水力学系统讲义课件第五章(3)-流动形态及水头损失

第五章液体的流动型型态及水头损损失§5-7圆管紊流沿程程水头损失的的计算§5-8计算沿程水头头损失的谢才才公式§5-9局部水头损失失§5-7圆管紊流沿程程水头损失的的计算尼古拉兹（J.Nikuradse）对不同相对粗粗糙度ks/r0的人工管道，，在不同流量量下对沿程水水头损失系数数λ进行了实验。。1．当雷诺数Re<2300时，流动为层层流，相对粗粗糙度不同的的各实验点均均落在直线ab上。表明此时沿程程水头损失系系数λ只与雷诺数Re有关，而与相相对粗糙度ks/r0无关。2.当2300<Re<4000时，流动由层层流向紊流过过渡，相对粗粗糙度不同的的各实验点均均落在曲线bc上。它说明此时沿沿程水头损失失系数λ只与雷诺数Re有关。但是，，由于此范围围很窄，实际际意义不大，，一般不予考考虑。3．当雷诺数Re>4000时，流动为紊紊流中的水力力光滑管流，，相对粗糙度度不同的各实实验点均落在在直线cd上。表明此时λ只与雷诺数Re有关，而与相相对粗糙度ks/r0无关。相对粗粗糙度越大，，保持管壁为为水力光滑管管的最大雷诺诺数越小。4．cd线与ef线之间的A区，称为由水水力光滑管向向水力粗糙管管的过渡区。。相同相对粗粗糙度的各实实验点均落在在同一条曲线线上，且上面面曲线长，下下面曲线短，，各曲线由低低变高。它说明在此区区沿程水头损损失系数λ同时与雷诺数数Re和相对粗糙度度ks/r0有关。5．线ef右侧的B区，称为水力力粗糙管区。。相对粗糙度度相同的各实实验点分别落落在不同的水水平线上。它说明在此区区沿程水头损损失系数λ只与相对粗糙糙度ks/r0有关。同时沿沿程水头损失失与速度的平平方成比例，，常将此区称称为阻力平方方区。尼古拉兹图是是在人工粗糙糙管道上进行行的实验，有有局限性。莫莫迪针对工业业管道绘制了了沿程水头损损失系数λ曲线。莫迪（L.F.Moody）图沿程水头损失失系数λ的计算水力光滑管区区水力粗糙管区区过渡区，柯尔尔勃洛克公式式尼古拉兹公式式水力光滑管区区水力粗糙管区区1.水力光滑管，，布拉休斯（（P.R.H.Blasius）公式2.紊流过渡区，，用阿里特苏苏里公式适用于旧铸铁铁管和旧钢管管的舍维列夫夫公式1．紊流过渡区区2.水力粗糙管区区经验公式例5.7.1运动粘度为1.139××10-6m2/s的水，以断面面平均流速2.5m/s，在内径为0.25m，长500m管道中流动。。已知管道的的相对粗糙度度ks/d=0.002。试求：（1）按新铸铁管管计算的沿程程水头损失hf1；（2）按旧铸铁管计计算的沿程水水头损失hf2。（1）计算hf1由莫迪图5.7.2查得沿程水头头损失系数λ=0.024，且知此流动在在阻力平方区区，即属于水水力粗糙管。。根据莫迪图根据尼古拉兹兹公式根据阿里特苏苏里公式（2）按旧铸铁管计计算的沿程水水头损失hf2对于旧铸铁管管，当流速v>1.2m/s时，可应用水水力粗糙管区区的舍维列夫夫公式计算沿沿程水头损失失系数λ§5-8计算沿程水头头损失的谢才才公式谢才公式（ChezyFormula）计算渠道和天天然河道流动动中的沿程水水头损失。C为谢才系数，，单位m1/2/s。采用经验公式式计算。谢才系数1．曼宁（R.Manning）公式n—粗糙系数或者者糙率，见表表5.8.1。2．巴甫洛夫斯斯基公式也可以近似地地采用下面两两式适用范围注意事项1．上面各公式式均以m为单位。2．谢才公式对对层流和紊流流均适用。但但是，由于粗粗糙系数n是从阻力平方方区总结出来来的，因此它它只适用于均均匀粗糙紊流流。3．对于圆管管管流，粗糙系系数n已知时，可以以采用谢才公公式计算沿程程水头损失，，也可以达西西-威斯巴赫公式式。4．巴甫洛夫斯斯基公式常用用于上下水道道的水力计算算中，而曼宁宁公式则常用用于明渠和其其它管道。例5.8.1一如图所示的的梯形断面土土渠中发生的的均匀流动。。已知：底宽宽b=2m，边坡系数m=cotθθ=1.5，水深h=1.5m，土壤的粗糙系系数n=0.0225，渠中通过的流流量Q=5.12m3/s，试求：（1）渠中的断面面平均流速；；（2）1公里长渠道上上的水头损失失。（1）渠中的断面面平均流速（2）1公里长渠道上上的水头损失失§5-9局部水头损失失局部水头损失失：在过水断面形形状、尺寸或或流向改变的的局部地区产产生的水头损损失，记为hj。产生原因：在这些局部部地区产生许许许多多的漩漩涡。漩涡的的产生及维持持漩涡的旋转转，漩涡水体体与主流之间间的动量交换换，漩涡间的的冲击与摩擦擦等均需消耗耗能量而引起起水头损失。。计算局部水头头损失的一般般公式为ζ一般由实验确确定，见表5.9.1。断面突然扩大大的局部水头头损失的计算算能量方程动量方程作用在控制体体上的表面力力质量力控制体内的动动量变化几点讨论1.当断面积A2与A1相比很大时，，如管道突然然扩大到某一一容器或水池池时;2.管路中的总局局部水头损失失可以由叠加加法求得。3.局部水头损失失的产生会对对上下游一定定范围内的流流速分布造成成影响。影响响长度为实际的总局部部水头损失比比按叠加法求求得的总局部部水头损失大大些。例5.9.1有一如图所示示的由水箱引引出的串联管管路向大气泄泄流。已知管管径d1=d3=100mm,管长l1=l3=10m，相应沿程水头头损失系数λ1=λ3=0.03，管径d2=200mm，管长l2=5m，相应的沿程水水头损失λ2=0.03；折角θ=30°；90°弯管d/R=1；插板阀门的开开度e/d=0.5；管中流量Q=31.4L/s，试求所需的水水头H。管路中沿程水水头损失的计计算管路中局部水水头损失计算算进口：30°折角：突扩：突缩：90°弯管：阀门：总局部水头损损失5.15如图所示，在在流速由v1变为v3的突然扩大中中，如果中间间加一中等粗粗细的管段使使形成两次突突然扩大，试试求：（1）中间管段中中的流速取何何值时总的局局部水头损失失最小；（2）计算两次突突扩时总的局局部水头损失失与一次突扩扩时的局部水水头损失之比比。5.16如图所示A、B、C三个水箱由两两段普通钢管管相连接，经经过调节，管管中产生恒定定流运动。已已知A、C箱水面差H=10m,l1=50m,l2=40m,d1=250mm,d2=200mm,ζb=0.25,假设流动在阻阻力平方区，，沿程阻力系系数可近似地地用公式计算，管壁的的当量粗糙度度ks=0.2mm，试求：（1）管中流量Q；（2）图中h1及h2。5.18如图所示的钢钢筋混凝土衬衬砌隧洞，喇喇叭形入口，，入口前有一一拦污栅，倾倾角θ=60°，栅条为直径径φ=15mm的圆钢筋，间间距b=10cm，设隧洞前明