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第四章水头损失第一页，本课件共有72页1.1.理解水流阻力和水头损失产生的原因及分类，掌握理解水流阻力和水头损失产生的原因及分类，掌握水力半径的概念。水力半径的概念。2.2.理解雷诺实验现象和液体流动两种流态的特点，掌理解雷诺实验现象和液体流动两种流态的特点，掌握层流与紊流的判别方法及雷诺数握层流与紊流的判别方法及雷诺数ReRe的物理含义，弄的物理含义，弄清楚判别明渠水流和管流临界雷诺数不同的原因。清楚判别明渠水流和管流临界雷诺数不同的原因。【教学基本要求】【教学基本要求】第二页，本课件共有72页一、一、产生水头损失的原因及其分类产生水头损失的原因及其分类3 第一节第一节 流动阻力和水头损失的形式流动阻力和水头损失的形式第三页，本课件共有72页（一）产生水头损失的原因（一）产生水头损失的原因1.1.水头损失的内因：粘滞性水头损失的内因：粘滞性2.2.水头损失的外因：边界对液流的约束水头损失的外因：边界对液流的约束第四页，本课件共有72页（二）水流运动的阻力的分类（二）水流运动的阻力的分类1.1.内摩擦阻力内摩擦阻力2.2.附加阻力附加阻力第五页，本课件共有72页（三）水头损失的类型（三）水头损失的类型水头损失：单位重量的液体自一断面流到另一断面所损失的机械水头损失：单位重量的液体自一断面流到另一断面所损失的机械能。能。分类：分类：(1)(1)沿程水头损失：液流做均匀流，在液流内部与固壁之间产生的沿程沿程水头损失：液流做均匀流，在液流内部与固壁之间产生的沿程不变的切应力，称为沿程阻力。不变的切应力，称为沿程阻力。由沿程阻力做功而引起的水头损失称为沿程水头损失。由沿程阻力做功而引起的水头损失称为沿程水头损失。(2)(2)局部水头损失：局部水头损失：当固体壁沿流程急剧改变，是液流内部流速重新分布，质点间进当固体壁沿流程急剧改变，是液流内部流速重新分布，质点间进行剧烈动量交换而产生的阻力。行剧烈动量交换而产生的阻力。有局部阻力做功引起的水头损失称为局部水头损失。有局部阻力做功引起的水头损失称为局部水头损失。第六页，本课件共有72页7 第七页，本课件共有72页常见的发生局部水头损失区域常见的发生局部水头损失区域 只要局部地区边界的形状或大小改变，液流内部只要局部地区边界的形状或大小改变，液流内部结构就要急剧调整，流速分布进行改组流线发生弯曲结构就要急剧调整，流速分布进行改组流线发生弯曲并产生旋涡，在这些局部地区就有局部水头损失。并产生旋涡，在这些局部地区就有局部水头损失。8 第八页，本课件共有72页9 第二节第二节 层流与紊流两种型态层流与紊流两种型态 一、雷诺试验一、雷诺试验 第九页，本课件共有72页 实际流体的流动会呈现出实际流体的流动会呈现出两种不同的型态：层流和紊两种不同的型态：层流和紊流，它们的区别在于：流动流，它们的区别在于：流动过程中流体层之间是否发生过程中流体层之间是否发生混掺现象。在紊流流动中存混掺现象。在紊流流动中存在随机变化的脉动量，而在在随机变化的脉动量，而在层流流动中则没有。层流流动中则没有。第十页，本课件共有72页紊紊流流层层流流过过渡渡区区m=1m=1.75-2.0 线段AC及ED都是直线，用 表示 即 层流时适用直线AC，即m1。紊流时适用直线DE，m1.752。第十一页，本课件共有72页 圆圆管管中中恒恒定定流流动动的的流流态态发发生生转转化化时时对对应应的的雷雷诺诺数数称称为为临临界界雷雷诺诺数数，又又分分为为上上临临界界雷雷诺诺数数和和下下临临界界雷雷诺诺数数。上上临临界界雷雷诺诺数数表表示示超超过过此此雷雷诺诺数数的的流流动动必必为为紊紊流流，它它很很不不确确定定，跨跨越越一一个个较较大大的的取取值值范范围围。有有实实际际意意义义的的是是下下临临界界雷雷诺诺数数，表表示示低低于于此此雷雷诺诺数数的的流流动动必必为为层层流流，有有确确定定的的取取值值，圆圆管管定定常流常流动动取取为为 紊流紊流层层流流紊流紊流层层流流上上临临界雷界雷诺诺数数下下临临界雷界雷诺诺数数ReRe12000-40000第十二页，本课件共有72页雷雷诺试验诺试验表明：表明：圆圆管中管中恒恒定流定流动动的流的流态转态转化取决于雷化取决于雷诺诺数数 d 是是圆圆管直径，管直径，v 是断面平均流速，是断面平均流速，是流体的运是流体的运动动粘性系数。粘性系数。实实际际流流体体的的流流动动之之所所以以会会呈呈现现出出两两种种不不同同的的型型态态是是扰扰动动因因素素与与粘粘性性稳稳定定作作用用之之间间对对比比和和抗抗衡衡的的结结果果。针针对对圆圆管管中中恒恒定定流流动动的的情情况况，容容易易理理解解：减减小小 d，减减小小 v ，加加大大 三三种种途途径径都都是是有有利利于于流流动动稳稳定定的的。综综合合起起来来看看，小小雷雷诺诺数数流流动动趋趋于于稳稳定定，而而大雷诺数流动稳定性差，容易发生紊流现象。大雷诺数流动稳定性差，容易发生紊流现象。第十三页，本课件共有72页14 二、层流、紊流的判别标准 雷诺数：临界雷诺数：液流型态开始转变时的雷诺数。对圆管：对明渠及天然河道 第十四页，本课件共有72页15 过水断面的面积过水断面的面积A A、湿周、湿周 及力半径及力半径R R等。等。湿湿周周 ：液液流流过过水水断断面面与与固固体体边边界界接接触触的的周界线。周界线。水力半径：水力半径：对圆管：对圆管：第十五页，本课件共有72页1.1.当输水管的流量一定时，随管径的加大，雷诺数当输水管的流量一定时，随管径的加大，雷诺数是增大还是减小？原因何在？是增大还是减小？原因何在？2.2.有一条输水管，水流速度有一条输水管，水流速度V=1m/sV=1m/s，水温，水温t=20,t=20,管管径径d=200mmd=200mm，试判断其水流型态。，试判断其水流型态。3.3.一条矩形断面渠道，底宽一条矩形断面渠道，底宽b=200cm,b=200cm,水深水深h=15cm,h=15cm,若水流流速若水流流速v=0.5m/s,v=0.5m/s,水温为水温为2020，试判，试判断其流动型态。断其流动型态。第十六页，本课件共有72页三、雷诺数的物理意义三、雷诺数的物理意义第十七页，本课件共有72页粘性稳定粘性稳定扰动因素扰动因素 d v 利于稳定利于稳定对比抗衡第十八页，本课件共有72页19 四、紊流脉动四、紊流脉动（一）、紊流的形成（一）、紊流的形成雷诺实验表明层流与紊流的主要区别在于紊流时各流层之间液体质雷诺实验表明层流与紊流的主要区别在于紊流时各流层之间液体质点有不断地互相混掺作用，而层流则无。点有不断地互相混掺作用，而层流则无。第十九页，本课件共有72页+-+-高速流层高速流层低速流层低速流层第二十页，本课件共有72页21(a)(b)(c)涡体的形成是混掺作用产生的根源。涡体的形成是混掺作用产生的根源。第二十一页，本课件共有72页旋涡受升力而升降，产生横向运动，引起流体层之间的混掺旋涡受升力而升降，产生横向运动，引起流体层之间的混掺涡体涡体第二十二页，本课件共有72页23 涡体的形成并不一定形成紊流，只有当惯性作用与涡体的形成并不一定形成紊流，只有当惯性作用与粘滞作用相比强大到一定程度时，才可能形成紊流。所粘滞作用相比强大到一定程度时，才可能形成紊流。所以雷诺数是表征惯性力与粘滞力的比值。以雷诺数是表征惯性力与粘滞力的比值。第二十三页，本课件共有72页24（二）（二）紊流的特征紊流的特征 紊流的基本特征是许许多多大小不等的涡体相紊流的基本特征是许许多多大小不等的涡体相互混掺前进，它们的位置、形态、流速都在时刻不互混掺前进，它们的位置、形态、流速都在时刻不断地变化。断地变化。一、运动要素的脉动一、运动要素的脉动 （a）（b）第二十四页，本课件共有72页试验研究结果表明：瞬时流速虽有变化，但在足够试验研究结果表明：瞬时流速虽有变化，但在足够长的时间过程中，它的时间平均值是不变的。长的时间过程中，它的时间平均值是不变的。时间平均流速可表示为时间平均流速可表示为25 即恒定流时即恒定流时时间平均流速时间平均流速不随时间变化，非恒定流不随时间变化，非恒定流时时时间平均流速时间平均流速随时间而变化。随时间而变化。第二十五页，本课件共有72页26 瞬瞬时时流流速速与与时时间间平平均均流流速速之之差差叫叫做做脉脉动动流流 速速 ，即，即 脉动流速的时间平均脉动流速的时间平均 其它运动要素如动水压强也可用同样方法来表示：其它运动要素如动水压强也可用同样方法来表示：第二十六页，本课件共有72页27（三）、紊动的切应力（三）、紊动的切应力 层流运动粘滞切应力：层流运动粘滞切应力：紊紊动动时时均均切切应应力力 看看作作是是由由两两部部分分所所组组成成：第第一一部部分分为为由由相相邻邻两两流流层层间间时时间间平平均均流流速速相相对对运运动动所所产产生生的的粘粘滞滞切切应应力力 ；第第二二部部分分为为纯纯粹粹由由脉脉动动流流速速所所产产生的附加切应力生的附加切应力 。故有故有第二十七页，本课件共有72页28 第三节第三节 恒定均匀流沿程水头损失与切应力的关系恒定均匀流沿程水头损失与切应力的关系 均 匀 流第二十八页，本课件共有72页29 非非 均均 匀匀 流流均匀流时无局部水头损失，非均匀渐变流时局部水头损均匀流时无局部水头损失，非均匀渐变流时局部水头损失可忽略不计，非均匀急变流时两种水头损失都有。失可忽略不计，非均匀急变流时两种水头损失都有。第二十九页，本课件共有72页30 在管道或明渠均匀流中，任意取出一段总流来分在管道或明渠均匀流中，任意取出一段总流来分析，作用在该总流段上有下列各力。析，作用在该总流段上有下列各力。一、动水压力一、动水压力 1-1断面 2-2断面 第三十页，本课件共有72页31 二、重力重力:三、摩擦阻力 因为均匀流没有加速度，所以 即 第三十一页，本课件共有72页32 因断面因断面1-11-1及及2-22-2的流速水头相等，则能量方程为有的流速水头相等，则能量方程为有 上式就是均匀流沿程水头损失与切应力的关系式。上式就是均匀流沿程水头损失与切应力的关系式。第三十二页，本课件共有72页（二）圆管层流的切应力（二）圆管层流的切应力ux 第三十三页，本课件共有72页（三）均匀层流中的切应力存在规律（三）均匀层流中的切应力存在规律 hh-y高速流层高速流层低速流层低速流层第三十四页，本课件共有72页一一 达西公式达西公式 第四节第四节 沿程水头损失沿程水头损失第三十五页，本课件共有72页尼库拉兹沿程阻力系数与雷诺数关系图尼库拉兹沿程阻力系数与雷诺数关系图 尼库拉兹为探讨紊流沿程阻力的计算公式，用不尼库拉兹为探讨紊流沿程阻力的计算公式，用不同粒径的人工砂粘贴在不同直径的管道的内壁上，同粒径的人工砂粘贴在不同直径的管道的内壁上，用不同的流速进行一系列试验。用不同的流速进行一系列试验。二二 尼古尼古拉兹拉兹试验试验层流层流层流区层流区过渡区过渡区粗糙区粗糙区过渡粗过渡粗糙区糙区光滑管光滑管尼古拉兹实验曲线尼古拉兹实验曲线第三十六页，本课件共有72页尼库拉兹试验结果表明：尼库拉兹试验结果表明：一）、当一）、当ReRe23002300时，时，与与ReRe的关系为直的关系为直线线，与相对光滑度无关。，与相对光滑度无关。二）、当二）、当23002300ReRe40004000时，过渡区，时时，过渡区，时而紊流，时而层流。而紊流，时而层流。第三十七页，本课件共有72页38 三）、当三）、当Re4000时，时，决定于决定于 与与 的关系：的关系：1当当Re较较小小时时，较较厚厚，可可以以淹淹没没 ，管管壁壁就就是是水水力力光滑管。光滑管。f(Re)，而与，而与 无关。图中直线无关。图中直线。2在在直直线线与与直直线线之之间间的的区区域域为为光光滑滑管管过过渡渡到到粗粗糙管的过渡区。糙管的过渡区。3直线直线以右的区域，以右的区域，与与 有关，而与有关，而与Re无关，属无关，属粗糙管区。粗糙管区。第三十八页，本课件共有72页1.1.圆管紊流过渡区的沿程摩阻系数：圆管紊流过渡区的沿程摩阻系数：（a a）与雷诺数）与雷诺数 有关；有关；（b b）与管壁相对粗糙）与管壁相对粗糙 有关；有关；（c c）与）与 及及 有关；有关；（d d）与）与 和和 管长有关。管长有关。2.2.圆管紊流粗糙区的沿程摩阻系数，在紊流过渡区圆管紊流粗糙区的沿程摩阻系数，在紊流过渡区随雷诺数的增加：随雷诺数的增加：（a a）增加；（）增加；（b b）减小；）减小；（c c）不变；（）不变；（d d）不定。）不定。思考第三十九页，本课件共有72页层流层流层流区层流区过渡区过渡区粗糙区粗糙区过渡粗过渡粗糙区糙区光滑管光滑管三三 工业管道实验工业管道实验第四十页，本课件共有72页四四 沿程阻力系数的计算公式沿程阻力系数的计算公式1)1)层流的流速分布及其沿程阻力系数层流的流速分布及其沿程阻力系数第四十一页，本课件共有72页42 2 2）圆管层流圆管层流 圆圆管管中中层层流流运运动动圆圆筒筒层层表表面面的的切切应应力力可可按按牛牛顿顿 内摩擦定律来计算：内摩擦定律来计算：圆筒层表面切应力圆筒层表面切应力:当当r=r0时，时，得流速分布公式得流速分布公式第四十二页，本课件共有72页高速流层高速流层低速流层低速流层3）宽浅式明渠（槽）宽浅式明渠（槽）第四十三页，本课件共有72页若有两根管道水流做层流运动，其直径若有两根管道水流做层流运动，其直径d d，长度长度l l，绝对粗糙度均相等，其中一根输油，绝对粗糙度均相等，其中一根输油，一根输水，问：当两管中的流速相等时，一根输水，问：当两管中的流速相等时，其沿程水头损失是否相等？当两管中的雷其沿程水头损失是否相等？当两管中的雷诺数相等时，沿程水头损失是否相等？诺数相等时，沿程水头损失是否相等？第四十四页，本课件共有72页45（2 2）紊流中的流速分布及其沿程阻力系数）紊流中的流速分布及其沿程阻力系数 紊流中紧靠固体边界附近地方，脉动流速很紊流中紧靠固体边界附近地方，脉动流速很 小，由脉动流速产生的附加切应力也很小，而流速梯小，由脉动流速产生的附加切应力也很小，而流速梯度却很大，所以粘滞切应力起主导作用，其流态基本度却很大，所以粘滞切应力起主导作用，其流态基本属层流。属层流。1）粘性底层）粘性底层第四十五页，本课件共有72页46 第四十六页，本课件共有72页2）紊流流核区）紊流流核区紊紊流流区区过渡区过渡区粘性底层粘性底层管轴管轴 y x第四十七页，本课件共有72页注意：光滑面或粗糙面不完全取决于边界面本身的光注意：光滑面或粗糙面不完全取决于边界面本身的光滑或粗糙，而是依据粘性底层厚度与绝对粗糙度两者滑或粗糙，而是依据粘性底层厚度与绝对粗糙度两者的大小的对比来确定的。的大小的对比来确定的。紊流核区中同一固体紊流核区中同一固体 边边界面的光滑、粗糙与流界面的光滑、粗糙与流速没关系？速没关系？第四十八页，本课件共有72页第四十九页，本课件共有72页50 3）紊流的流速分布）紊流的流速分布 紊流中由于液体质点相互混掺，互相碰撞，因而产生了紊流中由于液体质点相互混掺，互相碰撞，因而产生了液体内部各质点间的动量传递，造成断面流速分布的均匀化。液体内部各质点间的动量传递，造成断面流速分布的均匀化。第五十页，本课件共有72页51 尼库拉兹管道流速分布公式：尼库拉兹管道流速分布公式：(1)光滑管光滑管 (2)粗糙管粗糙管 第五十一页，本课件共有72页52 目前管道中常用的紊流流速分布的表达式：目前管道中常用的紊流流速分布的表达式：1.流速的分布的指数公式流速的分布的指数公式 当Re105,n=1/7,流速分布的七分之一次方定律。当Re105,n=1/8,1/9，1/10据具体情况而定。2.流速的分布的对数公式流速的分布的对数公式 第五十二页，本课件共有72页53 目前管道中常用的紊流流速分布的表达式：1.流速的分布的指数公式 当Re105,n=1/8,1/9，1/10据具体情况而定。2.流速的分布的对数公式 第五十三页，本课件共有72页54 4.经验公式第五十四页，本课件共有72页55 两个常用的计算谢才系数的公式：两个常用的计算谢才系数的公式：一、满宁（一、满宁（Manning,1890Manning,1890）公式）公式 二、巴甫洛夫斯基二、巴甫洛夫斯基 式式中中n n为为粗粗糙糙系系数数，也也称称糙糙率率，是是表表征征边边界界表表面面影影响响水流阻力的各种因素的一个综合系数。水流阻力的各种因素的一个综合系数。第五十五页，本课件共有72页看例4-1 第五十六页，本课件共有72页例题：已知某钢管直径d=0.2m，长度l=100m，壁面状况一般，管内水温为5，流量Q=2.410-2m3/s,计算沿程水头损失。第五十七页，本课件共有72页例题例题2 2一钢筋混凝土衬砌隧洞，直径一钢筋混凝土衬砌隧洞，直径d=6m,d=6m,长长l=1km,l=1km,通过的流量通过的流量Q=400mQ=400m3 3/s/s。水温按。水温按1515计，计，求水头损失求水头损失h hf f（流动为紊流粗糙区）。（流动为紊流粗糙区）。第五十八页，本课件共有72页59 第六节第六节 局部水头损失局部水头损失 突然扩大突然缩小闸阀三通汇流管道弯头管道进口分离区分离区分离区分离区分离区分离区分离区分离区分离区分离区分离区分离区分离区分离区有有压压管管道道恒恒定定流流遇遇到到管管道道边边界界的的局局部部突突变变 流流动动分分离离形形成成剪剪切切层层 剪剪切切层层流流动动不不稳稳定定，引引起起流流动动结结构构的的重重新新调调整整，并并产产生生旋旋涡涡 平平均均流流动动能能量量转转化化成成脉脉动动能能量量，造造成成不不可可逆的能量耗散。逆的能量耗散。第五十九页，本课件共有72页v1A1A2v21122第六十页，本课件共有72页61 第六十一页，本课件共有72页62 第六十二页，本课件共有72页局部水头损失计算局部水头损失计算特别注意：管道平均流速，一般取用局部阻力特别注意：管道平均流速，一般取用局部阻力后的管道平均流速。当管道出口在水下出流时，后的管道平均流速。当管道出口在水下出流时，可采用管道出口前的管内平均流速。可采用管道出口前的管内平均流速。第六十三页，本课件共有72页例题：水从一水箱经两段水管流入另一水箱如图。水箱尺寸很大，箱内水位恒定，计沿程及局部水头损失，试求通过管路的流量。第六十四页，本课件共有72页例题：水从水箱流入一直径不同的管道，管道连接情况如图所示，已知第六十五页，本课件共有72页习题 4-15第六十六页，本课件共有72页三、总水头线和测压管水头线的绘制三、总水头线和测压管水头线的绘制（一）根据各管段的流量，计算相应的流速、（一）根据各管段的流量，计算相应的流速、沿程水头损失和局部水头损失；沿程水头损失和局部水头损失；（二）自管道的进口到出口，算出每一管段（二）自管道的进口到出口，算出每一管段两端的总水头值，并绘出总水头线。两端的总水头值，并绘出总水头线。（三）总水头线减去相应流速水头，即可得（三）总水头线减去相应流速水头，即可得测压管水头，并绘制测压管水头线。测压管水头，并绘制测压管水头线。第六十七页，本课件共有72页水头线绘制方法水头线绘制方法第六十八页，本课件共有72页水头线绘制方法水头线绘制方法第六十九页，本课件共有72页1.1.绘制局部水头损失时，假设局部水头损失集中发生绘制局部水头损失时，假设局部水头损失集中发生在局部边界突变的断面上，这该断面有局部水头损失在局部边界突变的断面上，这该断面有局部水头损失和沿程水头损失；和沿程水头损失；2.2.在等直径管段中，测压管水头线与总水头线平行；在等直径管段中，测压管水头线与总水头线平行；3.3.测压管水头线可以上升可以下降，但总水头线只测压管水头线可以上升可以下降，但总水头线只能下降。能下降。（二）绘制水头线应注意的问题（二）绘制水头线应注意的问题第七十页，本课件共有72页 通通过过有有压压管道恒定流管道恒定流动动的水力的水力计计算，容易确定沿算，容易确定沿程程压压强强的分布，的分布，得到得到测测压压管水管水头线头线。测压管水头线低于测压管水头线低于管轴线，为负压。管轴线，为负压。工程中有工程中有时时需要避免需要避免压压力的低力的低值值，为为此找出管道中的此找出管道中的压压力最低点，力最低点，检验检验其是否其是否满满足要求。足要求。如如压压力力过过低，可采取低，可采取调调整管道位置高程、降低流速等整管道位置高程、降低流速等措施解决。措施解决。第七十一页，本课件共有72页本章学习重点：本章学习重点：1.1.了解液体运动两种流态的特点，掌握流态的判别方法了解液体运动两种流态的特点，掌握流态的判别方法和雷诺数和雷诺数ReRe的物理意义。的物理意义。2.2.掌握沿程水头损失系数掌握沿程水头损失系数在层流和紊流三个流区在层流和紊流三个流区内的变化规律。内的变化规律。3.3.会应用达西公式计算沿程水头损失。会应用达西公式计算沿程水头损失。4.4.掌握谢才公式及曼宁公式，并会确定糙率掌握谢才公式及曼宁公式，并会确定糙率n n。5.5.掌握局部水头损失计算。掌握局部水头损失计算。第七十二页，本课件共有72页