水力学系统讲义课件第五章流动形态及水头损失

第五章

流动形态及水头损失流动阻力和水头损失的分类流动阻力内摩擦阻力：

流体有粘滞性和横向流速梯度，产生摩擦阻力。压差阻力：

局部地区固体边界的形状或大小有急剧改变，或有局部障碍，液流内部结构产生离解和漩涡，流线弯曲，流速分布改变，增加了液流的相对运动，产生压差阻力。摩擦阻力滞止离解压差阻力惯性离解压差阻力水头损失沿程水头损失hf：边壁无变化的均匀流中，水流产生的阻力为摩擦阻力，能量损失为沿程水头损失hf。沿程水头损失均匀分布在整个流段上，与流段的长度成比例，又称为长度损失。局部水头损失hm

：边壁沿程急剧变化的非均匀流中，水流产生的阻力为摩擦阻力和压差阻力，其产生的能量损失为局部水头损失hm。总水头损失：hw=

hf+

hm水头损失的叠加原理工程上为了便于计算，假定沿程水头损失和局部水头损失时单独发生作用的，互不影响，两者可以叠加。注意：(1)局部水头损失实际上是在一定长度内发生的，为了处理方便工程上把局部水头损失发生的地点认为是集中发生在边界突变的断面上。(2)把实际发生局部水头损失的流程中的沿程水头损失，看作是未受局部水头损失而单独发生的。(3)若两局部水头损失距离很近，用叠加法计算出的局部水头损失会偏大，应作为整体进行试验确定hj。

(4)通常以流速水头的某一倍数表示水头损失。u1u2abcdhfa-bhmbhmahfb-chmchfc-dv22/(2g)hw=hf+hmv12/(2g)水头黎损失州的计件算公尝式1.消沿程杆水头宁损失肿：达西赏—魏的斯巴难赫公恳式式中博：—沿心程阻耽力系滋数(徐无量亭纲)—断独面平谨均流欺速L—管炎道的蜂长度d—管道姜的直测径2.淡局部尺水头邀损失榆：—局包部损虫失系拘数(银无量射纲)一般捞由实细验测顶定实际宰液体爱流动昂的两蹄种形耳态雷诺彩试验实验筹条件知：1.甘液面竭高度币恒定池；2.着水温灾恒定油。层流志：各层辰质点匆互不堵混掺紊流店：各层北质点梳相互洞混掺过渡马阶段看：流速观达临卷界值层流成：流玻体质晨点平翻稳地跟沿管给轴线滔方向躲运动露，而黎无横糟向运霸动，灵流体厕就象戒分层束流动辞一样吓，这撤种流菜动状鸦态称冻为层物流。紊流蓄：流古体质忘点不苗仅有吉纵向财运动铁，而陷且有蚂横向陡运动爽，处逗于杂蚁乱无糠章的取不规霞则运烛动状捡态，贪这种栗流动宋状态轧称为算紊流选。液体雄形态桂的判扛别：雷诺肾从一毛系列伸试验届中发您现：1）不同摇种类液体俱在相同放直径的管计中进深行实紫验，登所测谦得的届临界晴速度逃是各滩不相镇同的秀；2）同种迷液体在不同盏直径的管吧中实隆验，阀所得沙的临红界速佣度也禁不同巾。故判借定临盏界速钓度是蛛液体国的物莫理性术质(，摊

)和轻管径终(见d核)的函鸡数。液体识形态盗的判卸别：对圆垄管：雷诺出数临界沈雷诺录数（液流厦型态削开始细转变迹时的纠雷诺慕数）管流逮下临盈界雷烟诺数好：Rec=2帐30饶0管流堵上临樱界雷宏诺数墙：Rec=1额20车00

40搅00偏0雷诺剃实验怪是在愈环境重的干档扰极尽小，耳实验调前水甚箱中食的水鄙体经伸长时拨间的足稳定汤情况勇下，经反俭复多披次测赤量得洁到的讽。后磨人的倦大量罚实验丘很难螺重复旱得到挨雷诺脾数的龙准确舌数值虑，通常乡丰在2来00裕0-今23卫00港之间蚊。对明诵渠及未天然酒河道棵：雷诺搂数临界抓雷诺汗数其中R–水肾力半穴径；A–过导流断漠面面悠积；

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③摩也擦阻筝力：T=挨

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最小肠的断勿面形庭状是虹圆形捕。工挑程上顾将水谅管做配成圆慌形，务渠道散做成愿与圆轻形接皆近的贫梯形协，就怕是为辅了尽皇量减惭小沿侮程水立头损繁失均匀剃流过乓水断皆面上阔切应浇力的焦分布

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油=8林.8拒3K妄N/蹦m3，运霸动粘颜性系鞭数油=0.柿9c腾m2/s，管谢轴上扮装有录毕托沃管，却水银垂面高课差hp=2遵0m翁m，求耻重油骗每小箭时流巡寿量及框每米赞长的著沿程滑水头耐损失磁。假设惨重油披的流敲动为待层流点：2、许求沿拣程水间头损孤失<23数00羊层流应用肺细管竖式粘溪度计晓测定晌油的宴粘度禽，已劳知细跳管直祥径d=6腔mm在，测量弯段长l=2德m季，实练测油伍的流辰量Q=7心7c郑m3/s椒，水睡银压伴差计挎的读值hp=3姻0c搬m，避油的光密度

=9肉00马kg俊/m3。试求著油的匀运动输粘度着和动座力粘牵度。解:平列呀细管间测量按段前念、后优断面秋能量善方程设流穿动为予层流校核<落23语00袄层流液体胃的紊蜜流运饰动紊流致的形阁成条疮件①涡打体的仔形成蒸；②形摸成后村的涡灭体，主脱离迟原来旁的流逝层或罗流束牌，掺移入邻袍近的拖流层汇或流但束。层流蹄与紊木流的得根本矩区别象在于父：层流煌中各流拜层的勿流体宣质点财，互舌不掺饺混，监有比高较规侍则的材“瞬级时流镜线”爱存在术；紊流恒中有大寨小不坦等的见涡体田震荡烦于各专流层臭之间大，互掉相掺炮混液体俘的紊岗流运零动紊流巩脉动吊现象苹与时暮均化扮概念运动关要素床的脉动驻现象幸：紊流藏中存酿在大诱量涡侨体，挪涡体震沿各珠方向苍进行膨混掺盆、碰蔽撞，持使紊础流中茂任何票一个融空间滨点上午的运动蔽要素南（流焦速、沫压强墙等）达随时述间不揭断在接变化茎--绳-紊叼流运助动要观素脉网动。运动将要素渔的时牧均化陶处理：T:件一般绘取1芦00长个以揪上波怎形的搁时间杆间隔脉动尺值说缴明：①脉动财值不葛能当爹作微啄量处赶理，窝有时宣可达耐到时炕均值翅的三份分之愉一。②脉动学总是滨三维控的，祥虽然枪主流化是一组维或设二维苗的，膨但均可产生咬三个浮方向拒的脉图动速器度。③脉动睡是涡引体互肃相掺萌混、童交换友的结勿果，黄不是芽流体狮分子肾的运昼动。注意炭：紊流蹦恒定哭流—指问时间屯平均烫的运仇动要廊素不锈随时秋间而漂变化孕的流渐动。紊流娇非恒呈定流—指庭时间故平均益的运旁动要宽素随王时间积而变神化的浑流动待。之前互研究魔总流傲时提追到的酱恒定黑流、盟非恒够定流项、流棍线、期流束疤、总老流等闯都是迅对时箱均值鞠而言锹。？？由于鲜紊流爬的质紧点掺绩混与音参数割脉动曲，除兽质点方间相该互摩吊擦引引起的切帐应力据（牛呜顿应迁力）填外，胶还存浓在由全于质饺点掺士混引棍起的执紊流野附加切聚应力芬（雷刃诺应从力）逗，即式中19雀25乏年，笛德国辉力学对家普捐朗特五（P隆ra慈nd虹tl斩)根壁据气针体分锅子自兵由程的响概念江，提表出了捕计算造紊流亮附加吨切应蜡力的牢混合浆长度破理论是。为牛顿轰应力；为雷诺鉴应力；式中l为混宏合长晶度。扯普朗眼特假映设l=Ky，K为待匙定系础数，颜又称为卡展门通租用常蛛数，校一般渠取K=胃0.涉4，胁y为置流体谨质点傲到壁厦面的冤距离紊流惑的切涉应力鸽与流习速分换布根据快普朗挥特的协混合旱长度充理论晚进行梦积分逗，可诉得紊锣流的队流速分布上式猛为紊余流速盘度分矿布公献式，骆又称绵普朗鼓特—妙卡门车(Ka笑rm挣en)对乓数分布趟律。式中称为环阻力排速度遭，是柏一常炉数，

0为壁亲面切观应力肿。紊流蹄中的泼层流霞底层海与紊事流区层流键底层屋（粘旱性底伟层）粉：紧靠昨固体愈边界播的地矛方，历由于滤管壁改及流礼体粘祝性的挥影响装，流罩体质赢点流痕速小每，流刺态属甚于层示流的榴流体贷层。层流运底层促厚度一般其只有坚百分额之几短毫米跨，最沸大只效有几形毫米闸。粘性峡底层蓬速度换分布宅：紊流课区：粘性望底层净以外预为紊粉流区鼓，包揪括紊乒动充轰分发禽展的祸紊流药流核辉区和嗓紊流桌处于幅发展给状态容的过疼渡层贤（厚监度仅四百分暂之几慨厘米般）。作业3、语4紊流暴的沿妥程水沿头损期失尼古逆拉兹必阻力迎实验19济33胳年，担德国摘力学桃家尼纤古拉尽兹（逝Ni艇ku率ra俗ds列e）恭进行惭了管流沿穿程阻型力系辈数的林实验洞研究荒。实验伪证明耽：沿爽程阻密力系残数的香影响买因素怒主要介有雷告诺数来与管壁的蹈相对园粗糙长度，舍即式中袖的e为管欺壁的绝对层粗糙晋度。作水为已秩知条副件，膀尼古己拉兹示采用人钢工粗驱糙—日均匀缎沙粒甲。将布已知静粒径奔的沙凡粒粘搞贴在制管道依壁面上，牺沙粒退的粒劲径e与管畅道直漫径D之比烟即为吃该管增的相对陪粗糙盈度。在雷绿诺实鼻验装缠置的未基础苏上，使尼古陕拉兹晚采用锹不同诞相对航粗糙形的实验管复段，勺对每寻根管筑实测造不同拨流量陕下的愤流速v与沿海程水光头损勾失hf。将实纱测数抓据分猴别由险公式计算插出相绕应的财雷诺彻数Re与沿油程阻讨力系霸数

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lgReabcdef尼古求拉兹件实验雅（实后验曲进线）雷—人拢工粗凡糙度根据纺沿程疑阻力业系数贞的变粪化规惩律，右实验手曲线痒分为想5个旺区：（1跪）层流固区（ab线，元lgRe＜3课.3脱，Re＜2预30诵0催）不同江相对唐粗糙小的实把验点顶都在郊同一火根线耻上，蹲说明逆沿程铜阻力系数毁与相显对粗腥糙无异关，逗只是怠雷诺冤数的轨函数帮，并徐符合额前面解的理论结倡果。（2后）过渡搅区（bc线，糖l加gRe，Re=2怕30啄0-振40假00心）不同倒相对短粗糙誓的实笔验点团都在锐同一运根线爆上，才说明盾沿程完阻力系数门与相忠对粗妻糙无春关，能也只信是雷乎诺数承的函截数，疏但关救系不饿确切溜，层流分向紊依流过徐渡的说临界查区域卡，实俗用意圆义不项大。（3眨）紊流内光滑榨区（cd线，甚l访gRe＞3绒.6弃，Re＞4颠00详0陷）不同吩相对孝粗糙干的实住验点烤都在圆同一倦根线丙上，笔说明鸡沿程沿阻力系数指与相理对粗扶糙无饶关，杏也只梯是雷史诺数谁的函勇数。虏但随非雷诺队数的增大雅，不僵同相零对粗乡丰糙的榜实验描点相夏继离巩开此部线，怖粗糙跨越小伸，离开的飘越晚绣。这散一现勾象为信“水墙力光叮滑”计。“水改力光怜滑”仰—当恼壁面疑的绝胁对粗用糙度犬小于匹层流讲底层结厚度时，烫壁面润粗糙悬对紊训流核药心没五有影税响，扯沿程考阻力尼系数舰与相先对粗糙无粱关，溪只与辽雷诺竞数有鸦关。堆流动桨表现沟为“荐水力水光滑蜜”状膛态。（4敢）紊流禽过渡互区（cd与ef之间款的曲虾线）不同弱的相裕对粗欢糙的饮实验趣点分乎别落能在不钟同的比曲线砍上。膏说明本宣区内液沿程浮阻力掉系数露既与但雷诺观数有代关又笑与相计对粗惹糙有廊关。（5怎）紊流胀粗糙妨区（ef右侧这的水贝平直元线）不同阀的相伟对粗晌糙的挤实验确点分领别落敌在不考同的违直线氏上。姑所有直密线均辉平行增横坐衫标，忠说明雾沿程览阻力礼系数场与雷谁诺数摘无关筑。于是伏，沿剧程水肺头损某失与然流速倘的平火方成辣正比吗，本鹅区又盯称阻毒力平方揪区。健流动扯在本秧区内鞠的层响流底僚层远盆远小轻于壁需面粗爬糙，隐粗糙是夫影响葬流动帅的主劝要因眠素，得这一绿现象司称为贺“水即力粗源糙”忙。尼古记拉兹弦实验均（实伪验曲罪线）罩—人辩工粗珍糙度紊流动流速娘分布尼古揪拉兹处通过饶实测编流速池，完耍善了物由混警合长逮度理饶论得冻到的紊流盛流速睬分布融的一冰般式骡。（2萌）在壤紊流嫩粗糙捕区在紊崇流核毛心（1肚）在扎紊流赵光滑粪区黏性长底层碎部分排为沿程吗阻力劝系数晋λ的布半经堡验公错式根据缝均匀杯流基扭本方乘程与祝达西妻公式（2葡）紊流邮粗糙剧区公供式（1械）紊档流光誉滑区斧公式紊流吊流速衣分布饥，可枝导出套沿程口阻力刃系数λ的计撇算公津式。实际月工程匀管的忙沿程霸阻力麦系数塑半经偶验公寻式由于锄尼古乳拉兹病采用倍的是浑均匀呆的人继工粗稍糙，烟与实待际工坏程管主的情况广相差予较大贩。如站何建石立两帮种粗露糙的丹关系膊，是麦将尼巾古拉馋兹公伶式用于壁实际姑工程帆管的骂关键烈。在紊饼流光俩滑区撒，虽采然两钓种粗委糙不植同，妥但沿社程阻界力系是数与粗糙法无关崭，故齿尼古桨拉兹戴公式料可直胁接使离用。在紊匙流粗塑糙区凡，两泽种粗境糙对牧流动跟的影鞭响有宴相同扒的规掀律。故引房诚入当显量粗艳糙的弃概念渗后，爬即克可将控尼古容拉兹嫩公式郊用于益实际滚工程管已。在紊刘流过昆渡区烫，由啊于两症种粗逃糙在科过渡妥时对邻流动去的影薪响完全不甘同，昆故两念者的离沿程夸阻力菊系数稼变化获规律急相差混较大纪。直到堡19热39才年，慎美国孙工程预师柯究列勃谎洛克池（C任ol榆eb性ro怖ok薯）给下出了适族合于纤实际含工程泳管过粗渡区器的计句算公们式式中e为实材际工心程管挣的当量码粗糙土度。（森直径那相同许，紊烘流粗糙痕区沿送程阻罪力系莲数相颗等的叫人工伍粗糙伸管的饶粗糙锤突起推高度气e为相滚应的您实际数工程摘管的有当量蓄粗糙永度）19钓44内年，瓜美国壤工程惕师穆段迪（哄Mo拜od蹄y）喘将上友式绘伶成了逗图。λRee/D沿程盐阻力初系数矩的经静验公悠式（2阵）谢魂才（涨Ch美ez舞y）少公式式中v—断书面平洁均流想速；R—水杆力半棉径；J—水亩力坡罢度；谢才呜系数炉可由港曼宁匪（M奴an父ni敌ng决）公险式计讨算，胡即式中n—粗巡寿糙系阅数；R—水瓦力半阔径。C—谢府才系赴数（秘m0.跌5/s互）。（1做）布挖拉修鸡斯（滴Bl蓝as奏iu逃s）芬公式装（曾紊流爽光滑甲区）谢才购系数谷还可君由巴吊甫洛蓝夫斯寇基公荡式算建得（3量）海曾辰—威歉廉公巷式式中CHW—海曾血—威湖廉粗络糙系恢数；Q—丽流量心。海曾胁—威丢廉爬(H会az售en唤-W宽il逐li碑am灯s)令公芦式主翠要用题于给葱水管民道。式中巴甫浩洛夫俊斯基乐公式熄的适称用范接围