水力学液流型态水流阻力和水头损失.pptx

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1、粘滞性相对运动物理性质固体边界产生水流阻力损耗机械能h hw w水头损失的分类沿程水头损失hf局部水头损失hj某一流段的总水头损失：各分段的沿程水头损失的总和 各种局部水头损失的总和4.1 水流阻力与水头损失分类水流阻力与水头损失分类第1页/共26页沿程水头损失hf：流动边界沿程不变或变化缓慢时，单位重量液体从一个断面流至另一个断面时的机械能损失，称为沿程水头损失。局部水头损失hj：当液体运动时，由于局部边界形状和大小的改变、或存在局部障碍，液体产生漩涡，使得液体在局部范围内产生了较大的能量损失，这种能量损失称作局部水头损失。沿程水头损失随沿程长度增加而增加。从水流分类的角度来说，沿程水头损失

2、可以理解为均匀流和渐变流情况下的水头损失，而局部水头损失则可理解为急变流情况下的水头损失。第2页/共26页理想液体流线实际液体流线流速分布流速分布无损失沿程损失沿程损失局部损失沿程损失第3页/共26页常见的发生局部水头损失的情况第4页/共26页在均匀流和渐变流段，因为沿程损失，导致液体的总机械能逐渐下降，因此总水头线为斜直线。在急变流处，因为局部损失，导致液体的总机械能突然下降，因此总水头线有突变。第5页/共26页（1）雷诺实验流速较小时：流速增大到一定程度后：流速继续增大到一定程度后：4.2 实际液体运动的两种型态（流态）实际液体运动的两种型态（流态）层流紊流第6页/共26页雷诺试验揭示了水

3、流运动具有两种流态。当流速较小时，各流层的液体质点是有条不紊地运动，互不掺混的，这种型态的流动叫做层流。当流速较大时，各流层的液体质点形成漩涡，在流动过程中，互相混掺，这种型态的流动叫做紊流（湍流）。由层流转变为紊流时的流速称为上临界流速，用vc表示。如果将紊流的流速慢慢降低，则当流速减小到一定值时，流动变成层流。流态转变点的流速称为下临界流速，用vc表示。上临界流速和下临界流速一般是不同的，并且vcvc；若进行多次实验，则会发现各次实验测得的下临界流速基本相等，但上临界流速容易受实验过程的影响而不稳定。因此，一般以下临界流速为层流和紊流的分界流速。紊流中液体质点的速度随时间无规则地随机变化。

4、第7页/共26页（2）流态的判别根据流速是否达到临界流速来判别流动的形态虽然直观，却不方便。主要是因为对不同流动条件下的同种类型的流动，临界流速不同。比如，对不同直径的有压管流，大管的临界流速就比小管的小。若能找到一个判据，它代表了同一类型流动的层流和紊流的分界线，则能带来极大的方便。通过大量实验发现，这样一个判据是有可能找到的。比如，对于有压圆管流动，可以使用雷诺数作为判据。圆管直径平均流速液体运动粘性系数临界雷诺数：当液体流动的雷诺数小于临界雷诺数时，流动为层流。当液体流动的雷诺数大于临界雷诺数时，流动为紊流。第8页/共26页则对有压管流，无论管的直径有多大，也不管管中液体是水还是空气，只

5、要雷诺数大于2000，则为紊流，若雷诺数小于2000，则为层流。（2）流态的判别雷诺数表针运动流体质点所受的惯性力和粘性力的比值。对同类型的流动，临界雷诺数是常数。管流的临界雷诺数为2000对圆管非满流，明渠流，河道等有自由液面的无压流，同样存在两种型态，也同样用临界雷诺数来进行流态判别。只不过对这类无压流，雷诺数定义为水力半径平均流速液体运动粘性系数临界雷诺数：湿周是指过水断面上固体边界与液体接触部分的周长。对一般无压流，有湿周过水断面面积思考：如果用水利半径定义有压管流的雷诺数，则有压管流的临界雷诺数是多少？答案：Rec=500第9页/共26页例：有一圆形水管，其直径d为100mm，管中水

6、流的平均流速v为1.0m/s，水温为100C，试判别管中水流的型态。解：当水温为100C时查得水的运动粘性系数v0.0131cm2/s，管中水流的雷诺数 因此管中水流为紊流。第10页/共26页4.3 均匀流基本方程、沿程水头损失的计算公式均匀流基本方程、沿程水头损失的计算公式（1）形成均匀流的条件流线相互平行，同一条流线上各点流速相等。有压管流恒定明渠流（2）均匀流基本方程或总流的均匀流基本方程或元流的均匀流基本方程第11页/共26页（3）沿程水头的计算公式工程上，计算沿程水头损失常用达西公式：前面得出：根据实验，与流速 、水力半径 、液体密度 、液体的动力粘性系数 以及流动边界固壁的绝对粗糙

7、度等因素有关对于圆管有压流，称为沿程阻力系数第12页/共26页4.4 圆管中的层流运动圆管中的层流运动（1）层流的沿程阻力（2）过水断面的流速分布（3）当 r=0 时，获得最大流速（4）过水断面的平均流速（5）动能、动量修正系数（6）沿程水头计算公式第13页/共26页紊流形成过程的分析选定流层流速分布曲线干扰FFFFFFFFFFFF4.5 液体的紊流运动液体的紊流运动第14页/共26页紊动使流速分布均匀化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，动量大的质点将动量传给动量小的质点，动量小的质点影响动量大的质点，结果造成断面流速分布的均匀化。层流流速分布紊流流速

8、分布第15页/共26页紊流特征紊流的脉动现象：瞬时运动要素（如流速、压强等）随时间发生波动的现象质点运动特征：液体质点互相混掺、碰撞，杂乱无章地运动着时均值：脉动流速：紊流的沿程阻力：粘性阻力紊流附加阻力沿程阻力第16页/共26页(1)粘性底层与紊流液核粘性底层0紊流粘性底层厚度可见，L随雷诺数的增加而减小。4.6 圆管中的紊流圆管中的紊流其中，称为剪切流速粘性底层厚度又可表达为：第17页/共26页(2)紊流沿程阻力的变化规律绝对粗糙度：以表示壁面的粗糙凸起的平均高度相对粗糙度：与流动边界的某一特征尺寸R 的比值当Re较小时，水力光滑壁面 0当Re较大时，0水力粗糙壁面 0过渡粗糙壁面第18页

9、/共26页紊流运动的动能修正系数和动量修正系数都接近于1.0紊流粗糙的流速分布 紊流光滑的流速分布 紊流流速的指数律经验公式（七分之一次方定律）当Re100000Re100000时，n=1/7n=1/7(3)紊流过水断面的流速分布第19页/共26页4.7 圆管有压流的沿程阻力系数圆管有压流的沿程阻力系数（1）尼古拉兹实验Lg（100）lgRe层流时,水力光滑壁面,称为紊流光滑区过渡粗糙壁面,称为过渡粗糙区水力粗糙壁面,称为紊流粗糙区第20页/共26页（2）圆管有压紊流值的计算1)人工粗糙管的沿程阻力系数的半经验公式 紊流粗糙区 紊流光滑区尼古拉兹光滑管公式尼古拉兹粗糙管公式第21页/共26页2

10、)工业管道的沿程阻力系数的经验公式 柯列勃洛克公式又被称为紊流沿程阻力系数的综合计算式 当量粗糙高度“当量粗糙高度”是指与工业管道粗糙区值相等的同直径人工粗糙管的粗糙高度，单位为mm（适用于紊流过渡区）第22页/共26页3)莫迪曲线 谢才公式式中，C C 为谢才系数 布拉休斯公式v1.2m/s第23页/共26页断面平均流速谢才系数水力半径水力坡度1.谢才系数有量纲，量纲为L1/2T-1，单位为m0.5/s。2.谢才公式可适用于不同流态和流区，既可适用于明渠水流也可应用于管流。3.常用计算谢才系数的经验公式：曼宁公式巴甫洛夫斯基公式这两个公式均依据紊流粗糙区的实测资料求得，故只能适用于紊流粗糙区。或n为粗糙系数，水力半径单位均采用米。谢才公式第24页/共26页局部水头损失的通用计算公式：4.8 局部水头损失局部水头损失（1）圆管有压流过水断面突然扩大的局部水头损失（2）各种管路和明渠的局部阻力系数查表及规范称局部阻力系数第25页/共26页感谢您的观看！第26页/共26页