水头损失计算.pptx

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1、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1 第一节第一节 水头损失的类型水头损失的类型第1页/共70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2页/共70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.沿程阻力沿程阻力2.2.附加阻力附加阻力第3页/共70页（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能。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不变的切应力，称为

2、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。(2)(2)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。第4页/共70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内部结构就要急剧调整，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发生弯曲并产生旋涡，在这些局部地区就有局部水头损失。水头损失。5 第5页/共70页6 第二节第二节 层流与紊流两种

3、型态层流与紊流两种型态 一、雷诺试验一、雷诺试验 第6页/共70页 实际流体的流动会呈现实际流体的流动会呈现出两种不同的型态：层流出两种不同的型态：层流和紊流，它们的区别在于：和紊流，它们的区别在于：流动过程中流体层之间是流动过程中流体层之间是否发生混掺现象。在紊流否发生混掺现象。在紊流流动中存在随机变化的脉流动中存在随机变化的脉动量，而在层流流动中则动量，而在层流流动中则没有。没有。第7页/共70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8页/共70页 圆圆管管中中恒恒定定流

4、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为层流，有确定的取值，圆管定常流动取为必为层流，有确定的取值，圆管定常流动取为 紊流层流紊流层流上临界雷诺数下临界雷诺数ReRe12000-40000第9页/共70页雷诺试验表明：圆管中雷

5、诺试验表明：圆管中恒恒定流动的流态转化取决于雷诺数定流动的流态转化取决于雷诺数 d 是圆管直径，是圆管直径，v 是断面平均流速，是断面平均流速，是流体的运动粘性系数。是流体的运动粘性系数。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

6、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10页/共70页11 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11页/共70页12 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12页/共70页1.1.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？2.2.有一条输水管，水流速度V=1m/sV=1m/s，水温t=20,t=20,管径

7、d=200mmd=200mm，试判断其水流型态。3.3.一条矩形断面渠道，底宽b=200cm,b=200cm,水深h=15cm,h=15cm,若水流流速v=0.5m/s,v=0.5m/s,水温为2020，试判断其流动型态。第13页/共70页三、雷诺数的物理意义三、雷诺数的物理意义第14页/共70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15页/共70页16 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点有不断地雷诺实验表明：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

8、，而层流则无。互相混掺作用，而层流则无。第16页/共70页+-+-高速流层高速流层低速流层低速流层第17页/共70页18(a)(b)(c)涡体的形成是混掺作用产生的根源。第18页/共70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涡体涡体P第19页/共70页20 涡体的形成并不一定形成紊流，只有当惯性作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，才可能形成用与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。紊流。所以雷诺数是表征惯性力与粘滞力的比值。第20页/共70页21（二）（二）紊流的特征紊流的特征 紊流的基本特征

9、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21页/共70页试验研究结果表明：瞬时流速虽有变化，但在试验研究结果表明：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足够长的时间过程中，它的时间平均值是不变的。的。时间平均流速可表示为时间平均流速可表示为22 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，非恒定不随时间变化，非恒定流时流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。

10、第22页/共70页23 瞬时流速与时间平均流速之差叫做脉动流 速 ，即 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：第23页/共70页24（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24页/共70页25 第三节 均匀流沿程水头损失与切应力的关系

11、 均 匀 流第25页/共70页26 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头损失可忽略不计，非均匀急变流时两种水头损失都有。都有。第26页/共70页27 在管道或明渠均匀流中，任意取出一段总流来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。分析，作用在该总流段上有下列各力。一、动水压力 1-1断面 2-2断面 第27页/共70页28 二、重力:三、摩擦阻力:；其中 为总流边界上的平均切应力 因为均匀流没有加速度，所以：即 第28页/共70页29 因断面

12、因断面1-11-1及及2-22-2的流速水头相等，则能量方程为的流速水头相等，则能量方程为有有 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29页/共70页（二）圆管层流的切应力（二）圆管层流的切应力ux 第30页/共70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31页/共70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32页/共70页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

13、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 尼古拉兹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33页/共70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的关系为直线的关系为直线，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，时而紊流，时而层流。时，过渡区，时而紊流，时而层流。第34页/共70页35 三）、当

14、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力光滑管。水力光滑管。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糙管的过渡区。粗糙管的过渡区。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，无关，属粗糙管区。属粗糙管区。第35页/共70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；

15、（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36页/共70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37页/共70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38页/共70页39 2 2）

16、圆管层流 圆管中层流运动圆筒层表面的切应力可按牛顿 内摩擦定律来计算：圆筒层表面切应力:当r=r0时，得流速分布公式第39页/共70页高速流层高速流层低速流层低速流层3）宽浅式明渠（槽）第40页/共70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，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，其沿程水头损失是否相等？根输油，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？当两管中的雷诺数相等时，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？第41页/共70页42（

17、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，其流态梯度却很大，所以粘滞切应力起主导作用，其流态基本属层流。基本属层流。1）粘性底层）粘性底层第42页/共70页43 第43页/共70页2）紊流流核区）紊流流核区紊流区过渡区粘性底层管轴 y x第44页/共70页注意：光滑面或粗糙面不完全取决于边界面本身的光滑或粗糙，注意：光滑面或粗糙面不完全取决于边界面本身的光滑或

18、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。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。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45页/共70页第46页/共70页47 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。的均匀化。第47页/共70页48 尼库拉兹管道流速分布公式：(1)光滑管 (2)粗糙管 第48页/共70

19、页49 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=1/7,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 第49页/共70页50 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50页/共70页51 4.经验公式第51页/共70页52 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

20、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响水流阻力的各种因素的一个综合系数。影响水流阻力的各种因素的一个综合系数。第52页/共70页看例4-1 第53页/共70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54页/共70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，求水头损失计，求水头损失h

21、hf f（流动为紊流粗糙区）。（流动为紊流粗糙区）。第55页/共70页56 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压管道恒定流遇到管道边界的局部突变 流动分离形成剪切层 剪切层流动不稳定，引起流动结构的重新调整，并产生旋涡 平均流动能量转化成脉动能量，造成不可逆的能量耗散。第56页/共70页v1A1A2v21122第57页/共70页58 第58页/共70页59 第59页/共70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，一般取用局部阻力后的管道平均流

22、速。当管道出口在水下特别注意：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，可采用管道出口前的管内平均流速。出流时，可采用管道出口前的管内平均流速。第60页/共70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61页/共70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62页/共70页习题 4-15第63页/共70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、沿程水头损失和局部水头损失；（一）根据各管段的流量，计算相应

23、的流速、沿程水头损失和局部水头损失；（二）自管道的进口到出口，算出每一管段两端的总水头值，并绘出总水头线。（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。（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。（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。第64页/共70页水头线绘制方法水头线绘制方法第65页/共70页水头线绘制方法水头线绘制方法第66页/共70页1.1.绘制局部水头损失时，假设局部水头损失集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，这该断面有中发生在局部边界突变的断面上，这该断面有局部水头损

24、失和沿程水头损失；局部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在等直径管段中，测压管水头线与总水头线平行；平行；3.3.测压管水头线可以上升可以下降，但总水头测压管水头线可以上升可以下降，但总水头线只能下降。线只能下降。（二）绘制水头线应注意的问题第67页/共70页 通过有压管道恒定流动的水力计算，容易确定沿程压强的分布，得到测压管水头线。测压管水头线低于管轴线，为负压。工程中有时需要避免压力的低值，为此找出管道中的压力最低点，检验其是否满足要求。如压力过低，可采取调整管道位置高程、降低流速等措施解决。第68页/共70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判别方法和雷诺数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在层流和紊流三个流区内的变化规律。流区内的变化规律。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69页/共70页感谢您的观看！第70页/共70页