水流形态与水头损失

1、第四章 水流形态与水头损失第一节 水头损失及其分类一 、产生的原因 实际液体在流动过程中,有能量损失,主要是由于水流与边界面接触的液体质点黏附于固体表面,为零,在边界面的法线方向上从零迅速增大,在水断面上流速分布处于不均匀状态,这样流层之间存在相对运动,实际液体又有黏滞性,有相对运动的两相邻流层间就产生内摩擦力,水流在流动过程中,要克服这种摩擦阻力消耗一部分机械能,转化为热能而损失.所以,单位重量水体从一断面流至另一断面所损失的机械能为两断面间的学位能量损失,也叫水头损失.由黏滞性产生的根本原因这是内因.的外因:1横向固体边界的形状和小的变化。即形状不同，大小不同，可用的水断面面积不同，与水流

2、接触的长度的湿周不同，产生的水流阻力及不同。如：两个不同形状的断面，一正方行，二扁长矩形，两者的相同，水流条件相同，但扁长矩形渠槽的较大，所受阻力大，所以，大，所以,也大，及阻力大。如果两者水断面的相同，但不同，通过同样的，水流阻力及也不相等。所以，较小，通过的较大，相应的水流阻力及也大。所以用或来表示水力特征却又不全面，只有将两者结合起来才较全面，即水力半经 主要的水力要素， , 。2水流边界纵向轮廓对的影响，轮廓不同的水流可能发生均匀流与非均匀流。均匀流中沿水流（程）各个水断面的水力要素及V均不变，所以：均匀流时产生的原因只有黏滞性。非均匀流时,边界界条件不同改变所以黏滞性及边齐形条件却(

3、 )水流产生。因此, 的类型.二 、 的分类. 为便于计算将分为.:1、 沿程水头损失,在均匀渐变流中,由各流层间的相对运动而产生的阻力.为内摩擦阻力.,由于均匀地分布在水流的整个过程中,所以叫沿程阻力.沿程 ,为克服沿程阻力而产生的单位重量水体在运动过程中的能量损失-沿程水头损失2、局部水头损失: 水流流动的过界急剧变化,在局部段内水流产生附加阻力,额外消耗了大量机械能. 这种阻隔力叫局部阻力.局部，为克服局部阻力而产生的单位重量水体的机械能量损失.注意产生在一个局部段内,为便于分析转化为一个断面,总水头损失. 、 第二节 均匀流沿程水头损失与切应力的关系在管运式明渠均匀流里,任取一段总流来

4、分析.管运轴线与水平面的夹角为,流段长为L,过水断面面积为A.为1-1.2-2.的动水压强. Z1 Z2为1-1.2-2形心距0-0的距离高度.作用在上的外力.1.动水压力.P1 = PC1A1 P2 = PC2A22.重力 3.摩阻力 T=C0. C0 固体边界作用水流上的平均切应力.注意T与水流切应力方向相反.均匀流是处于平衡状态. 所以F=0即： 各项除以 所以 即的关系式。第三节 液流体运动的两种型态在自然界的条件下，水流运动时，内部存在着两种流动型态，不同的水流型态下，水流的运动方式，断面流速分布规律，水头损失各不相同，英国物理学家雷诺在1883年通过大量的试验，证明并解决了判断方法

5、。一、雷诺试验在黑板上画图（雷诺试验装置）层流-流线为互相平行的直线，水质点做着有规律的直线运动。紊流-流线为互不平行的直线，水质点做着规律的曲线运动。试验以相反方向关闭阀门，水流则由紊流转化为层流。二、 层流，紊流的判断1> 临界流速的型判 断层流紊流 紊流层流 且 > 较稳定但不宜确定.2> 临界雷诺数雷诺在试验的过程中不断地改变水温,管径和液体的种类的变化较大, 判断非常的不方便,雷诺发现不同的液体,温度,管径的情况下,液体在流动型态转时,的数值不变,即水流型态的转变与液体运动的速度,及有关.所以叫雷诺数即 且在液体运动的型态转变时,当断面型状不变时为常数,为临界雷诺数

6、表示. 实际液体 < 时为层流 >时为紊流 注意:同一种形状不同的液体和温度及不同的边界尺寸=常数,不同的形状常数. 圆管 2320 明渠 (300500)例1:判别液流的型态1>输入管径,通过的流量,水温 2>输油管径,通过的流量,已知油的粘滞性系数. 解:1>输水管 则 所以为紊流.2>输油管 层流.例2:某试验室的矩形试验明槽,底宽,水深,测得其断面平均流速,室,人的水温为,判别槽内的水流流态? 解: 为紊流. 在明渠和天然河道中,大多都为紊流. 三. 的意义,为什么能判断流态 量纲分析 惯性力 量纲粘滞力 量纲所以 由此可见与的量纲相同,注意L为特征

7、长度,在管流中用管径,在明渠中用水力半径.第四节 紊流运动一 、紊流的形成过程由前述可见, 表示了液体的惯性力与粘滞力的对比关系,当大力大，当小力较大, 在,惯性力起控制作用.当大时,惯性力较小, 小,粘滞力起控制作用等时水流为层流运动.当增大,实际施加外来干扰,其过水断面上的流速分布有不均匀程度加大,相邻各流层间的液体质点由于相对运动而产生的,人摩擦力,增大较小时,对水流扰动影响不大,当继续增大,则层流产生波动. 波谷 波峰 上下产生一个模向压力.,形成一对力偶,使波峰与波谷重叠,形成涡体, 涡体形成后,开始旋转,旋转方向与水流一致的一边, ,另一边 .涡体两边的压强差较大开力,粘滞力对的涡

8、体的控制力削减, 涡体在模向压力的作用下,摆脱粘滞力的控制而进入另一新流层,产生了质点间的混掺而形成的紊流.形成条件:1)涡体产生 2)涡体脱离原流层进入新流层二、 紊流的特征1> 紊流运动的基本特征-脉动现象紊流由流场大小不同的溜体组成,在向前运动的同时,不停地旋转,震荡,混掺,相互碰撞,分解又重新组合,因此各点的运动要素( )的大小,方向就水断地变化. 任一瞬时的运动要素有两部分组成,一是时均值,二是脉动值. 脉动值有大,有小,有正,有负.但当T有足够长时,在下时段内脉动值为0. 时均值的大小与所取时间有关，T太短，不稳定，所以水文测验中，用流速仪测定时间有一定的要求，。紊流运动要素

9、时均值概念的提出，给我们研究带来方便，如果从瞬时的概念看紊流，恒定流是不是不存在的，但从时均运动上看，就有了时均流线和时均恒定流。 即：当运动要素时均值不随时间变化为恒定流。 当运动要素时均值随时间变化为非恒定流。恒定流与非恒定流的提出为时均的概念。脉动现象的存在，使得水流对边壁的影响变得复杂。例如：由于脉动现象的存在，脉动压强不但会增加建筑物有所承受的瞬时荷载，而且会引起建筑物的振动及产生空蚀现象。河床底部受水流的强烈脉动，能使水流挟带三、 紊流的流速分布1、层流时 水流的流速分布呈抛物线分布明渠时 圆管时 紊流时 对数公式明渠时 圆管时 而紊流中流速分布呈对数分布 比层流时要均匀多式中 积

10、分常数c 主要根据边界条件和水流的流动情况来确定如在水文测验中 要实测某明渠均匀过水断面上任一垂线流速分布任一点为y(管底部)水深当y=H 代入公式 则 垂线上任意点流速与表面流速的关系。 沿垂线对u 积分可以得单位宽度上的过流量 如果深H可得 令 或者上式为垂线平均流速与表面流速的关系 将代如可得到发生的位置即 即可以得到 在水面以下 0.633H 处的点流速为垂线平均流速实际工作中 水文测验中常数水位以下0.6H处的点流速近似代替垂线平均流速 第五节 的分析与计算一、 的经验公式 谢才公式人类在生产实践中总结出一套计算的公式，在理论上不够完善。但在生产实践中广泛应用 并在一定程度上能满足需

11、要需用的是1769年谢才总结了名渠水流的实测资料后的公式 叫谢才公式式中v-断口平均流速 A-过水断面面积 X-湿周水流与固边界接触的周长 c-谢才系数 计算公式有 （1）曼宁公式 n-糙 粗糙系数 反映边壁曼宁公式形式简单 计算方便 阻力影响的综合系数 参数表4-2在管道及较小河渠中应用较广（2）巴甫洛夫斯基公式 y可近似计算 R适用范围n值的选定 在实际工程中往往较复杂 像管道有新有旧，有生锈 ，有清洁的 ，天然河道中，糙率更复杂。例题：有一矩形断面渠道Q=25 底宽b=6m 水深 h=3m 求渠道中发生均匀流时每公里渠道中的解： 混凝土砌面的渠道 n=0.014曼宁公式L=1公里=100

12、0m二 、的理论公式 达西 ？斯巴罗公式 前面我们导出了均匀流切应力的关系式 而与v. R . u. 有关.-由量纲分析和定理知道-比例系数代入 适当处理 -反映固体边界的平均切应力对的影响叫沿程阻力系数令上式在均匀流条件下建立起来 适用均匀流的层流与紊流三、的测定与分析1、测定的圆管为例 画图分析讲解 由能量方程推导所以 Q由称重法得 出介绍测Q的几种方法。2的变化规律为了研究探讨的变化规律，尼古拉用不同的粒径的人工砂贴在管壁上表示不同的粗糙度进行一系列的实验，将试验结果绘制成反映的变化规律饿关系曲线 以后葵士格又进行同方法在明渠中进行试验也得到了相同曲线在1944年，摩迪在总结前人的经验的

13、基础上，对工业管道进行实验并绘制不同相对粗糙度的管道与Re的关系曲线摩迪图，此图反映了、Re、的相互关系以为纵坐标、Re为横坐标，参变量用相对粗糙度表示，在此图中显示Re分有四个流区，不同流区中，遵循不同的规律1、近壁层流区（Re<2320），紧靠近边壁上，整个水流为层流，总之，无论在管流式明渠中，都存在两种流动形态层流与紊流，紊流中又分为三个流区，有着不同的规律。所以计算要先区分流态和流区对于工业管采用摩迪图查得计算结果与实际情况较符合，工业管采用公式计算，但水利工程中一般采用经验公式计算，我们掌握第六节 边界层概念及边界层的分离现象一、 边界层概念这一理论在1904年有普朗特提出，出

14、发点为 ：与实际液体与固体边界接触时 液体质点必然粘附边界上，与边界没有相对运动，u=0 在边界的法线方向水流的u从0 增大。在边界附近存在较大的横向的流速梯度。在这个区内，粘滞性作用不能忽视，边界附近的流区既为边界层。边界层以外的流动横向流速剃度较小，可以粘滞性的作用。按理想液体处理。边界层的范围一般是指层流间存在摩阻力的范围 即边界层的厚度 一般规定 u=0.99u处的垂直距离为边界层厚度，沿水流方向增加 =f（x）边界层现象在工程中经常遇到二、 边界层的分离现象 边界层流动在一定条件下，将产生边界层的分离现象。如图所示 与水流沿柱流动时 v 越接近圆柱越小p越大，达到a点时 u=0 称为驻点 液体质点达到停滞点后便停滞不前 且知道液体为不可压缩 在后面流来的液体质点的作用下，使流质点改变运动方向 沿圆柱发生侧向流动，同时将压能转化为动能当水流有a点到b点。 由于圆柱的滞水作用形成边界层 且 流线趋于集中 此时水流加速减压。但过b点后流线扩散。水流减速加压，到一定点，例如 e点的断面 u=0 有出现新的停滞点。同样由于液体的不可压缩。继续流来的质点改变流动方向 脱离边界，向外侧流动 ，这种现象为边界层分离现象。E点为分离点 ，水流脱离