沿程阻力和水头损失

1、第4章 水流阻力和水头损失,粘滞性和惯性,物理性质,固体边界固壁对流动的阻滞和扰动,产生水流阻力,损耗机械能hw,水头损失的物理概念及其分类,产生损失的内因，决定因素,产生损失的外因,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。,4-1沿程水头损失和局部水头损失,流体在渠道、管道中流动时，由于边界条件不同以及水流本身沿流程变化特性不同，能量损失表现形式也不同。通常将水头损失分为两种：沿程水头损失与局部水头损失。,沿程水头损失：水头损失沿程都有，并且大小与液流经过的管段长度成正比。以hf表示。,在长直、断面沿流程不变或变化很缓慢的管道、渠道中流动的水流，其水头损失主要表现为沿程水

2、头损失. 由液层间摩擦作用而引起的。 损失的大小与流体的流动状态（层流或紊流）有密切关系。,局部水头损失：局部区域内由于水流边界条件发生变化所产生的能量损失。常用hj表示。,在管道系统中装有阀门、弯管、变截面管等局部装置。流体流经这些局部装置时流速将重新分布，流体质点之间及与局部装置之间发生碰撞、产生漩涡，使流体的流动受到阻碍，由于这种阻碍是发生在局部的急变流动区段，所以称为局部阻力。流体为克服局部阻力所损失的能量，称为局部损失。,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。,常见的发生局部水头损失区域,式中： 代表该

3、流段中各分段的沿程水头损失的总和；,液流的总水头损失hw,代表该流段中各种局部水头损失的总和。,hf1,hj渐扩,hf2,hf3,hj缩,hf4,hj弯,hf5,hf6,hj阀,hwhf1hf2hf3hf4 hf5 + hf6 hj进口hj渐扩hj收缩hj转弯hj阀门,4-2 液体运动的两种型态 一、雷诺试验,雷诺试验,揭示了水流运动具有层流与紊流两种流态。,当流速较小时，各流层的液体质点是有条不紊地运动，互不混杂，这种型态的流动叫做层流。,当流速较大，各流层的液体质点形成涡体，在流动过程中，互相混掺，这种型态的流动叫做紊流。,水流由层流转化为紊流时的流速称为上临界流速，用vc来表示。,水流从

4、紊流转变为层流的流速称为下临界流速，用vc来表示。,实验证实：vcvc。,当液体流速vvc时，液体属于紊流； 当液体流速vvc时，液体属于层流；,当vcvvc时，可以是层流也可以是紊流，液流形态是不稳定的。例如原来是层流，但在噪声、机械振动、固体表面粗糙度的影响下，可变为紊流。,二、层流与紊流的判别,（下）临界雷诺数,雷诺数,或,若rerec，水流为层流，,若rerec，水流为紊流，,圆管：直径d是表征断面几何性质的特征长度； 对非圆形断面的管道和渠道：断面特征长度用水力半径表示。,a：过水断面面积（m2） ：湿周(m)，断面上液体与固体相接触的边界长度,矩形管道：2（h+b）,矩形断面的渠道

5、，2h+b,b,h,b,h,圆管的水力半径,d,层流与紊流的水头损失的规律不同，可用雷诺实验来测量这种规律。 在所实验的管段上，因为水平直管路中流体作稳定流时，根据能量方程可以写出其沿程水头损失就等于两断面间的压力水头差，即,改变流量，将hf与v对应关系绘于双对数坐标纸上，得到,三、层流与紊流的水头损失规律,曲线可分为三个部分:,当vvc时属层流，hf与流速v的一次方成正比，试验点成倾角为450的直线分布。沿程水头损失与平均流速成正比。,当vvc时属紊流，试验点分布倾角大于450的直线上，hf与流速的1.75-2.0次方成正比。,当vcvvc时，是层流向紊流的过渡区，当速度从小逐渐增大时，试验

6、点落在ab线上，当流速达到vc时，流动转变为紊流，试验点沿bc线移动；当流速由大逐渐减小时，试验点落在dca上；在过度区，实验点是分散的，取决于具体的实验条件。,【例题】 管道直径 100mm，输送水的流量 m3/s，水的运动粘度 m2/s，求水在管中的流动状态？若输送 m2/s的石油，保持前一种情况下的流速不变，流动又是什么状态？,【解】,（1）雷诺数,（m/s）,故水在管道中是紊流状态。,（2）,故油在管中是层流状态。,4-3 均匀流基本方程,在管道或明渠均匀流中，任意取出一段总流来分析作用在其上的力。,在均匀流中，由于流线是平行直线，流层间的粘性阻力（切应力）是造成沿程水头损失的直接原因

7、，所以水头损失只有沿程水头损失。,一、基本方程,2、重力:,3、摩擦阻力,因为均匀流没有加速度，所以,即,1、动水压力,1-1断面,2-2断面,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,上式表示圆管均匀流沿程水头与壁面切应力的关系，就是均匀流沿程水头损失与切应力的关系式。,该式只是反映了表面力与质量力之间的总体平衡,没有具体反映水流内部的物理本质,所以对层流和紊流都适用。,对于圆管水流，公式反映的断面上切应力分布：管壁处最大为，为0；管中心处最小，为0。,圆管恒定均匀流，设r0为圆管半径，以管轴为中心，在管中取出一段水流，作用

8、在液流表面的切应力为,二、圆管均匀流切应力的分布,在管壁处r=r0，0，,水力半径r可用管流的半径r表示：rr/2， 则 grj/2,r,r0,将（a）代入,式中 称为沿程阻力系数，表征沿程阻力大小。,得,对圆管来说,均匀流沿程水头损失与流段长度l成正比，这正是沿程水头损失的特点。,实验研究和量纲分析表明：0与液体密度及水流平均流速满足 如下关系：,0fv2 (a),f无量纲系数。,令8f，也为无量纲数,例42一矩形断面渠道，底宽b=4m，水深h=2m，在1000m长度上水头损失2m，求壁面上的切应力。,解：,三、宽矩形明渠水流断面切应力的分布,由于渠宽对于水深而言很大，取单位宽度明渠来分析，

9、认为两侧岸对水流影响很小，h为断面水深。,切应力作用在bd和ef的界面上，在两侧面ab和cd上不出现切应力。,取aecf水体分析，其水力半径,在水深h的单宽断面上的水力半径,代入均匀流基本方程，得,过水断面切应力按直线规律分布，壁面处,b1m,a,e,b,d,f,c,y,h,四、圆管中的层流运动,以管轴为中心，取出一段水流，切应力表达形式：rj/2,牛顿内摩擦定律：,积分得,在管壁处r=r0，u=0，则,流速分布公式,在管轴处，r=0，流速最大，,流量,平均流速 (a),均匀流的水力坡度 j=hf/l,代入(a)式,圆管层流水头损失,上式中,在层流时，其阻力系数是雷诺数的函数，与雷诺数成反比，

10、另外与管道的材料和管壁的粗糙度无关。,按边界条件确定积分常数c，,五、宽矩形明渠中的层流运动,切应力的分布,根据牛顿内摩擦定律,当y=0，u=0，则c0,因此,宽矩形明渠均匀流的流速分布也是抛物线型，,在自由液面上，y=h，流速u取最大值，,b1m,h,y,3-3 紊流的特征 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,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。,（时均）恒定流,瞬时流速与时间平均流速之差叫做脉动流速 ，,引入时间平均值的概念后，可以把某些实质上是非恒定流的紊流看成

11、是恒定流。,时间平均流速可表示为,脉动流速的时间平均值,紊流的运动看成是时间平均流动与脉动运动的叠加。,紊流中的其他物理量，也存在脉动的现象，其脉动的处理方式也用时均化方法处理。,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。,瞬时压强,二、紊流的切应力,紊动时均切应力看作是由两部分所组成,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,纯粹由脉动流速所产生的附加切应力,l流层间混合长度。质点在脉动流速作用下，从一个流层跳跃到另一流层同其它质点相混合所经过的垂直距离。 根据实验资料，在固体壁附近，l与距固体壁的法向距离y成正比，即lky，

12、k称为卡门常数，可由实验测定。,三、紊流流速分布,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，造成断面上流速分布的均匀化。因此紊流在管道内的流速分布图比层流要扁平一些。,目前管道中常用的紊流流速分布的表达式：,1、流速分布的指数公式,2、流速分布的对数公式,当re105时，,当re105时，,流速分布的七分之一次方定律。,据具体情况而定。,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，其流态基本属层流。,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

13、底层以外的液流才是紊流。,粘性底层虽然很薄，但对紊流的流动有很大的影响。所以，粘性底层对紊流沿程阻力规律的研究有重大意义。,粘性底层厚度,0随雷诺数、流速的增加而减小。,当re较小时，,水力光滑壁面,当re较大时，,水力粗糙壁面,过渡粗糙壁面,紊流形成过程的分析,升力,涡 体,紊流形成条件,涡体的产生,雷诺数达到一定的数值,3-4 沿程水头损失,圆管中层流运动的沿程水头损失式,流动状态必然会影响到沿程阻力的性质和大小，在紊流运动中人们仍习惯于采用达西公式来表示沿程阻力。,紊流粗糙区（阻力平方区）,层流转变为紊流的过渡区,一、尼古拉兹实验,尼古拉兹为探讨紊流沿程阻力的计算公式，用不同粒径的人工砂

14、粘贴在不同直径的管道的内壁上，用不同的流速进行一系列试验。,lg（100）,lgre,层流区,紊流光滑区,紊流过渡粗糙区,c,d,1、层流区：lgre3.36（即re2300）的流区。不同的相对粗糙度的试验点都落在斜直线ab上，这说明层流时只与re有关，与k/d无关，即f(re)，,lg（100）,lgre,c,d,3.36,2、层流转变为紊流的过渡区：此区范围为3.36lgre3.6，即2300re4000，在此区中，不同相对粗糙度的试验点基本集中在bc曲线上，说明此区的只与re有关，与k/d无关，即f(re)。,lg（100）,lgre,c,d,3.36,3.6,3、紊流区 当lgre3.

15、6时，属于紊流区。根据与re及k/d的关系，紊流区又分为光滑区，过渡粗糙区和粗糙区三个流区。,lg（100）,lgre,c,d,（1）水力光滑区(紊流光滑区)：为图中的斜直线cd。在此区中，不同相对粗糙度的试验点均落在cd线上，说明此区的只与re有关，与k/d无关，即f(re)。由图可见，对于k/d值不同的管道，其光滑区的范围也不同，k/d值越小，光滑区范围越大。此时按下式计算：,lg（100）,lgre,c,d,（2）、水力光滑区与水力粗糙区之间的过渡区（紊流过渡区）：此区为图中cd线与ef之间的流区，不同相对粗糙度的试验点分别落在不同的曲线上，说明此区的与re及k/d都有关，即f(re，k

16、/d)。此时按下式计算：,在紊流过渡区，随着re的增加，层流底层的厚度变薄，管壁粗糙度逐渐对流动有影响。,lg（100）,lgre,c,d,（3）水力粗糙区（紊流粗糙区）：此区是线ef以右的流区。在此区中，不同相对粗糙度的试验点分别在不同的水平直线上，这说明只与k/d有关，与re无关，即f(k/d)。k/d值越大的管道，水平直线的起点的re值越小，即进入紊流粗糙区越早。此时按下式计算：,在紊流粗糙区，随着雷诺数的继续增大，以致层流底层变得很薄，这时大部分粗糙凸出高同紊流核心直接接触，在壁面粗糙部分背面形成漩涡。这时雷诺数的继续增大已对流动不再决定性的作用了，这个区称为阻力平方区或水力粗糙区，此

17、时阻力系数与雷诺数无关，只是相对粗糙度的函数。,二、莫迪图,尼古拉兹的实验曲线是用各种不同的人工均匀砂粒粗糙度的圆管进行实验得到的，这与工业管道内壁的自然不均匀粗糙度有很大差别。因此在进行工业管道的阻力计算时，不能随便套用上图去查取 值。 莫迪（f.moody）根据光滑管、粗糙管过渡区和粗糙管平方阻力区中计算 的公式绘制了莫迪实用曲线，表示 与 、 之间的函数关系。 整个图线分为五个区域，即层流区、临界区（尼古拉兹曲线的过渡区）、光滑管区、过渡区（尼古拉兹曲线的紊流水力粗糙管过渡区）、完全紊流粗糙管区（尼古拉兹曲线的平方阻力区）。 利用莫迪曲线图确定沿程阻力系数值是非常方便的。在实际计算时根据

18、 和 ，从图中查得 值，即能确定流动是在哪一区域内。,莫迪图,三、沿程阻力系数计算的经验公式 以尼古拉兹实验为标准推导出的有关紊流的半经验半理论公式。,（r105 ）,3、舍维列夫公式：舍维列夫根据对旧钢管和旧铸铁管的水力实验，提出了计算紊流过渡区和粗糙区的经验公式.,管道流速v1.2m/s时：,2、希林松粗糙区公式：,管道流速v1.2m/s时：,紊流过渡区，,粗糙区，,1、布拉修斯光滑区公式：,1、布拉修斯光滑区公式：,4、谢才公式,(1).谢才系数有量纲，量纲为l1/2t-1，单位为m1/2/s。,(2).谢才公式可适用于不同流态和流区，既可适用于明渠水流也可应用于管流。,或,曼宁公式,巴

19、甫洛夫斯基公式,这两个公式均依据阻力平方区紊流的实测资料求得，故只能适用于阻力平方区的紊流。,n为粗糙系数，简称糙率。水力半径单位均采用米。,y为与n及r有关的一个指数，,作近似计算：r1.0m时，,r1.0m时，,适用范围：0.1mr3.0m 0.011n0.04,(3).常用计算谢才系数的经验公式：,适用范围：r0.5m n0.020,将jhf/l代入上式，,其中：,或,。,因此谢才系数受阻力因素的影响，流动阻力越大，谢才系数越小。,例32某给水管道采用新铸铁管，管长l100m，直径d=0.25m，流量q0.05m3/s，水温t=200c，试求该管段的沿程水头损失。,解：（1）用莫迪图计算

20、。,按t=200c查表得水的运动粘滞系数1.007106m2/s,则雷诺数：,因re2300，管中水流为紊流。,查表得新铸铁管的绝对粗糙度k0.3mm k/d0.3/250=0.0012,(2)由re、k/d查莫迪图，得水流属于紊流过渡区。 0.0215,(3)计算hf,f(re，k/d),例33有一坚实的粘土渠道，梯形断面。底宽b=10m，水深h=3m，渠道边坡系数m=1。求(1)用满宁公式、巴甫洛夫斯基公式求谢才系数c；（2）当流量q39m3/s时，每公里长度上的水头损失是多少？,解：计算过水断面上的水力要素：,面积a(b+mh)h=39m2,湿周,水力半径,根据渠道状况，查表得n=0.0

21、225，1/n=44.4,按满宁公式计算c：,按巴甫洛夫斯基公式计算c：,1公里长度上的水头损失：,h,b,m,3-5 局部水头损失,1、局部水头损失计算的一般公式：,局部水头损失系数（局部阻力系数） v对应的断面平均流速。,局部水头损失，通常用流速水头的倍数来表示：,与雷诺数和局部的形状有关。 由于在局部阻力的强烈干扰，在较小的雷诺数时，水流已进入水力粗糙区，因此一般情况下， 只取决于局部的形状，与雷诺数无关。,2、突然扩大管的hj,上式中p1、p2未知，需应用动量方程求解。,伯努里方程,动量方程,取两个渐变流断面列能量方程：,(忽略沿程水头损失),连续性方程,f包括作用在表面上的压力 、重

22、力的分力。,作用在ab面上的压力pabp1a2；作用在22面上的压力p2p2a2；,重力的分力gcos=ga2(z2z1),因此,以ga2除各项,对由ab和22断面及侧壁构成的控制体，列流动方向的动量方程（忽略壁面切应力）：,取12121，得,即突然扩大管的水头损失，等于以平均速度计算的流速水头。,利用连续性方程，把上式变为局部水头损失的一般表达式，,或,代入上式,将,v1,当液体由管道流入断面很大的容器，,作为突然扩大管的特例，a1/a20，=1，,称为管道的出口损失系数。,3、突然缩小管的hj,当液体由断面很大的容器流入管道时，作为突然缩小的特例，a2/a10，因此 =0.5，称为管道入口

23、损失系数。,突然缩小管的局部损失系数决定于收缩面积比a2/a1，其值可按经验公式计算。,v2,突然缩小管的水头损失，主要发生在细管内收缩断面附近的旋涡区。,v2,v1,圆锥形渐扩管的形状由扩大面积比a2/a1及扩散角两个几何参数来确定的。,局部水头损失系数与渐扩前断面的流速v1相对应。,4、渐扩管,r1,r2,v1,v2,-扩大前管道的沿程阻力系数；,-扩散角；当200，k=sin,n=r22/r12,圆锥形渐缩管的形状由面积比a2/a1及收缩角两个几何参数来确定的。局部损失系数由表查得，与收缩后断面的流速v2相对应。,5、渐缩管,a1,a2,v1,v2,弯管只改变流动方向，不改变平均流速的大

24、小。液体流经弯管，在弯管的内、外侧，产生两个旋涡区。弯管的几何形状决定于转角和轴线弯曲半径与管径之比r/d。,6、弯管,r,d,7、阀门,阀门产生的局部阻力系数由阀门的开度来确定。,h,d,8、喷嘴,局部阻力由收缩断面直径d与进水管直径d的比值来确定。,d,d,v,=300,例34如图，ab长l125m，直径d1=150mm，设沿程阻力系数10.035，bc长l2=50m,d2=125mm，20.30，阀门开度为3/4，通过管道流量q=25l/s。求（1）沿程水头损失hf；（2）局部水头损失hj；（3）总水头损失hw；（4）要保持流量q25l/s，所需水头差z。,解：（1）求沿程水头损失：,ab段：平均流速,bc段：平均流速,总沿程水头损失：hfh