脉动流速瞬时流速与时间平均流速的差值瞬时流速与时间平均流速的差值 所以所以 l脉动流速时均值总是等于零的脉动流速时均值总是等于零的 3.6 3.6 紊流的特征紊流的特征二、脉动现象与时均值的概念二、脉动现象与时均值的概念第43页/共84页44 1 1、紊动产生附加切应力、紊动产生附加切应力1 12 2 1 1 由相邻两流层间时间平均流速相由相邻两流层间时间平均流速相对运动所产生的粘滞切
31、应力对运动所产生的粘滞切应力 2 2 由脉动流速所产生的附加切应力由脉动流速所产生的附加切应力紊流总切应力紊流总切应力第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失三、紊流的脉动对水流运动的影响三、紊流的脉动对水流运动的影响3.6 3.6 紊流的特征紊流的特征第44页/共84页45三、紊流的脉动对水流运动的影响三、紊流的脉动对水流运动的影响2 2、紊流中存在粘性底层、紊流中存在粘性底层 0 在紊流中，在紊流中，紧靠固体边界附近的地方紧靠固体边界附近的地方，因脉动，因脉动流速很小，由脉动流速产生的附加切应力也很小，流速很小，由脉动流速产生的附加
32、切应力也很小，而流速梯度却很大，所以粘滞切应力起主导作用，而流速梯度却很大，所以粘滞切应力起主导作用，其流态基本上属层流。该层流层叫其流态基本上属层流。该层流层叫粘性底层粘性底层。在粘。在粘性底层以外的液流才是紊流，称为性底层以外的液流才是紊流，称为紊流流核紊流流核。粘性底层对紊流沿程阻粘性底层对紊流沿程阻力的规律有重大意义力的规律有重大意义第三章第三章第三章第三章 液流流态与水头损失液流流态与水头损失液流流态与水头损失液流流态与水头损失3.6 3.6 紊流的特征紊流的特征第45页/共84页46u 粘性底层的厚度粘性底层的厚度u 摩阻流速摩阻流速说明粘性底层厚度随雷诺数增大而减小说明粘性底层厚
33、度随雷诺数增大而减小第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失u 绝对粗糙度绝对粗糙度固体边界粗糙表面的突出高度，常用固体边界粗糙表面的突出高度，常用表示表示 0三、紊流的脉动对水流运动的影响三、紊流的脉动对水流运动的影响2 2、紊流中存在粘性底层、紊流中存在粘性底层3.6 3.6 紊流的特征紊流的特征第46页/共84页47水力光滑面水力光滑面（当（当ReRe较小时）较小时）o o可以大于可以大于若干倍，凸出高度完全淹没在若干倍，凸出高度完全淹没在粘性底层之中，粗糙度对紊流不起任何作用，粘性底层之中，粗糙度对紊流不起任何作用，边边壁对水流
34、的阻力，主要是粘性底层的粘滞阻力。壁对水流的阻力，主要是粘性底层的粘滞阻力。第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失三、紊流的脉动对水流运动的影响三、紊流的脉动对水流运动的影响2 2、紊流中存在粘性底层、紊流中存在粘性底层3.6 3.6 紊流的特征紊流的特征第47页/共84页48 粘性底层极薄，粘性底层极薄，o o 可以小于可以小于若干倍。边壁若干倍。边壁的粗糙度对紊流已起主要作用。紊流流核绕过凸出的粗糙度对紊流已起主要作用。紊流流核绕过凸出高度时将形成小漩涡。高度时将形成小漩涡。边壁对水流的阻力主要是由边壁对水流的阻力主要是由这些小漩
35、涡造成的，而粘性底层的粘滞力只占次要这些小漩涡造成的，而粘性底层的粘滞力只占次要地位，与前者相比，几乎可以忽略不计。地位，与前者相比，几乎可以忽略不计。水力粗糙面水力粗糙面(当当ReRe较大时较大时)第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失三、紊流的脉动对水流运动的影响三、紊流的脉动对水流运动的影响2 2、紊流中存在粘性底层、紊流中存在粘性底层3.6 3.6 紊流的特征紊流的特征第48页/共84页49 粘性底层已不足以完全掩盖住边壁粗糙度粘性底层已不足以完全掩盖住边壁粗糙度的影响，但粗糙度还没有起决定性作用。的影响，但粗糙度还没有起决定
36、性作用。过渡粗糙面过渡粗糙面介于以上两者之间的情况介于以上两者之间的情况第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失三、紊流的脉动对水流运动的影响三、紊流的脉动对水流运动的影响2 2、紊流中存在粘性底层、紊流中存在粘性底层3.6 3.6 紊流的特征紊流的特征第49页/共84页503 3、紊流使流速分布均匀化、紊流使流速分布均匀化（1 1）、指数公式）、指数公式l n n 与雷诺数与雷诺数 Re Re 有关有关l 当当Re Re 1010105 5 时，时，n=1/8,1/9,1/10n=1/8,1/9,1/10等，可获得更等，可获得更准确的
37、结果。准确的结果。第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失三、紊流的脉动对水流运动的影响三、紊流的脉动对水流运动的影响3.6 3.6 紊流的特征紊流的特征第50页/共84页51（2 2）对数公式）对数公式将将 代入代入,得得 可知可知：紊流时过水断面上的流速是按对数规律分布：紊流时过水断面上的流速是按对数规律分布的，比层流时按抛物线分布要均匀得多。的，比层流时按抛物线分布要均匀得多。原因原因:紊流时由于液体质点的混掺作用，动量发生紊流时由于液体质点的混掺作用，动量发生交换交换,使流速分布均匀化。使流速分布均匀化。C C为积分常数为积分常
38、数 尼古拉兹试验尼古拉兹试验 光滑管光滑管 粗糙管粗糙管第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失3 3、紊流使流速分布均匀化、紊流使流速分布均匀化三、紊流的脉动对水流运动的影响三、紊流的脉动对水流运动的影响3.6 3.6 紊流的特征紊流的特征第51页/共84页52相对粗糙度相对粗糙度-砂粒直径砂粒直径r r0 0-管道半径管道半径相对光滑度相对光滑度不同粒径的人工砂粘贴在不同直径的管道的内壁，不同粒径的人工砂粘贴在不同直径的管道的内壁，用不同的流速进行试验。用不同的流速进行试验。3.3.7 7 的变化规律的变化规律一、尼古拉兹实验一、尼
39、古拉兹实验第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失第52页/共84页53第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失一、尼古拉兹实验一、尼古拉兹实验第53页/共84页541.1.层流区层流区(Re2000):(Re2000):2.2.过渡区过渡区(2000Re4000):(2000Re4000):(Re4000):紊流光滑区紊流光滑区(Re(Re较小较小):):紊流过渡区紊流过渡区:紊流粗糙区紊流粗糙区:第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失
40、液流阻力与水头损失一、尼古拉兹实验一、尼古拉兹实验第54页/共84页553.3.7 7 的变化规律的变化规律一、尼古拉兹实验一、尼古拉兹实验第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失第55页/共84页563.3.7 7 的变化规律的变化规律二、实用管道试验研究二、实用管道试验研究第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失第56页/共84页57第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失3.3.7 7 的变化规律的变化规律二、实用管
41、道试验研究二、实用管道试验研究第57页/共84页58第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失3.3.7 7 的变化规律的变化规律二、实用管道试验研究二、实用管道试验研究第58页/共84页593.3.7 7 的变化规律的变化规律二、实用管道试验研究二、实用管道试验研究第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失第59页/共84页60 3.8 3.8 计算沿程水头损失的经验公式计算沿程水头损失的经验公式谢才公式谢才公式:u 建立在大量阻力平方区的实际资料基础上建立在大量阻力平方区的实际资
42、料基础上u 至今在工程实践中被广泛采用至今在工程实践中被广泛采用（17691769年）年）u 明渠均匀流的实测资料明渠均匀流的实测资料C C谢才系数，谢才系数，R R为水力半径，为水力半径，J J为水力坡度为水力坡度令令达西公式达西公式第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失第60页/共84页61适用：适用：紊流阻力平方区紊流阻力平方区可应用于明渠也可应用于管流可应用于明渠也可应用于管流 C C 是反映边界对液体运动影响的综合系数，称为是反映边界对液体运动影响的综合系数，称为谢才系数，单位：谢才系数，单位：m m1/21/2/s/s(1
43、)(1)曼宁公式：曼宁公式：n n 为粗糙系数，简称糙率为粗糙系数，简称糙率第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失（18901890年）年）3.8 3.8 计算沿程水头损失的经验公式计算沿程水头损失的经验公式谢才公式谢才公式:第61页/共84页62(2)(2)巴浦洛夫斯基公式：巴浦洛夫斯基公式：（19251925年）年）适用范围适用范围第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失 3.8 3.8 计算沿程水头损失的经验公式计算沿程水头损失的经验公式第62页/共84页63水流阻力与水
44、头损失 不变边界 或渐变边界粘性流体沿程阻力 沿程水头损失 圆管均匀流+均匀流(渐变流)雷诺试验 层流紊流+圆管层流 紊流形成 紊流特征人工管道：尼古拉兹试验 实用管道：莫迪图当量粗糙度急变流 变化边界粘性流体局部阻力 局部水头损失+总结总结 总结 第63页/共84页64例例2 2有一混凝土护面的梯形渠道，底宽有一混凝土护面的梯形渠道，底宽b b为为10 m10 m，水深水深h h为为3m3m，两岸边坡为，两岸边坡为1:11:1，粗糙系数，粗糙系数n n为为0.0170.017。如水流属阻力平方区，试用各公式求谢齐系数。如水流属阻力平方区，试用各公式求谢齐系数。第三章第三章第三章第三章 液流阻
45、力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失 3.8 3.8 计算沿程水头损失的经验公式计算沿程水头损失的经验公式第64页/共84页65第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失 3.8 3.8 计算沿程水头损失的经验公式计算沿程水头损失的经验公式第65页/共84页66过水断面面积例3：有一混凝土护面的梯形渠道，底宽10m，水深3m，两岸边坡为1：1，粗糙系数为0.017，流量为39m3/s，水流属于阻力平方区的紊流，求每公里渠道上的沿程水头损失。bh1：11：1解：湿周水力半径谢才系数沿程水头损失断面平均流速 3.
46、8 3.8 计算沿程水头损失的经验公式计算沿程水头损失的经验公式第66页/共84页673.9 3.9 局部水头损失局部水头损失第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失一、局部水头损失产生的原因一、局部水头损失产生的原因 局部水头损失产生于边界发生明显改变的地局部水头损失产生于边界发生明显改变的地方，使水流形态发生了很大的变化。其特点为能方，使水流形态发生了很大的变化。其特点为能耗大、能耗集中而且主要为旋涡紊动损失。耗大、能耗集中而且主要为旋涡紊动损失。突然缩小管道弯头管道进口第67页/共84页68二、圆管突然扩大情形二、圆管突然扩大情形
47、 如图为一突然扩大的圆管，管的断面从如图为一突然扩大的圆管，管的断面从A A1 1突然扩突然扩大至大至A A2 2 ，液流自小断面进入大断面时，流股脱离固体，液流自小断面进入大断面时，流股脱离固体边界，四周形成漩涡，然后流股逐渐扩大，约经距离边界，四周形成漩涡，然后流股逐渐扩大，约经距离(5(58)d8)d2 2 以后才与大断面吻合。在断面以后才与大断面吻合。在断面1 11 1及及2 22 2处处的水流均为缓变流，可写出能量方程式的水流均为缓变流，可写出能量方程式:第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失3.9 3.9 局部水头损失局部
48、水头损失第68页/共84页69 由于由于1 11 1和和2 22 2两断面之间的距离很短，沿两断面之间的距离很短，沿程水头损失可以略去不计，即程水头损失可以略去不计，即 h hw w=h hj j，则上式可，则上式可写作写作显然上式中显然上式中p p1 1及及p p2 2是未知的，是未知的，应用动量定律应用动量定律可得可得突然扩大的局部水头损失的理论公式突然扩大的局部水头损失的理论公式第三章第三章第三章第三章 液流流态与水头损失液流流态与水头损失液流流态与水头损失液流流态与水头损失3.9 3.9 局部水头损失局部水头损失第69页/共84页70因为因为或或突然扩大的局部水头损失系数突然扩大的局部
49、水头损失系数第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失3.9 3.9 局部水头损失局部水头损失第70页/共84页71z 局部阻力系数，局部阻力系数，由试验测定由试验测定一般公式u 为发生局部水头损失以后为发生局部水头损失以后(或以前或以前)的的断面平均流速。断面平均流速。u 查资料时应特别注意，某些资料时常注查资料时应特别注意，某些资料时常注明相应的流速的位置。明相应的流速的位置。l局局部部水水头头损损失失的的计计算算在在于于正正确确选选择择局局部部水水头头损失系数损失系数，但注意对应的流速水头。，但注意对应的流速水头。3.9 3.9 局
50、部水头损失局部水头损失第71页/共84页72第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失3.9 3.9 局部水头损失局部水头损失第72页/共84页73第三章第三章第三章第三章 液流流态与水头损失液流流态与水头损失液流流态与水头损失液流流态与水头损失3.9 3.9 局部水头损失局部水头损失第73页/共84页74第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失3.9 3.9 局部水头损失局部水头损失第74页/共84页75第三章第三章第三章第三章 液流阻力与水头损失液流阻力与水头损失液流阻力与水头