水流型态与水头损失

‹#›1专题五水流型态与水头损失知识点一水头损失及其与阻力的关系知识点二水流运动的两种流态知识点三液流的层流运动知识点四液流的紊流运动‹#›知识点一水头损失的类型及其阻力的关系有无粘滞性是理想液体和实际液体的本质区别。粘滞性是液流产生水头损失的决定因素。一、

产生水头损失的原因及水头损失的分类水头损失：单位重量的液体自一断面流至另一断面所损失的机械能。分类：(1)沿程水头损失;(2)局部水头损失。‹#›沿程水头损失hf：水头损失是沿程都有并随沿程长度增加。‹#›4局部水头损失：局部区域内液体质点由于相对运动产生较大能量损失。常用

表示。‹#›5常见的发生局部水头损失区域只要局部地区边界的形状或大小改变，液流内部结构就要急剧调整，流速分布进行改组流线发生弯曲并产生旋涡，在这些局部地区就有局部水头损失。‹#›6液流产生水头损失的两个条件(1)液体具有粘滞性。(2)由于固体边界的影响，液流内部质点之间产生相对运动。液体具有粘滞性是主要的，起决定性作用。液流的总水头损失hw式中：代表该流段中各分段的沿程水头损失的总和；代表该流段中各种局部水头损失的总和。‹#›7二、液流边界几何条件对水头损失的影响1、液流边界横向轮廓的形状和大小对水头损失的影响可用过水断面的水力要素来表征，如过水断面的面积A、湿周及力半径R等。湿周：液流过水断面与固体边界接触的周界线。水力半径：对圆管：‹#›均匀流2、液流边界纵向轮廓对水头损失的影响——因边界纵向轮廓的不同，可有两种不同形式的液流：均匀流与非均匀流。均匀流中沿程各过水断面的水力要素及平面平均流速都是不变的，所以，均匀流只有沿程水头损失。非均匀渐变流的局部水头损失可忽略不计，非均匀急变流是两种水头损失都有。‹#›10

均匀流时无局部水头损失，非均匀渐变流时局部水头损失可忽略不计，非均匀急变流时两种水头损失都有。非均匀流‹#›9三、均匀流沿程水头损失与切应力的关系

在管道或明渠均匀流中，任意取出一段总流来分析，作用在该总流段上有下列各力。1、动水压力2-2断面1-1断面‹#›11二、重力——重力:三、摩擦阻力因为均匀流没有加速度，所以即将代入上式，各项用除之，整理后‹#›因断面1-1及2-2的流速水头相等，则能量方程为有因故上式可写成‹#›14知识点二水流运动的两种流态一、雷诺试验‹#›15试验表明，同一液体在同一管道中流动，当流速不同时，液体可有两种不同的形态的运动，即层流和紊流。‹#›17二、液体形态的判别雷诺数：临界雷诺数：液流型态开始转变时的雷诺数。对圆管：对明渠及天然河道：当液流的雷诺数小于临界雷诺数为层流，大于临界雷诺数为紊流。‹#›18例3-1

有一圆形水管，其直径d为100mm，管中水流的平均流速υ为1.0m/s，水温为100C，试判别管中水流的型态。解：当水温为100C时查得水的运动粘滞系数v＝0.0131cm2/s，管中水流的雷诺数因此管中水流为紊流。‹#›16线段AC及ED都是直线，用表示即层流时适用直线AC，，即m＝1。紊流时适用直线DE，，m＝1.75～2。三、水流流动型态和水头损失关系‹#›16四、雷诺数的物理意义补充量纲分析知识：基本量纲：长度L、时间T、质量M，它们之间任何一个量纲都不可能由其余两个基本量纲组合或转换而来。导出量纲：可以用三个基本量纲来组合或推到得到的量纲。如流速的量纲是LT-1,可以用长度和时间两个基本量纲组合而成。‹#›21涡体的形成并不一定形成紊流，只有当惯性作用与粘滞作用相比强大到一定程度是，才可能形成紊流。所以雷诺数是表征惯性力与粘滞力的比值。‹#›19

雷诺实验表明层流与紊流的主要区别在于紊流时各流层之间液体质点有不断地互相混掺作用，而层流则无。五、紊流形成过程的分析‹#›20(a)(b)(c)

涡体的形成是混掺作用产生的根源。‹#›22知识点三液流的层流运动圆管中层流运动圆筒层表面的切应力可按牛顿内摩擦定律来计算：圆筒层表面切应力有当r=r0时，得流速分布公式‹#›23圆管层流的断面平均流速为故或若用达西公式的形式来表示圆管层流的沿程水头损失得‹#›24（b）知识点四液流的紊流运动紊流的基本特征是许许多多大小不等的涡体相互混掺前进，它们的位置、形态、流速都在时刻不断地变化。一、运动要素的脉动（a）‹#›25试验研究结果表明：瞬时流速虽有变化，但在足够长的时间过程中，它的时间平均值是不变的。时间平均流速可表示为即恒定流时时间平均流速不随时间变化，非恒定流时时间平均流速随时间而变化。‹#›26瞬时流速与时间平均流速之差叫做脉动流速，即其它运动要素如动水压强也可用同样方法来表示：常用脉动流速的均方根来表示脉动幅度的大小脉动流速的均方根值与时均特征流速v的比值称为紊动强度。脉动流速的时间平均‹#›27二、紊动产生附加切应力层流运动粘滞切应力：紊动时均切应力看作是由两部分所组成：第一部分为由相邻两流层间时间平均流速相对运动所产生的粘滞切应力；第二部分为纯粹由脉动流速所产生的附加切应力。故有‹#›28三、紊流中存在粘性底层紊流中紧靠固体边界附近地方，脉动流速很小，由脉动流速产生的附加切应力也很小，而流速梯度却很大，所以粘滞切应力起主导作用，气流态基本属层流。因此紊流中紧靠固体边界表面有一层极薄的层流层存在，该层流层叫粘性底层。在粘性底层以外的液流才是紊流。‹#›29粘性底层的切应力按层流来计算其流速按抛物线规律分布，但粘性底层很薄，其流速分布可看作是按直线变化。故有即推得则有‹#›30因故有则有式中雷诺数若N=11.6，有‹#›31四、紊动使流速分布均匀化紊流中由于液体质点相互混掺，互相碰撞，因而产生了液体内部各质点间的动量传递，造成断面流速分布的均匀化。‹#›32目前管道中常用的紊流流