第三章 液流型态及水头损失1

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1、课次：4目的：掌握水头损失的物理概念及其分类，液流边界几何条件对水头损失的影响掌握液体运动的两种型态、圆管中的层流运动及其沿程水头损失计算，了解紊流的特性，掌握沿程阻力系数的变化规律，熟悉局部水头损失的计算。内容：1.水头损失的物理概念及其分类2.液流边界几何条件对水头损失的影响3.均匀流沿程水头损失与切应力的关系4.液体运动的两种型态5.圆管中的层流运动及其沿程水头损失计算6.紊流的特性7.沿程阻力系数的变化规律8.计算沿程水头损失的经验公式9.局部水头损失重点：液体运动的两种型态，圆管中的层

2、流运动及其沿程水头损失计算，圆管中紊流沿程水头损失的计算。难点：紊流沿程水头损失的计算。教学方法：讲授与预习、讨论相结合，理论联系实际，结合习题，加深学生对细节的理解和掌握。§3液流型态及水头损失§3.1引言液体流动过程中与固体边壁相互作用产生磨擦力，进而产生水头损失。本章主要研究水头损失产生的原因及机理。§3.2水头损失的物理概念及分类3.2.1水头损失的物理概念及其分类（1）概念水头损失——实际液体都有粘滞性，实际液体在流动过程中有能量损失，主要是由于水流与边界面接触的液体质点黏附于固体表面

3、，流速ｕ为零，在边界面的法线方向上ｕ从零迅速增大，导致过水断面上流速分布不均匀，这样相邻流层之间存在相对运动，有相对运动的两相邻流层间就产生内摩擦力，水流在流动过程中必然要克服这种摩擦阻力消耗一部分机械能，这部分机械能称为水头损失。（2）水头损失的分类①边界形状和尺寸沿程不变或变化缓慢时的水头损失成为沿程水头损失，以hf表示，简称沿程损失。从水流分类的角度来说，沿程损失可以理解为均匀流和渐变流情况下的水头损失。②边界形状和尺寸沿程急剧变化时的水头损失称为局部水头损失，以hj表示，简称局部损失。局

4、部损失则可理解为急变流情况下的水头损失。3.2.2液流边界条件对水头损失的影响产生水头损失必须具备两个条件：①液体具有粘滞性（内因）；②固体边界的影响，液体质点之间产生了相对运动（外因）。（1）液流边界横向轮廓的形状和大小对水头损失的影响水流横向边界对水头损失的影响：横向固体边界的形状和大小可用水断面面积Ａ与湿周Χ来表示。单纯用Ａ或Ｘ来表示水力特征并不全面，只有将两者结合起来才比较全面，为此，引入水力半径的概念。水力学中习惯称R为水力半径，它是反映过水断面形状尺寸的一个重要的水力要素。（2）液流

5、边界纵向轮廓的形状和大小对水头损失的影响水流边界纵向轮廓对水头损失的影响：纵向轮廓不同的水流可能发生均匀流与非均匀流，其水头损失也不相同。§3.3均匀流中的沿程水头损失与切应力的关系3.3.1均匀流切应力公式沿程损失与切应力的关系作用于流束的外力（1）两端断面上的动水压力为p1A¢和p2A¢（2）侧面上的动水压力，垂直于流速（3）侧面上的切力（4）重力流束的受力平衡方程由能量方程同理3.3.2均匀流切应力分布切应力分布3.3.3沿程水头损失的计算公式利用量纲分析得沿程阻力损失的计算为其它断面此公

6、式也叫达西公式。§3.4实际液体运动的两种型态3.4.1雷诺试验层流：液体质点作有条不紊的线状运动，水流各层或各微小流束上的质点彼此互不混掺。紊流：液体质点在沿管轴方向运动过程中互相混掺。3.4.2层流和紊流的判别（1）均匀流沿程水头损失为在雷诺试验中以lgv为横坐标，以lghf为纵坐标绘制水头损失与流速间的关系图。如下图所示。沿程水头损失与流速v之间的关系层流时，，即沿程水头损失与流速的一次方成正比；紊流时，，即沿程水头损失与流速的1.75～2.0次方成正比。Vc’_——上临界雷诺数Vc——下

7、临界雷诺数结论：流态不同，沿程损失规律不同（2）流态的判别——雷诺数雷诺试验中，用染色液体目测的办法判别水流流态，但在实际的液流运动中，这种方法显然是难以办到的，况且也很不准确，带有主观随意性。利用临界流速可以判断水流流态，但临界流速有上临界流速与下临界流速之分，况且，试验表明：如果试验管径、液体的种类和温度不同，得到的临界流速值是不相同的。因此，用临界流速来判断流态也是不切实际的。进一步试验研究表明，分别用下临界流速或上临界流速与管径d和运动粘滞系数ν组成的无量纲数或却大致是一个常数，这两个常

8、数均称为临界雷诺数。经过反复试验，下临界雷诺数的值比较稳定，上临界雷诺数的数值受试验条件的影响较大。实用上就以下临界雷诺数作为流态判别界限，对圆管，常取。雷诺数可定义为                   这样就可以用雷诺数与临界雷诺数比较判断流态了。明渠水流也有层流和紊流，同样可用雷诺数来判别。明渠水流的雷诺数定义为                      其中，Ｒ为水力半径。对明渠水流，其流态的判别是：，水流为层流；，水流为紊流。3.4.3雷诺数的物理意义雷诺数的物理意义可以理解为水流的惯