水流形态与水头损失.pptx

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1、水力学 1.水流阻力是由于液体的粘滞性作用和固体边界的影响，使液体与固体之间、液体内部有相对运动的各液层之间存在的摩擦阻力的合力，水流阻力必然与水流的运动方向相反。2.水流在运动过程中克服水流阻力而消耗的能量称为水头损失。其中边界对水流的阻力是产生水头损失的外因，液体的粘滞性是产生水头损失的内因，也是主要原因。一.水头损失产生的原因第1页/共35页3.水头损失的概念：总流单位重量液体的平均机械能损失二.水头损失的类型 根据边界条件的不同，可以把水头损失分为两类：1.沿程水头损失 ：对于平顺的边界，水头损失与流程成正比；第2页/共35页水力学2.局部水头损失 ：由于局部边界急剧改变，导致水流结构

2、改变、流速分布调整并产生旋涡区，从而引起的水头损失 3.特征：（1）沿程水头损失：均匀分布在流段与流段长度成正比。（2）局部水头损失：仅存在于局部区域与边界变化程度（形状）有关。第3页/共35页 4.对于在某个流程上运动的液体，它的总水头损失hw遵循叠加原理即 5.为了反映过流断面面积和湿周对水流阻力和水头损失的综合影响，我们引入水力半径的概念，即水力半径是水力学中应用广泛的重要的水力要素。水力学第4页/共35页图2-局部水头损失第5页/共35页水力学图1-水头损失第6页/共35页三.均匀流沿程水头损失的基本公式达西公式水力学1.均匀流中只存在沿程水头损失，它有两个特点：一是所消耗的能量全部由

3、势能转化来的，二是每单位长度上的水头损失J（也称为水力坡度J=hf/l）是沿程不变的。2.均匀流的切应力分布规律：液体内部切应力=RJ 边界上切应力 0=RJ 第7页/共35页式当、J为定值，切应力与R成正比，也就是说边界上的切应力为最大。管壁处的切应力为 3.均匀流沿程水头损失的计算基本公式为达西公式第8页/共35页毕业答辩水力学对于圆管 ，则上式建立了沿程水头损失hf与流速、流段长、边界几何特征R和沿程阻力系数之间的关系。是计算沿程水头损失重要的参数。沿程水头损失系数与液体的流动型态和边界的粗糙程度密切相关。第9页/共35页水力学 五.液体流动的两种型态和流态的判别1.雷诺实验 1883年

4、英国科学家雷诺，通过实验发现液体在流动中存在两种内部结构完全不同的流态：层流和紊流。（1）层流 当流速较小时，各流层质点互不混杂，这种型态的流动叫层流。第10页/共35页水力学（2）紊流 当流速较大时，各流层质点形成涡体互相混掺，这种型态的流动叫做紊流。第11页/共35页水力学2.水流流动型态的判别雷诺数Re作为判据的 同时发现，层流的沿程水头损失hf与流速一次方成正比，紊流的hf与流速的1.752.0次方成正比；在层流与紊流之间存在过渡区，hf与流速的变化规律不明确。对于明渠水流 第12页/共35页明渠水流临界雷诺数Rek=500。当Re500为层流，Re500为紊流。对于圆管水流 圆管水流

5、临界雷诺数Rek=2000。当Re2000为层流，Re2000为紊流。3.雷诺数的实质从力学的角度看，雷诺数就是惯性力作用与粘滞力作用的对比关系。当Re较小时，第13页/共35页水力学说明粘滞力占主导，液体为层流；反之则为紊流。例题1管道直径 d=10 mm，通过流量 Q=20 cm3/s，运动粘度=0.0101cm2/s。问管中水流流态属层流还是紊流？若将直径改为 d=30 mm，水温、流量不变，问管中水流属何种流态？解：（1）第14页/共35页水力学（2）当直径改为30mm时第15页/共35页水力学五.圆管层流运动和沿程水头损失 圆管层流运动可以应用牛顿内摩擦定律表达式和均匀流内切应力表达

6、式，通过积分求出过水断面上的流速分布为抛物型分布。最大流速在管轴线处第16页/共35页断面平均流速沿程水头损失沿程阻力系数水力学第17页/共35页水力学六.沿程水头损失系数的变化规律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，用不同的流速进行一系列试验。尼古拉兹通过大量实验，发现沿程阻力系数在层流和紊流三个不同流区内的变化规律，从而为确定值，进而计算紊流各流区的沿程水头损失hf提供了可应用的方法。1.层流状态时，圆管的 与理论公式相一致，说明层流的仅是Re的函数，而且水头第18页/共35页水力学图3-尼古拉兹沿程阻力系数与雷诺数关系曲线第19页/共35

7、页损失hf与流速v的一次方成正比，与雷诺实验的结果相一致。2.当2000Re4000时，过渡区仅与Re有关，而与相对光滑度无关。3.紊流状态：（1）紊流光滑区：类似于层流，只与Re有关而与相对粗糙度/r0无关，。第20页/共35页水力学（2）紊流粗糙区：与Re无关，只与相对粗糙度/r0有关，所以紊流粗糙又称为阻力平方区。（3）紊流过渡区：既与Re有关，也与有关，。七.沿程水头损失经验公式谢才公式第21页/共35页水力学 C是反映边界对液体运动影响的综合系数，称为舍齐系数，单位：m1/2/s。曼宁公式谢才公式适用紊流阻力平方区。第22页/共35页水力学七.局部水头损失的计算1.局部水头损失产生的

8、原因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。其特点为能耗大、能耗集中而且主要为旋涡紊动损失。2.局部水头损失计算公式第23页/共35页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第24页/共35页水力学 局部水头损失的计算在于正确选择局部水头损失系数，但注意对应的流速水头。例题2 测定90弯管局部水头损失系数的试验装置如图示。已知AB段 长10 m，管径d0.05m，弯管曲率半径Rd，管段沿程水力摩擦系数0.0264，实测AB管段两端测压管水头差h0.63m，100秒钟流入量水箱的水体积为0.28m3，试求弯管内的流速、沿

9、程水头损失和局部水头损失系数。第25页/共35页水力学解：（1）先求弯管内的流速：第26页/共35页水力学（2）再求沿程水头损失，由达西公式得：（3）最后求局部水头损失系数：第27页/共35页水力学因为所以例题3 如图所示，水从A池流入B池，管道长L=25m，管径d=2.5cm，管道的沿程水头损失系数=0.03，当两水池的水位差H=2m，第28页/共35页管道的流量是多少？管道内的糙率n是多少？第29页/共35页解：“三选”如图所示。列AA和BB断面的能量方程，第30页/共35页第31页/共35页本章小结 1产生水头损失的原因有两个方面：一是水流边界的几何条件，叫外因；二是水流自身具有黏滞性，叫内因，但产生水流的根本原因是水流具有黏滞性。2水流型态的判别用和之比来进行，当水流的时，为紊流；当时，为层流。流态不同，水头损失的规律也不同。3水头损失的叠加原理：第32页/共35页4水流的的表达式和的大小：管流时明槽时5沿程水头损失6局部水头损失第33页/共35页水力学第34页/共35页感谢您的观看！第35页/共35页