水力学教学课件：第4章 流动形态与水头损失1

1、1第四章 流动型态和水头损失2 当水流运动时，水流克服阻力做功，将一部分机械能，转化为热能，造成能量损失。产生能量损失的原因：流体有粘滞性 边界滞水作用4 流动型态和水头损失水头损失与液流的物理性质和边界特征密切相关。34.1 水头损失及其分类4.3 均匀流沿程水头损失与水流阻力关系4.2 流动的两种形态4.4 层流运动4.5 紊流运动4.6 紊流的沿程水头损失4.7 局部水头损失4 流动型态和水头损失4.1 水头损失及其分类返回目录4.8 边界层理论简介4.9 绕流阻力4理想液体运动： 没有粘性，一般没有相对运动，无流速梯度和粘性切应力。因此，也不存在能量损失 。流线流速分布u(y)4.1.

2、1 水流阻力与水头损失4.1 水头损失及其分类 5实际液体: 有粘性。相邻液层间有相对运动，两流层间存在内摩擦力。过水断面上流速分布不均匀。液体运动时，要克服摩擦阻力（水流阻力）做功，将一部分机械能，转化为热能，造成能量损失。4.1.1 水流阻力与水头损失yy0u(y)6依据边界条件以及作用范围沿程损失 hf 局部损失 hj hw 4.1.1 水流阻力与水头损失水头损失hw ：单位重量液体的能量损失7沿程水头损失hf hf s 在平直的固体边界水道中，单位重量的液体从一个断面流至另一个断面的机械能损失，称为沿程水头损失。这种水头损失随沿程长度增加而增加。4.1.1 水流阻力与水头损失8 当液体

3、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，这种能量损失称为局部水头损失。 局部水头损失hj 4.1.1 水流阻力与水头损失9管道突然缩小漩涡区局部水头损失发生的位置4.1.1 水流阻力与水头损失 管道中的闸门局部开启104.1.1 水流阻力与水头损失局部水头损失发生的位置漩涡区11 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局部范围之内，叫做局部水头损失hj 。CBDA局部水头损失发生的位置圆柱绕流12通过液体粘性将其能量耗散 边界突然变化局部水头损失沿程水头损失 hf s发生边界边界

4、顺直大小 与边界形状、漩涡强度等因素相关耗能方式外在原因 边界滞水、摩擦阻力 边界层分离、形状阻力13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闸门14液体在下列管道的沿程损失包括四段：hf1hf 2hf 3hf4 4.1.1 水流阻力与水头损失154.1.2 过流断面的水力要素过水断面几何形状对水头损失的影响 产生水头损失的根源是实际液体本身具有粘滞性和边界滞水作用，水头损失与固体边界的几何形状和尺寸有关。 怎样反映固体边界的几何形状和尺寸？16过流断面形状对水头损失的影响 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

5、水流的影响。 过水断面的面积: A？ 例如，两个过水断面面积相同，一个是正方形，一个是圆形。前者对水流运动的阻力大，水头损失要大。 原因：方形断面中液流与固体边界接触周界长。 17 液流过水断面与固体边界接触的周界线，是过水断面的重要的水力要素之一。仅靠湿周也不能表征断面几何形状的影响。 例如，两个过水断面的湿周相同，一个是正方形，一个是圆形。阻力、水头损失不同 原因：面积速度不同过流断面形状对水头损失的影响湿周: ？18 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，因此，将过水断面的面积和湿周结合起来，全面反映横向边界对水头损失影响。 定义：水力半径为过水断面的面积和湿周过流断面形状

6、对水头损失的影响水力半径:？19过流断面形状对水头损失的影响管道bh矩形断面明渠20bhm过流断面形状对水头损失的影响梯形断面明渠214.3 均匀流沿程水头损失与水流阻力关系4.2 流动的两种形态4.4 层流运动4.5 紊流运动4.6 紊流的沿程水头损失4.7 局部水头损失4 流动型态和水头损失4.1 水头损失及其分类返回目录4.8 边界层理论简介4.7 绕流阻力221840年，哈根发现由于粘性的存在，流动有两种截然不同的形态，他们的水流结构不同、流速分布不同，水头损失规律不同。 1883年，英国科学家雷诺通过大量实验证明、从理论分析。得到了雷诺实验，能量损失规律。4.2 流动的两种形态23（

7、图片来源： http:/）雷诺24（图片来源： http:/）雷诺25（图片来源： http:/）雷诺26实际流体有哪两种流动型态？雷诺试验试验装置观察管内流动现象27层流过渡段紊流（b）振荡摇摆的波形色线（c）色线破裂扩散（a）平稳而鲜明的细色线 层流 紊流： 上临界流速 紊流 层流： 下临界流速 实际流体有哪两种流动型态？玻璃管内的水流现象：实验录像28层流（Laminar Flow） 在流速较小时，液体质点作有条不紊的有序的直线运动，水流各层或各微小流束上的质点彼此互不掺混的流动。过渡段（Transitional flow） 层流与紊流之间的过渡阶段。例：毛细血管中血液流动,流速很小的细

8、直管道流动。例：动脉中血液流动，输油管道，天然河道，大气环流，洋流。实际流体有哪两种流动型态？紊流（Turbulent Flow） 随流速增大，流层逐渐不稳定，液体质点相互混掺，质点运动轨迹极不规则的流动。两种流态的定义29这两种流动型态有什么不同？特点：层流与紊流的水头损失规律不同建立水头损失hf与流速大小v的关系1230EBDAC这两种流动型态有什么不同？建立水头损失hf与流速大小v的关系0流速减小流速增大ABCDDCEBAAB和CD段都为直线段层流：CD段, 1=45, m=1紊流：AB段, 2=60.255o63.435o m=1.75 2.001231 临界流速 与 有关怎样区分这两

9、种流动型态？流动型态判别：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）试验发现：下临界雷诺数上临界雷诺数 由于下临界雷诺数比较稳定，因此以下临界雷诺数作为判断液流型态的依据，称为临界雷诺数。32怎样区分这两种流动型态？对于圆管：雷诺数定义：紊流层流雷诺数作用：判别流态：对于明渠：雷诺数特点：无单位无量纲33雷诺数的物理意义粘性力抑止小扰动，促使液流趋于稳定。惯性力使小扰动的作用保持和强化，促使液流趋 于紊动。雷诺数表征了液流的惯性力与粘性力的比值。流速较小（Re较小）粘性力起主导作用层流流速较大（Re较大）惯性力起主导作用紊流惯34（1） 实际液体流动可分为层流和紊流两种流态

10、（2） 雷诺数 临界雷诺数ReC（3） 不同流态下的能量（水头）损失规律不同，确定水头损失必须确定流态。（4） 层流紊流小 结354.3 均匀流沿程水头损失与水流阻力关系4.2 流动的两种形态4.4 层流运动4.5 紊流运动4.6 紊流的沿程水头损失4.7 局部水头损失4 流动型态和水头损失4.1 水头损失及其分类返回目录4.8 紊边界层理论简介4.9 绕流阻力36 4.3.1 均匀流的沿程水头损失 均匀流的沿程水头损失等于两过水断面的测压管水头差流动过程中动能不变，沿程阻力消耗能量由势能提供。 4.3 均匀流沿程水头损失与水流阻力关系37lz1P1P2z2v1v2hw=hfp1/p2/112

11、2v222gv122gv1v200总水头线 J测压管水头线Jp 均匀流 A，R，v 沿程不变。测压管水头线和总水头线是平行的。 38lv1v21122P1P200z1z2研究对象：圆管均匀流，长度为l，面积 A，湿周受力分析：水流方向上受力平衡：动水压力重力边界阻力v 4.3.2 均匀流的边壁切应力39lv1v21122P1P200z1z2v40 4.3.2 均匀流的边壁切应力J水力坡度（单位长度上的水头损失）令沿程水头损失和边壁切应力的关系式 适用于均匀层流、紊流、有压流和无压流41分析断面上的切应力分布问题 4.3.3 均匀流过水断面切应力分布 42P11122u1u2P2 液流各层之间存

12、在内摩擦力，在均匀流中（管流）半径为r 处，任取一流束，按照同样的方法可得： 式中，为半径r 处液流切应力； R=r/2为r 处水力半径A dA Rr 1-1 剖面图r0 43 4.3.3 均匀流过水断面切应力分布 P11122u1u244对于圆管 0uA r 1-1 剖面图r0 4.3.3 均匀流过水断面切应力分布 圆管均匀流过水断面上切应力呈直线分布，管壁处切应力最大，管轴处为零 45对于宽浅明渠 hbyy 4.3.3 均匀流过水断面切应力分布 yy0u(y)46 因此，水头损失和切应力有关，欲求水头损失，必须先知道边壁切应力，切应力与流态有关，下面分不同流态讨论。 4.3.3 均匀流过水

13、断面切应力分布 474.3 均匀流沿程水头损失与水流阻力关系4.2 流动的两种形态4.4 层流运动4.5 紊流运动4.6 紊流的沿程水头损失4.7 局部水头损失5 流动型态和水头损失4.1 水头损失及其分类返回目录4.8 边界层理论简介4.9 绕流阻力484.4.1 圆管层流运动 4.4.2 明渠层流运动 4.4 层流运动490u过水断面切应力分布过水断面流速分布? 4.4.1 圆管层流运动牛顿内摩擦定律:ruxrr0Oumaxr50过水断面流速分布 4.4.1 圆管层流运动uxr0Oumaxr51旋转抛物面 圆管层流过水断面上流速分布是一个旋转抛物面，流速最大值位于管轴上，边壁最小。过水断面流速分布 4.4.1 圆管层流运动旋转抛物面ur0Oumaxr520ru(r)r 4.4.1 圆管层流运动53 断面平均流速ru(r)vr0 dAdr 4.4.1 圆管层流运动54圆管层流的断面平均流速为最大流速的一半 断面平均流速 4.4.1 圆管层流运动55 圆管层流