【2017年整理】水力学辅导材料4

《【2017年整理】水力学辅导材料4》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、水力学辅导材料4：一、第4章液流型态与水头损失【教学基本要求】1、理解水流阻力和水头损失产生的原因及分类，掌握水力半径的概念。2、了解均匀流水头损失的特点，掌握均匀流沿程水头损失计算的达西公式和沿程水头损失系数λ的表达形式。3、理解雷诺实验现象和液体流动两种流态的特点，掌握层流与紊流的判别方法及雷诺数Re的物理含义，弄清楚判别明渠水流和管流临界雷诺数不同的原因。4、理解圆管均匀层流的流速分布，掌握沿程水头损失的计算及沿程水头损失系数的确定。5、了解紊流的成因和特征，了解紊流粘性底层和边界粗糙程度对水流运动的影响，理解紊流

2、光滑区、粗糙区和过渡区的概念，了解紊流的流速分布规律。6、理解尼古拉兹实验中沿程水头损失系数λ的变化规律，掌握紊流3个流区沿程水头损失系数λ的确定方法，能应用达西公式计算紊流的沿程水头损失。7、了解当量粗糙度的概念，会运用Moody图查找λ的值。8、掌握计算沿程水头损失的经验公式——舍齐公式和曼宁公式，能正确选择糙率n。9、理解局部水头损失产生的原因，能正确选择局部水头损失系数进行局部水头损失计算。【学　习　重　点】1、了解液体运动两种流态的特点，掌握流态的判别方法和雷诺数Re的物理意义。2、掌握沿程水头损失系数λ在层流

3、和紊流三个流区内的变化规律，并能确定λ的值。3、会应用达西公式计算沿程水头损失4、掌握舍齐公式及曼宁公式，并会确定糙率n。5、掌握局部水头损失计算。【内容提要和学习指导】本章是水力学课程中的重点，也是难点。这一章中概念多、公式多，重要的雷诺实验、尼古拉兹实验成果与半经验理论和理论分析成果相互验证和借鉴，经验公式和系数多而且集中。学习本章应该紧紧围绕达西公式中的沿程水头损失系数λ，掌握λ的影响因素和在不同流态与紊流各流区中的变化规律，弄清相关的概念和液体运动特征。最终落实到会确定λ值，并计算不同流态和流区内的沿程水头损失。

4、4.1水流阻力与水头损失8水流阻力和水头损失是两个不同而又相关联的重要概念，确定它们的性质、大小和变化规律在工程实践是有十分重要的意义。（1）水流阻力是由于液体的粘滞性作用和固体边界的影响，使液体与固体之间、液体内部有相对运动的各液层之间存在的摩擦阻力的合力，水流阻力必然与水流的运动方向相反。（2）水流在运动过程中克服水流阻力而消耗的能量称为水头损失。其中边界对水流的阻力是产生水头损失的外因，液体的粘滞性是产生水头损失的内因，也是主要原因。（3）根据边界条件的不同，可以把水头损失分为两类：对于平顺的边界，水头损失与流程成

5、正比，我们称为沿程水头损失，用hf表示；由于局部边界急剧改变，导致水流结构改变、流速分布调整并产生旋涡区，从而引起的水头损失称为局部水头损失，用hj表示。（4）对于在某个流程上运动的液体，它的总水头损失hw遵循叠加原理即hw=∑hf+∑hj（4—1）（5）为了反映过流断面面积和湿周对水流阻力和水头损失的综合影响，我们引入水力半径的概念，即R=A/χ（4—2）水力半径是水力学中应用广泛的重要的水力要素。4.2均匀流沿程水头损失的基本公式——达西公式（1）均匀流中只存在沿程水头损失，它有两个特点：一是所消耗的能量全部由势能转

6、化来的，二是每单位长度上的水头损失J（也称为水力坡度J=hf/l）是沿程不变的。（2）均匀流的切应力分布规律：液体内部切应力τ=γR＇J（4—3）边界上切应力τ0=γRJ（4—4）式中：J—水力坡度，R＇和R分别是流股和整个过流断面的水力半径。可见当γ、J为定值，切应力与R＇成正比，也就是说边界上的切应力为最大。通过量纲分析可以导出管壁处的切应力为（4—5）（3）均匀流沿程水头损失的计算基本公式为达西公式（4—6）对于圆管，则（4—7）上式建立了沿程水头损失hf与流速v、流段长l、边界几何特征R和反映阻力特征的系数λ之间

7、的关系。λ称为沿程水头损失系数(也称为沿程阻力系数)。它是计算沿程水头损失重要的参数。这一章讨论的大部分内容都是为了确定λ值服务的。通过深入研究发现：沿程水头损失系数λ与液体的流动型态和边界的粗糙程度密切相关。84.3液体流动的两种型态和流态的判别（1）1883年英国科学家雷诺（Reynolds）通过实验发现液体在流动中存在两种内部结构完全不同的流态：层流和紊流。同时也发现，层流的沿程水头损失hf与流速一次方成正比，紊流的hf与流速的1.75~2.0次方成正比；在层流与紊流之间存在过渡区，hf与流速的变化规律不明确。雷诺

8、实验反映了沿程阻力系数λ是与流态密切相关的参数，计算λ值必须首先确定水流的流态。（2）液体流态的判别是用无量纲数雷诺数Re作为判据的。对于明渠水流Re=（4—8）明渠水流临界雷诺数Rek=500，当Re＜500为层流，Re＞500为紊流。对于圆管水流Re（4—9）圆管水流临界雷诺数Rek=2000，当Re＜2000为