水力学系统讲义课件第五章-流动形态及水头损失

第五章流流动形形态及水水头损失失流动阻力力和水头头损失的的分类流动阻力力内摩擦阻阻力：流体有粘粘滞性和和横向流流速梯度度，产生生摩擦阻阻力。压差阻力力：局部地区区固体边边界的形形状或大大小有急急剧改变变，或有有局部障障碍，液液流内部部结构产产生离解解和漩涡涡，流线线弯曲，，流速分分布改变变，增加加了液流流的相对对运动，，产生压压差阻力力。摩擦阻力力滞止离解解压差阻力力惯性离解解压差阻力力水头损失失沿程水头头损失hf：边壁无变变化的均均匀流中中，水流流产生的的阻力为为摩擦阻阻力，能能量损失失为沿程程水头损损失hf。沿程水水头损失失均匀分分布在整整个流段段上，与与流段的的长度成成比例，，又称为为长度损损失。局部水头头损失hm：边壁沿程程急剧变变化的非非均匀流流中，水水流产生生的阻力力为摩擦擦阻力和和压差阻阻力，其其产生的的能量损损失为局局部水头头损失hm。总水头损损失：hw=hf+hm水头损失失的叠加加原理工程上为为了便于于计算，，假定沿沿程水头头损失和和局部水水头损失失时单独发生生作用的的，互不不影响，，两者可可以叠加加。注意：(1)局部水头头损失实实际上是是在一定定长度内内发生的的，为了了处理方便便工程上上把局部部水头损损失发生生的地点点认为是是集中发发生在边界突突变的断断面上。。(2)把实际发发生局部部水头损损失的流流程中的的沿程水水头损失失，看作是未未受局部部水头损损失而单单独发生生的。(3)若两局部部水头损损失距离离很近，，用叠加加法计算算出的局局部水头损失失会偏大大，应作作为整体体进行试试验确定定hj。(4)通常以流流速水头头的某一一倍数表表示水头头损失。。u1u2abcdhfa-bhmbhmahfb-chmchfc-dv22/(2g)hw=hf+hmv12/(2g)水头损失失的计算算公式1.沿程水头头损失：：达西—魏斯巴赫赫公式式中：：—沿程阻力系数数(无量纲)—断面平均均流速L—管道的长长度d—管道的直直径2.局部水头头损失：：—局部损失失系数(无量纲)一般由实实验测定定实际液体体流动的的两种形形态雷诺试验验实验条件件：1.液面高度度恒定；；2.水温恒定定。层流：各层质点点互不混混掺紊流：各层质点点相互混混掺过渡阶段段：流速达临临界值层流：流流体质点点平稳地地沿管轴轴线方向向运动，，而无横横向运动动，流体体就象分分层流动动一样，，这种流流动状态态称为层层流。紊流：流流体质点点不仅有有纵向运运动，而而且有横横向运动动，处于于杂乱乱无章章的不规规则运动动状态，，这种流流动状态态称为紊紊流。液体形态态的判别别：雷诺从一一系列试试验中发发现：1）不同种类类液体在相同直径径的管中进进行实验验，所测测得的临临界速度度是各不不相同的的；2）同种种液液体体在不同同直直径径的管管中中实实验验，，所所得得的的临临界界速速度度也也不不同同。。故判判定定临临界界速速度度是是液液体体的的物物理理性性质质(，)和管管径径(d)的函函数数。。液体体形形态态的的判判别别：：对圆圆管管：：雷诺诺数数临界界雷雷诺诺数数（（液流流型型态态开开始始转转变变时时的的雷雷诺诺数数））管流流下下临临界界雷雷诺诺数数：：Rec=2300管流流上上临临界界雷雷诺诺数数：：Rec=1200040000雷诺诺实实验验是是在在环环境境的的干干扰扰极极小小，，实实验验前前水水箱箱中中的的水水体体经经长长时时间间的的稳稳定定情情况况下下，，经反反复复多多次次测测量量得得到到的的。。后后人人的的大大量量实实验验很很难难重重复复得得到到雷雷诺诺数数的的准准确确数数值值，，通常常在在2000-2300之间间。。对明明渠渠及及天天然然河河道道：：雷诺诺数数临界界雷雷诺诺数数其中中R–水力力半半径径；；A–过流流断断面面面面积积；；-过流流断断面面上上流流体体与与固固体体壁壁面面接接触触的的周周界界，，称称为为湿湿周周。。（1）矩形形断断面面渠渠道道水力力半半径径：：（2）圆管管流流水力力半半径径：：有一一圆圆形形输输水水管管，，直直径径d为2.0cm，管中中水水流流的的断断面面平平均均流流速速为为1m/s，水温温t=15℃，试判判别别管管中中水水流流的的型型态态。。当当通通过过石石油油时时，，若若其其他他条条件件相相同同，，问问流流态态是是层层流流还还是是紊紊流流？？(t=15℃时，，石油油=0.6cm2/s,水=0.0114cm2/s)解：：管中中为为石石油油时时层流流管中中为为水水时时紊流流作业业1、2均匀匀流流沿沿程程水水头头损损失失与与切切应应力力的的关关系系沿程程水水头头损损失失与与切切应应力力的的关关系系在管管道道恒恒定定均均匀匀流流中中，，取取总总流流流流段段1-1到2-2，各作作用用力力处处于于平平衡衡状状态态：：F=0。OOz2z11122P1P200G作用用于于该该总总流流流流段段上上的的外外力力有有：：①动动水水压压力力：P1=p1AP2=p2A②重力力：：G=V=AL，在流流动动方方向向上上的的投投影影Gx=ALsin③摩擦擦阻阻力力：：T=0A'=0LOOz2z11122P1P200Gx写出出管管轴轴方方向向的的平平衡衡方方程程：：OOz2z11122P1P200GxOOz2z11122P1P200Gx恒定定均均匀匀流流基基本本方方程程列1-2两断断面面间间的的伯伯努努利利方方程程与前前式式合合并并得得对于于同同样样的的过过水水断断面面A，湿湿周周最小小的的断断面面形形状状是是圆圆形形。。工工程程上上将将水水管管做做成成圆圆形形，，渠渠道道做做成成与与圆圆形形接接近近的的梯梯形形，，就就是是为为了了尽尽量量减减小小沿沿程程水水头头损损失失均匀匀流流过过水水断断面面上上切切应应力力的的分分布布00r0r00r0ryu圆管管中中的的层层流流运运动动圆管管均均匀匀层层流流的的断断面面流流速速分分布布圆管管均均匀匀层层流流的的沿沿程程水水头头损损失失达西西-魏斯斯巴巴赫赫公公式式通用用公公式式—层流流紊紊流流均均适适用用哈根根-泊肃肃叶叶公公式式例：：利利用用管管径径d=75mm的管管道道输输送送重重油油，，如如图图所所示示，，已已知知重重油油的的重重度度油=8.83KN/m3，运动动粘粘性性系系数数油=0.9cm2/s，管轴轴上上装装有有毕毕托托管管，，水水银银面面高高差差hp=20mm，求重重油油每每小小时时流流量量及及每每米米长长的的沿沿程程水水头头损损失失。。假设设重重油油的的流流动动为为层层流流：：2、求求沿沿程程水水头头损损失失<2300层流流应用用细细管管式式粘粘度度计计测测定定油油的的粘粘度度，，已已知知细细管管直直径径d=6mm，测量量段段长长l=2m，实实测测油油的的流流量量Q=77cm3/s，水水银银压压差差计计的的读值值hp=30cm，油油的的密密度度=900kg/m3。试求求油油的的运运动动粘粘度度和和动动力力粘粘度度。。解:列细细管管测测量量段段前前、、后后断断面面能能量量方方程程设流流动动为为层层流流校核核<2300层流流液体体的的紊紊流流运运动动紊流流的的形形成成条条件件①涡涡体体的的形形成成；；②形形成成后后的的涡涡体体，，脱脱离离原原来来的的流流层层或或流流束束，，掺掺入入邻邻近近的的流流层层或或流流束束。。层流流与与紊紊流流的的根根本本区区别别在在于于：：层流流中中各流流层层的的流流体体质质点点，，互互不不掺掺混混，，有有比比较较规规则则的的““瞬瞬时时流流线线””存存在在；；紊流流中中有大大小小不不等等的的涡涡体体震震荡荡于于各各流流层层之之间间，，互互相相掺掺混混液体体的的紊紊流流运运动动紊流流脉脉动动现现象象与与时时均均化化概概念念运动动要要素素的的脉动动现现象象：：紊流流中中存存在在大大量量涡涡体体，，涡涡体体沿沿各各方方向向进进行行混混掺掺、、碰碰撞撞，，使使紊紊流流中中任任何何一一个个空空间间点点上上的的运动动要要素素（（流流速速、、压压强强等等））随随时时间间不不断断在在变变化化---紊流流运运动动要要素素脉脉动动。。运动动要要素素的的时时均均化化处处理理：T:一般般取取100个以以上上波波形形的的时时间间间间隔隔脉动动值值说说明明：：①脉动动值值不不能能当当作作微微量量处处理理，，有有时时可可达达到到时时均均值值的的三三分分之之一一。。②脉动动总总是是三三维维的的，，虽虽然然主主流流是是一一维维或或二二维维的的，，但但均均产产生生三三个个方方向向的的脉脉动动速速度度。。③脉动动是是涡涡体体互互相相掺掺混混、、交交换换的的结结果果，，不不是是流流体体分分子子的的运运动动。。注意意：：紊流流恒恒定定流流—指时时间间平平均均的的运运动动要要素素不不随随时时间间而而变变化化的的流流动动。。紊流流非非恒恒定定流流—指时时间间平平均均的的运运动动要要素素随随时时间间而而变变化化的的流流动动。。之前前研研究究总总流流时时提提到到的的恒恒定定流流、、非非恒恒定定流流、、流流线线、、流流束束、、总总流流等等都都是是对对时时均均值值而而言言。。？？由于于紊紊流流的的质质点点掺掺混混与与参参数数脉脉动动，，除除质质点点间间相相互互摩摩擦擦引引起起的切切应应力力（（牛牛顿顿应应力力））外外，，还还存存在在由由于于质质点点掺掺混混引引起起的的紊紊流流附附加切切应应力力（（雷雷诺诺应应力力）），，即即式中中1925年，，德德国国力力学学家家普普朗朗特特（（Prandtl)根据据气气体体分分子子自自由由程的的概概念念，，提提出出了了计计算算紊紊流流附附加加切切应应力力的的混混合合长长度度理理论论。。为牛顿顿应应力力；为雷诺诺应应力力；式中中l为混混合合长长度度。。普普朗朗特特假假设设l=Ky，K为待待定定系系数数，，又又称称为卡卡门门通通用用常常数数，，一一般般取取K=0.4，y为流流体体质质点点到到壁壁面面的的距距离离紊流流的的切切应应力力与与流流速速分分布布根据据普普朗朗特特的的混混合合长长度度理理论论进进行行积积分分，，可可得得紊紊流流的的流流速速分布布上式式为为紊紊流流速速度度分分布布公公式式，，又又称称普普朗朗特特—卡门门(Karmen)对数数分布布律律。。式中中称为为阻阻力力速速度度，，是是一一常常数数，，0为壁壁面面切切应应力力。。紊流流中中的的层层流流底底层层与与紊紊流流区区层流流底底层层（（粘粘性性底底层层））：：紧靠靠固固体体边边界界的的地地方方，，由由于于管管壁壁及及流流体体粘粘性性的的影影响响，，流流体体质质点点流流速速小小，，流流态态属属于于层层流流的的流流体体层层。。层流底底层厚厚度一般只只有百百分之之几毫毫米，，最大大只有有几毫毫米。。粘性底底层速速度分分布：：紊流区区：粘性底底层以以外为为紊流流区，，包括括紊动动充分分发展展的紊紊流流流核区区和紊紊流处处于发发展状状态的的过渡渡层（（厚度度仅百百分之之几厘厘米））。作业3、4紊流的的沿程程水头头损失失尼古拉拉兹阻阻力实实验1933年，德德国力力学家家尼古古拉兹兹（Nikuradse）进行了了管流沿程程阻力力系数数的实实验研研究。。实验证证明：：沿程程阻力力系数数的影影响因因素主主要有有雷诺诺数与与管壁的相相对粗粗糙度度，即即式中的的e为管壁壁的绝对粗粗糙度度。作为为已知知条件件，尼尼古拉拉兹采采用人工粗糙糙—均匀沙沙粒。。将已已知粒粒径的的沙粒粒粘贴贴在管管道壁壁面上，沙沙粒的的粒径径e与管道道直径径D之比即即为该该管的的相对粗粗糙度度。在雷诺诺实验验装置置的基基础上上，尼尼古拉拉兹采采用不不同相相对粗粗糙的的实验管段段，对对每根根管实实测不不同流流量下下的流流速v与沿程程水头头损失失hf。将实测测数据据分别别由公公式计算出出相应应的雷雷诺数数Re与沿程程阻力力系数数，点绘绘到对对数坐坐标上上和lglgReabcdef尼古拉拉兹实实验（（实验验曲线线）—人工粗粗糙度度根据沿沿程阻阻力系系数的的变化化规律律，实实验曲曲线分分为5个区：：（1）层流区区（ab线，lgRe＜3.3，Re＜2300）不同相相对粗粗糙的的实验验点都都在同同一根根线上上，说说明沿沿程阻阻力系数与与相对对粗糙糙无关关，只只是雷雷诺数数的函函数，，并符符合前前面的的理论结果果。（2）过渡区区（bc线，lgRe=3.3-3.6，Re=2300-4000）不同相相对粗粗糙的的实验验点都都在同同一根根线上上，说说明沿沿程阻阻力系数与与相对对粗糙糙无关关，也也只是是雷诺诺数的的函数数，但但关系系不确确切，，层流向向紊流流过渡渡的临临界区区域，，实用用意义义不大大。（3）紊流光光滑区区（cd线，lgRe＞3.6，Re＞4000）不同相相对粗粗糙的的实验验点都都在同同一根根线上上，说说明沿沿程阻阻力系数与与相对对粗糙糙无关关，也也只是是雷诺诺数的的函数数。但但随雷雷诺数数的增大，，不同同相对对粗糙糙的实实验点点相继继离开开此线线，粗粗糙越越小，，离开的越越晚。。这一一现象象为““水力力光滑滑”。。“水力力光滑滑”—当壁面面的绝绝对粗粗糙度度小于于层流流底层层厚度度时，壁壁面粗粗糙对对紊流流核心心没有有影响响，沿沿程阻阻力系系数与与相对对粗糙无关关，只只与雷雷诺数数有关关。流流动表表现为为“水水力光光滑””状态态。（4）紊流过过渡区区（cd与ef之间的的曲线线）不同的的相对对粗糙糙的实实验点点分别别落在在不同同的曲曲线上上。说说明本区区内沿沿程阻阻力系系数既既与雷雷诺数数有关关又与与相对对粗糙糙有关关。（5）紊流粗粗糙区区（ef右侧的的水平平直线线）不同的的相对对粗糙糙的实实验点点分别别落在在不同同的直直线上上。所所有直线线均平平行横横坐标标，说说明沿沿程阻阻力系系数与与雷诺诺数无无关。。于是，，沿程程水头头损失失与流流速的的平方方成正正比，，本区区又称称阻力力平方区区。流流动在在本区区内的的层流流底层层远远远小于于壁面面粗糙糙，粗粗糙是影影响流流动的的主要要因素素，这这一现现象称称为““水力力粗糙糙”。。尼古拉拉兹实实验（（实验验曲线线）—人工粗粗糙度度紊流流流速分分布尼古拉拉兹通通过实实测流流速，，完善善了由由混合合长度度理论论得到到的紊流流流速分分布的的一般般式。。（2）在紊紊流粗粗糙区区在紊流流核心心（1）在紊紊流光光滑区区黏性底底层部部分为为沿程阻阻力系系数λ的半经经验公公式根据均均匀流流基本本方程程与达达西公公式（2）紊流粗粗糙区区公式式（1）紊流流光滑滑区公公式紊流流流速分分布，，可导导出沿沿程阻阻力系系数λ的计算算公式式。实际工工程管管的沿沿程阻阻力系系数半半经验验公式式由于尼尼古拉拉兹采采用的的是均均匀的的人工工粗糙糙，与与实际际工程程管的的情况相相差较较大。。如何何建立立两种种粗糙糙的关关系，，是将将尼古古拉兹兹公式式用于实实际工工程管管的关关键。。在紊流流光滑滑区，，虽然然两种种粗糙糙不同同，但但沿程程阻力力系数数与粗糙无无关，，故尼尼古拉拉兹公公式可可直接接使用用。在紊流流粗糙糙区，，两种种粗糙糙对流流动的的影响响有相相同的的规律律。故引入入当量量粗糙糙的概概念后后，即即可可将尼尼古拉拉兹公公式用用于实实际工工程管。。在紊流流过渡渡区，，由于于两种种粗糙糙在过过渡时时对流流动的的影响响完全不同同，故故两者者的沿沿程阻阻力系系数变变化规规律相相差较较大。。直到1939年，美美国工工程师师柯列列勃洛洛克（（Colebrook）给出了适合合于实实际工工程管管过渡渡区的的计算算公式式式中e为实际际工程程管的