第4章 流动阻力和水头损失.ppt

第四章第四章 液流阻力和水头损失液流阻力和水头损失 实际液体具有粘滞性，在流动时就产生阻力，克服阻力就要消耗一部分机械能，造成能量损失，单位重量液体的能量损失称为水头损失。本章的中心内容就是研究液流流态和能量损失。1 141 水头损失的两种形式水头损失的两种形式（一）流动阻力及水头损失的两种形式（一）流动阻力及水头损失的两种形式沿程水头损失局部水头损失2 2 对于某一液流系统而言，若同时受若干个沿程阻力和局部阻力，且各局部阻力相距较远互不影响，则全流程上总水头损失应为所有沿程水头损失与所有局部水头损失之和：3 342 雷诺试验雷诺试验层流和紊流层流和紊流（一）雷诺试验（一）雷诺试验 1883年英国的雷诺通过试验发现液流中存在层流和紊流两种流态。当流速较小时，各流层的液体质点有条不紊、互不掺混的作直线运动，这种流动称为层流。在雷诺试验中：当流速增大至某一数值后，各流层的质点互相掺混、杂乱无章，这种流动称为紊流。相应于液体流态转变时的流速称为临界流速。4 4（二）水头损失与流速关系（二）水头损失与流速关系阀门逐渐开大，流速自小变大：阀门逐渐开大，流速自小变大：层流层流紊流紊流图 415 5阀门逐渐开小，流速自大变小：阀门逐渐开小，流速自大变小：层流层流紊流紊流6 6（三）液流流态的判别（三）液流流态的判别临界流速对于管流：层流紊流7 7 以上试验的结果对对其他边界条件下的液流同样适用，只是边界条件不同，下临界雷诺数的数值不同。例如明渠及天然河道例如明渠及天然河道满流的圆管满流的矩形断面8 8惯性力的因次：惯性力的因次：粘滞力的因次：粘滞力的因次：惯性力与粘滞力的比值：惯性力与粘滞力的比值：9 943 均匀流基本方程均匀流基本方程（一）液体均匀流动的沿程水头损失（一）液体均匀流动的沿程水头损失 液体在均匀流的情况下只存在沿程水头损失，现以图42所示的圆管均匀流为例，说明自断面11至22时的沿程水头损失。取断面11和22立伯努利方程：沿程水头损失等于测压管水头差值；消耗的能量全部由势能提供1010图 42（二）均匀流基本方程（二）均匀流基本方程11111.动水压力1212 因为是均匀流的总流段，流段没有加速度，所以合力为零。列沿流动方向的受力平衡方程式：即：均匀流基本方程1313总流段表面上平均切应力与其水力半径成正比141444 沿程水头损失的通用公式沿程水头损失的通用公式因次分析代入均匀流基本方程达西公式：适用于层流和紊流。151545 圆管中的层流运动圆管中的层流运动（一）流速分布（一）流速分布图 431616积分得：圆管均匀层流的流速分布呈抛物线形17171818（二）流量及平均流速（二）流量及平均流速圆管均匀层流的流量为：圆管层流的断面平均流速为：上式说明圆管均匀流的最大流速为平均流速的两倍。1919（三）沿程水头损失及沿程阻力系数（三）沿程水头损失及沿程阻力系数2020 尼古拉兹对六种人工粗糙管，在不同管径、流速的同一管长内，通过改变流量，进行了对沿程阻力系数的研究。该曲线可以分为以下五个区域：层流区层流区层流转变为紊流的过渡区层流转变为紊流的过渡区水力光滑区水力光滑区水力光滑区与粗糙区间的过渡粗糙区水力光滑区与粗糙区间的过渡粗糙区粗糙区粗糙区2121层流区：层流区：2222层流转变为紊流的过渡区：层流转变为紊流的过渡区：试验点较乱，且雷诺数范围很窄，实用意义不大。2323水力光滑区：水力光滑区：2424水力光滑区与粗糙区之间的过渡粗糙区：水力光滑区与粗糙区之间的过渡粗糙区：2525粗糙区（阻力平方区）：粗糙区（阻力平方区）：26261.水力光滑区（圆管紊流）水力光滑区（圆管紊流）尼古拉兹公式：布拉休斯公式：27272.粗糙区（圆管紊流）粗糙区（圆管紊流）尼古拉兹公式：282848 沿程水头损失的经验公式谢才公式沿程水头损失的经验公式谢才公式只适用于紊流粗糙区2929曼宁公式巴甫洛夫斯基公式3030（一）曼宁公式（一）曼宁公式3131（二）巴甫洛夫斯基公式（二）巴甫洛夫斯基公式323249 局部水头损失局部水头损失 液流在边界形状急剧变化的地方，会产生局部阻力或局部水头损失。目前，除突然扩大所引起的局部水头损失可用理论方法计算外，其它型式的局部水头损失都通过试验来解决。本节以圆管突然扩大的局部水头损失的计算为例作一理论推求。3333取断面11、22立伯努利方程：34343535圆管突然扩大时局部水头损失的理论公式36363737