水头损失及其分类

1、5 5 液流形态与水头损失液流形态与水头损失 前一章讨论了理想液体和实际液体的能量前一章讨论了理想液体和实际液体的能量方程，方程中有一项为水头损失。方程，方程中有一项为水头损失。 本章首先对理想液体和实际液体，在不同边界条件本章首先对理想液体和实际液体，在不同边界条件下的液流特征进行剖析，认清水头损失的本质。在此基下的液流特征进行剖析，认清水头损失的本质。在此基础上，础上， 重点介绍水头损失变化规律及其计算方法。重点介绍水头损失变化规律及其计算方法。 水头损失变化规律及其计算方法水头损失变化规律及其计算方法 5.1 5.1 水头损失及其分类水头损失及其分类 5.1.1 5.1.1 水流阻力与水

2、头损失水流阻力与水头损失5.1.2 5.1.2 横纵断面水力要素对水头损失的影响横纵断面水力要素对水头损失的影响5.1 5.1 水头损失及其分类水头损失及其分类 5.1.1 5.1.1 水流阻力与水头损失水流阻力与水头损失5.1.2 5.1.2 横纵断面水力要素对水头损失的影响横纵断面水力要素对水头损失的影响5.1 5.1 水头损失及其分类水头损失及其分类 5.1.1 5.1.1 水流阻力与水头损失水流阻力与水头损失 水流阻力水流阻力 水头损失水头损失 水头损失分类水头损失分类 两种水头损失比较两种水头损失比较 总水头损失总水头损失5.1 5.1 水头损失及其分类水头损失及其分类 5.1.1

3、5.1.1 水流阻力与水头损失水流阻力与水头损失 水流阻力水流阻力 水头损失水头损失 水头损失分类水头损失分类 两种水头损失比较两种水头损失比较 总水头损失总水头损失 理想液体的运动是没有能量损失的，而实际液理想液体的运动是没有能量损失的，而实际液体流动为什么会产生水头损失体流动为什么会产生水头损失 ? 理想液体：运动时没有相对运动，流速均匀分理想液体：运动时没有相对运动，流速均匀分布，无流速梯度和粘性切应力。因而，不存在布，无流速梯度和粘性切应力。因而，不存在能量损失能量损失 。流线流线流速分布流速分布u(y实际液体：具有粘性，过水断面上流速分布不均匀，实际液体：具有粘性，过水断面上流速分布

4、不均匀，相邻液层间有相对运动，也就存在内摩擦力。液体相邻液层间有相对运动，也就存在内摩擦力。液体要运动，就要克服摩擦阻力（水流阻力）做功，消要运动，就要克服摩擦阻力（水流阻力）做功，消耗一部分液流机械能，转化为热能而散失。耗一部分液流机械能，转化为热能而散失。 流速分布流速分布切应力分布切应力分布uy水流阻力就是粘性切应力水流阻力就是粘性切应力流速分布流速分布切应力分布切应力分布uy5.1 5.1 水头损失及其分类水头损失及其分类 5.1.1 5.1.1 水流阻力与水头损失水流阻力与水头损失 水流阻力水流阻力 水头损失水头损失 水头损失分类水头损失分类 两种水头损失比较两种水头损失比较 总水头

5、损失总水头损失用单位液重的能量损失用单位液重的能量损失 hw 表示水流的能量损失表示水流的能量损失5.1 5.1 水头损失及其分类水头损失及其分类 5.1.1 5.1.1 水流阻力与水头损失水流阻力与水头损失 水流阻力水流阻力 水头损失水头损失 水头损失分类水头损失分类 两种水头损失比较两种水头损失比较 总水头损失总水头损失 水头损失（依据边界条件以及作用范围）水头损失（依据边界条件以及作用范围） 沿程损失沿程损失 hf 局部损失局部损失 hj hw 沿程水头损失沿程水头损失hf hf s 在在平直的固体边界平直的固体边界水道中，单位液重的液体从水道中，单位液重的液体从一个断面流至另一个断面的

6、机械能损失。一个断面流至另一个断面的机械能损失。 这种水头这种水头损失随沿程长度的增加而增加，故称沿程水头损失。损失随沿程长度的增加而增加，故称沿程水头损失。局部水头损失局部水头损失hj 用圆柱体绕流说明局部水头损失用圆柱体绕流说明局部水头损失hj 局部水头损失局部水头损失hj 液体绕圆柱体流动液体绕圆柱体流动 分析通过圆心的一条流线（图中红线）分析通过圆心的一条流线（图中红线）通过圆心的红线是一条流线通过圆心的红线是一条流线 液体质点流向圆柱体时，流线间距逐渐增大，流速液体质点流向圆柱体时，流线间距逐渐增大，流速逐渐降低，由能量方程可知，压强必然逐渐增加。逐渐降低，由能量方程可知，压强必然逐

7、渐增加。 存在驻点存在驻点 当液体质点流至当液体质点流至A A点，流速降为零，动能转化为压能，点，流速降为零，动能转化为压能，使其增加到最大。使其增加到最大。A点点称驻点（毕托管测速原理）。称驻点（毕托管测速原理）。 A驻点驻点A 液体质点到达驻点，停滞不前，以后继续流来的液体质点到达驻点，停滞不前，以后继续流来的质点就要改变原有流动方向，沿圆柱体两侧继续流动。质点就要改变原有流动方向，沿圆柱体两侧继续流动。 AC理想液体理想液体 沿柱面两侧边壁附近的流动沿柱面两侧边壁附近的流动液体质点运动液体质点运动 A AC C 动能增加（液体挤压）动能增加（液体挤压） 压能减少压能减少压能的减少部分转化

8、为动能压能的减少部分转化为动能 ACBC 液体质点运动液体质点运动 CCB B 动能减少（液体扩散）动能减少（液体扩散） 压能增加压能增加 减少的动能完全转化为压能。减少的动能完全转化为压能。 ACBC液体质点运动液体质点运动 C CB B 动能减少（液体扩散）动能减少（液体扩散） 压能增加压能增加 减少的动能完全补充为压能。减少的动能完全补充为压能。 液体质点运动液体质点运动 A AC C 动能增加（液体挤压）动能增加（液体挤压） 压能减少压能减少减少的压能补充为动能减少的压能补充为动能ACBC液体质点运动液体质点运动 C C B B动能减少（液体扩散）动能减少（液体扩散） 压能增加压能增加

9、 减少的动能完全补充为压能。减少的动能完全补充为压能。 液体质点运动液体质点运动 A AC C 动能增加（液体挤压）动能增加（液体挤压） 压能减少压能减少减少的压能补充为动能减少的压能补充为动能 由于液体绕流运动无能量损失。因此，液体从由于液体绕流运动无能量损失。因此，液体从A AB B 时，时，A A和和B B点的流速和压强相同，其他流线情况类似。点的流速和压强相同，其他流线情况类似。实际液体绕圆柱流动实际液体绕圆柱流动 ACBC液体质点运动液体质点运动 A AC C 动能增加动能增加 压能减少压能减少减少的压能转化为动能减少的压能转化为动能动能还要用于克服能量损失动能还要用于克服能量损失A

10、CBC液体质点运动液体质点运动 C C B B动能减少动能减少 压能增加压能增加减少的动能转化为压能减少的动能转化为压能能量损失还要消耗动能能量损失还要消耗动能 ACBC形成分离点：形成分离点：D 近壁液体从近壁液体从C-B 运动时，液体动能一部分用于克服摩运动时，液体动能一部分用于克服摩擦阻力，另一部分用于转化为压能，越用越少，以至于擦阻力，另一部分用于转化为压能，越用越少，以至于没有足够动能完全恢复为压能（理想液体全部恢复），没有足够动能完全恢复为压能（理想液体全部恢复），在柱面在柱面B以上的某一位置以上的某一位置 D，流速降低为零，不再继续，流速降低为零，不再继续下行。下行。ACBC形成

11、分离点：形成分离点：D D点以上的液体就要改变流向，沿另一条流线运点以上的液体就要改变流向，沿另一条流线运动，使主流脱离圆柱面，形成分离点。动，使主流脱离圆柱面，形成分离点。 ACBCD 沿圆柱面，分离点下游压强大于分离处压强，在沿圆柱面，分离点下游压强大于分离处压强，在压差作用下，圆柱下游液体立即填补主流所空出的压差作用下，圆柱下游液体立即填补主流所空出的区域，形成了漩涡。区域，形成了漩涡。分离点后形成漩涡区分离点后形成漩涡区ACBCD 沿圆柱面，分离点下游压强大于分离处压强，在沿圆柱面，分离点下游压强大于分离处压强，在压差作用下，圆柱下游液体立即填补主流所空出的压差作用下，圆柱下游液体立即

12、填补主流所空出的区域，形成了漩涡。区域，形成了漩涡。分离点后形成漩涡区分离点后形成漩涡区漩涡区漩涡区ACBCD 沿圆柱面，分离点下游压强大于分离处压强，在沿圆柱面，分离点下游压强大于分离处压强，在压差作用下，圆柱下游液体立即填补主流所空出的压差作用下，圆柱下游液体立即填补主流所空出的区域，形成了漩涡。区域，形成了漩涡。分离点后形成漩涡区分离点后形成漩涡区漩涡区漩涡区ACBCD漩涡区漩涡区 漩涡体形成、运转，漩涡体形成、运转，经过一经过一段时间后，逐渐消失。段时间后，逐渐消失。漩涡区中产生了较大的能量损失漩涡区中产生了较大的能量损失ACBCD 流速分布急剧变化流速分布急剧变化。 漩涡区中产生了较

13、大的能量损失漩涡区中产生了较大的能量损失ACBCD漩涡区中产生了较大的能量损失漩涡区中产生了较大的能量损失 漩涡的形成，运转和分裂；流速分布急剧变化，都漩涡的形成，运转和分裂；流速分布急剧变化，都使液体产生较大的能量损失。这种能量损失产生在使液体产生较大的能量损失。这种能量损失产生在局部范围之内，叫局部水头损失局部范围之内，叫局部水头损失hj 。 当液体运动时，由于局部边界形状和大小的改当液体运动时，由于局部边界形状和大小的改变、局部障碍，液体产生漩涡，使液体在局部范围变、局部障碍，液体产生漩涡，使液体在局部范围内产生了较大的能量损失，这种能量损失称局部水内产生了较大的能量损失，这种能量损失称

14、局部水头损失。头损失。 局部水头损失局部水头损失 突然管道缩小突然管道缩小漩涡区漩涡区 管道中的闸门局部开启管道中的闸门局部开启漩涡区漩涡区弯道转弯弯道转弯漩涡区漩涡区5.1 5.1 水头损失及其分类水头损失及其分类 5.1.1 5.1.1 水流阻力与水头损失水流阻力与水头损失 水流阻力水流阻力 水头损失水头损失 水头损失分类水头损失分类 两种水头损失比较两种水头损失比较 总水头损失总水头损失 产生漩涡的局部范围产生漩涡的局部范围局部水头损失局部水头损失沿程水头损失沿程水头损失 hf s发生发生边界边界 平直的固体边界水道中平直的固体边界水道中大小大小 与漩涡尺度、强度与漩涡尺度、强度, 边界

15、边界形状等因素相关形状等因素相关耗耗能方式能方式通过液体粘性将其能量耗散通过液体粘性将其能量耗散外在外在原因原因 液体运动的沿程阻力液体运动的沿程阻力 边界层分离边界层分离5.1 5.1 水头损失及其分类水头损失及其分类 5.1.1 5.1.1 水流阻力与水头损失水流阻力与水头损失 水流阻力水流阻力 水头损失水头损失 水头损失分类水头损失分类 两种水头损失比较两种水头损失比较 总水头损失总水头损失 水头损失水头损失沿程损失沿程损失 hf 局部损失局部损失 hj jfwhhh 液体以下管道时的沿程损失包括四段液体以下管道时的沿程损失包括四段hf 1hf 2hf 3hf 4 液体经过时的局部损失包

16、括五段：液体经过时的局部损失包括五段：进口、突然放大、突然缩小、弯管和闸门进口、突然放大、突然缩小、弯管和闸门进口进口突然放大突然放大突然缩小突然缩小弯管弯管闸门闸门5.1 5.1 水头损失及其分类水头损失及其分类 5.1.1 5.1.1 水流阻力与水头损失水流阻力与水头损失 水头损失水头损失沿程损失沿程损失 hf 局部损失局部损失 hj jfwhhh5.1 5.1 水头损失及其分类水头损失及其分类 5.1.1 5.1.1 水流阻力与水头损失水流阻力与水头损失5.1.2 5.1.2 横纵断面水力要素对水头损失的影响横纵断面水力要素对水头损失的影响液流边界几何条件对水头损失的影响液流边界几何条件

17、对水头损失的影响 产生水头损失的根源是实际液体本身具有粘滞性，产生水头损失的根源是实际液体本身具有粘滞性，而固体边界的几何条件（轮廓形状和大小）对水头损失而固体边界的几何条件（轮廓形状和大小）对水头损失也有很大的影响。也有很大的影响。l液流横向边界对水头损失的影响液流横向边界对水头损失的影响A过水断面的面积过水断面的面积 过水断面的面积是一个因素，但仅靠过水断面面积过水断面的面积是一个因素，但仅靠过水断面面积尚不足表征过水断面几何形状和大小对水流的影响。尚不足表征过水断面几何形状和大小对水流的影响。 A过水断面的面积过水断面的面积 例如，两个过水断面面积相同的断面，一个正方形，例如，两个过水断

18、面面积相同的断面，一个正方形，一个是扁长方形。显然，后者对水流运动的阻力大，水一个是扁长方形。显然，后者对水流运动的阻力大，水头损失要大。头损失要大。 原因：扁长方形明渠中液流与固体边界接触周界长。原因：扁长方形明渠中液流与固体边界接触周界长。 即使通过相同的流量，面积较小的过水断面，液流即使通过相同的流量，面积较小的过水断面，液流通过的流速较大，水流的阻力及水头损失也大。通过的流速较大，水流的阻力及水头损失也大。 湿周湿周 液流过水断面与固体边界接触的周界线，叫液流过水断面与固体边界接触的周界线，叫湿周，湿周，是过水断面重要的水力要素之一。其值越大，对水流是过水断面重要的水力要素之一。其值越

19、大，对水流的阻力越大，水头损失越大。的阻力越大，水头损失越大。 两个过水断面的湿周相同，形状不同，过水断面两个过水断面的湿周相同，形状不同，过水断面面积一般不相同，水头损失也就不同。面积一般不相同，水头损失也就不同。 因此，仅靠湿周也不能表征断面几何形状的影响。因此，仅靠湿周也不能表征断面几何形状的影响。 由于两个因素都不能完全反由于两个因素都不能完全反映横向边界对水头损失的影响，映横向边界对水头损失的影响，将过水断面的面积和湿周结合起将过水断面的面积和湿周结合起来，用来，用R表示，全面反映横向边表示，全面反映横向边界对水头损失影响。界对水头损失影响。 R越大，则越大，则水头损失越小。水头损失

20、越小。水力半径水力半径R: AR 管管 道道442dddAR d矩形断面明渠矩形断面明渠hbbhAR2 bh梯形断面明渠梯形断面明渠212)(mhbhmhbAR bhml 液流纵向边界对水头损失的影响液流纵向边界对水头损失的影响 液流纵向边界的水力要素包括：底坡、局部障液流纵向边界的水力要素包括：底坡、局部障碍、断面形状沿程发生变化等。这些要素对水头损碍、断面形状沿程发生变化等。这些要素对水头损失的综合效果表现为液流产生渐变流，还是急变流，失的综合效果表现为液流产生渐变流，还是急变流，急变流会增加液流的水头损失。急变流会增加液流的水头损失。 均匀流：均匀流： 沿程水头损失沿程水头损失 非均匀流渐变流非均匀流渐变流: 沿程水头损失沿程水头损失 非均匀急变流非均匀急变流: 沿程和局部水头损失沿程和局部水头损失均匀流均匀流 A，R，v 沿程不变，液流只有沿程水头损沿