水流阻力与水头损失

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1、第四章水流阻力与水头损失水力学8/17/20211在前一章中我们已经讨论过理想液体和实际液体的能量方程式。因实际液体具有粘滞性，在流动过程中会产生水流阻力，克服阻力就要耗损一部分机械能，转化为热能，造成水头损失。水头损失与液体的物理特性和边界特征均有密切关系，所以本章首先对两种不同物理特性的液体(理想液体和实际液体)在不同边界条件下所产生的液流特征加以剖析，弄清楚水头损失的物理概念。又因水头损失的变化规律与液流型态有密切关系，所以本章在阐明液流型态及其特征的基础上，再讨论水头损失的变化规律及其计算方法。headlossincondu

2、its8/17/20212水头损失的物理概念和分类液流边界几何条件对水头损失的影响均匀流沿程水头损失与切应力的关系液体运动的两种型态紊流的特征紊流均匀流沿程水头损失的计算公式局部水头损失恒定有压管流8/17/20213理想液体，边界面没有滞水作用，液流为平行直线流，过水断面上流速分布是均匀的，液体流动过程中没有任何能量损失。理想液体流线流速分布1.水头损失的物理概念和分类8/17/20214实际液体是有粘滞性的，过水断面上的流速分布是不均匀的，因此相邻两流层之间都有相对运动。由于粘滞性的作用，有相对运动的两流层之间就有内摩擦切应力发

3、生。液体流动过程中要克服这种摩擦阻力就要作功，作功就要损耗一部分液流的机械能，转化为热能而散失。实际液体流线流速分布8/17/20215在水力学中，能量损失都是用单位重量的液体所损失的能量来表示，称为水头损失。在固体边界平直的水道中，单位重量的液体自一断面流至另一断面所损失的机械能，是沿程都有并随沿程长度而增加的，所以叫做沿程水头损失，常用hf表示。8/17/20216当实际液体沿固体边界流动时，局部地区边界的形状或大小改变(如管道或河渠中的断面突然扩大或缩小或流向有急剧变化)，或有局部障碍(如管道中的阀门等)，液流内部结构就要急剧

4、调整，流速分布进行改组，流线发生弯曲，在这些局部地区都有局部水头损失。这种能量损失是发生在局部范围之内的，叫做局部水头损失，常用hj表示。8/17/20217由以上分析可知，液流产生水头损失必需具备两个条件：(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。水头损失区分为沿程损失与局部损失，对液流本身来说，仅仅在于造成水头损失的外在原因有所不同。固体边界平直，水流为均匀流或渐变流，产生沿程水头损失；固体边界突变或水流遇局部障碍，水流为急变流，产生局部水头损失。水头损失不论其产生的外因如何，都是由于液流内部

5、质点之间有相对运动，因粘滞性的作用，产生切应力的结果。8/17/20218其一流段沿程水头损失与局部水头损失的总和称为该流段的总水头损失。所以实际液体总流能量方程式中的总水头损失，可用下式表示式中：hf--该流段中各分段的沿程水头损失的总和；hj--该流段中各种局部水头损失的总和。返回8/17/202192.液流边界几何条件对水头损失的影响产生水头损失的根源是实际液体本身具有粘滞性，但固体边界纵、横方向的几何条件(即边界轮廓的形状和大小)对水头损失也有很大影响。8/17/202110一、液流边界横向轮廓的形状和大小对水头损失的影响—

6、—液流边界横向轮廓的形状和大小对水流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、湿周、及水力半径等。圆形断面、矩形断面、梯形断面8/17/202111液流过水断面与固体边界接触的周界线叫做湿周(wettedperimeter)，常用表示。湿周愈大，水流阻力及水头损失也愈大。过水断面面积除以湿周称为水力半径。水力半径(Hydraulicradius)是过水断面的一个非常重要的水力要素，几乎许多重要的水力学公式中都包含有这个要素。水力半径的量纲是长度，常用米(m)或厘米(cm)为单位。例如：Circularpipeflowin

7、gfull直径为d的圆管，当充满液流时，8/17/202112thewettedperimeterThehydraulicradiusisaconvenientmeansforexpressingtheshapeaswellasthesizeofaconduit.CustomarilywesubstituteforD8/17/202113二、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。按均匀流的定义可知，沿水流长度方向上各过水断面的水力要素及断面平均流速都是保持不变的。所以，均

8、匀流时只有沿程水头损失，而且各单位长度上的沿程水头损失也是相等的，总水头线应为一直线。又因各过水断面平均流速相等，所以各过水断面上的流速水头也是相等的。由此可知，均匀流时总水头线和测压管水头线是相互平行的直线。8/17/202114非