水力学系统讲义课件第五章(1)-流动形态及水头损失

1、第五章 液体的流动型态及水头损失 5-1 水头损失产生的原因及分类 5-2 均匀流中沿程水头损失的计算公式 5-3 液体流动的两种型态输水管路系统 5-1 水头损失产生的原因及分类产生原因：液体的粘滞性和液体质点间的动量交换而引起的。 沿程水头损失：在管径沿程不变的直管段内产生，记为hf，其大小和管长成比例。 产生原因：局部地区产生漩涡。漩涡的产生及维持，漩涡水体与主流之间的动量交换，漩涡间的碰撞与摩擦均需消耗能量而引起水头损失。 局部水头损失：在水流方向、断面形状和尺寸改变以及障碍处产生，记为hj。 过水断面的形状和尺寸对沿程水头损失的影响 湿周：过水断面上被液体湿润的固体周界长度，记为。

2、结论：在同样的流量，同样的管材、管长、过水断面积的前提下，湿周越小，沿程水头损失越小。 过水断面的形状和尺寸对沿程水头损失的影响 结论：不能单纯用过水断面积和湿周的大小反映过水断面的形状和尺寸对沿程水头损失的影响。 水力半径 过水断面积A与湿周之比定义为水力半径： 其他条件相同：水力半径大者沿程水头损失小。对于半径为r或者直径为d的圆形过水断面，水力半径为 综合反映过水断面积和湿周对沿程水头损失的影响。对于底宽为b，水深为h，边坡系数为m的梯形过水断面渠道的水力半径为 矩形过水断面渠道的水力半径，令m=0，则对于h/b1/10的宽矩形过水断面渠道的水力半径 5-2 均匀流中沿程水头损失的计算公

3、式 圆管总流中取出长度为s的一段作为控制体，研究其平衡。假设流动是恒定的均匀流，且液体是不可压缩的。 恒定流，没有时间加速度；均匀流，没有位移加速度，故该流动液体的全部加速度为零。 控制体上的表面力：动水总压力；摩擦力 控制体上的质量力：重力分量 动水总压力摩擦力 重力分量 写11和22断面的能量方程式 圆管均匀流过水断面上的切应力按直线规律分布，管壁处最大，管轴线处为零。 对于水力半径为R的同心圆筒式元流，其元流表面的切应力为 由量纲分析我们可以得到切应力0为 均匀流情况下的沿程水头损失公式 对于圆管 达西-威斯巴赫（Darcy-Weisbach）公式 例5.2.1 水流在直径d=30cm的

4、圆管中流动时，在l=100管长上测得水头损失hf=2m。试求：（1）管壁上的切应力0； （2）当沿程水头损失系数=0.025时的断面平均流 速v。 解：（1）0计算 （2）断面平均流速计算 5-3 液体流动的两种型态 雷诺实验液流型态的判别雷诺数的物理意义5.3.1 雷诺实验 实验装置上游是一个保持恒定水位的水箱，由侧壁引出一根平直的玻璃管。水箱顶部放有一盛红颜色水的容器，在其下用细管引入到水平玻璃管的入口处。两个测压管是为了测量沿程水头损失。通过阀门K可以调节管中的流速。下游设有接水容器。 实验操作及现象先将阀门K微微打开，在玻璃管中有一条平直的色线。再将阀门K逐渐开大，玻璃管中的流速就逐渐

5、增大，管中的色线开始颤动并弯曲，有波状外形。当流速达到一定值时，色线完全破裂形成许许多多的小旋涡充满整个玻璃管。当实验以相反的程序进行时，则流动从紊流转变为层流。由紊流转变为层流时的流速比由层流转变为紊流时的流速小。实验结论1.同一种液体在同一个管道中流动，当流速不同时液体有两种不同的运动型态：（1）层流：是指在流速较小时，液体质点作有条不紊的直线运动，水流各层上的质点互不掺混。（2）紊流（湍流）：是指在流速较大时，流层逐渐不稳定，质点相互掺混，液体质点运动轨迹极不规则的流动。2.沿程水头损失hf与平均流速的关系。 沿程水头损失hf与平均流速的关系由1-1，2-2断面的能量方程两根测压管中的水

6、位差就是1-1，2-2断面间的水头损失；通过下游容器可测量流量，进而可计算管中的断面平均流速v。以lgv为横坐标轴，以lghf为纵坐标轴。线段AC与水平轴的夹角为45；线段DE与水平轴的夹角在60156326之间。5.3.2 液流型态的判别 用颜色水观察水流型态（可操作性差）用临界流速判断（缺乏普适性）实验发现，采用无量纲雷诺数判断液流型态更适合相应于下临界流速 的雷诺数为下临界雷诺数 ；相应于上临界流速 的雷诺数为上临界雷诺数 。临界雷诺数由于下临界雷诺数比较稳定，因此用下临界雷诺数作为判断液流型态的依据。下临界雷诺数以上的液流总是紊流，下临界雷诺数以下的液流总是层流。对于圆管中的流动，临界雷诺数为对于明渠及天然河道中的流动，临界雷诺数为5.3.3 雷诺数的物理意义 雷诺数表示作用在液流上的惯性力与粘性力的比值。紊流：雷诺数较大，作用在液流上的惯性力起主导作用，粘性力约束不住液流的质点，液体质点在惯性力的作用下互相掺混而呈紊流型态。层流：雷诺数较小，作用在液流上的粘性力起主导作用，粘性力约