《流动阻力和水头损失》

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1、水力学第4章流动阻力和水头损失Ph.D王远成主要内容：1/水头损失的物理概念及其分类2/沿程水头损失与切应力的关系3/液体运动的两种流态4/圆管中的层流运动及其沿程水头损失的计算5/紊流特征6/管流沿程阻力系数的变化规律7/计算渠流沿程水头损失的经验公式：谢才公式8/局部水头损失粘滞性和惯性物理性质——固体边界对流动的阻滞和扰动产生流动阻力损耗机械能hw水头损失的物理概念及其分类：产生损失的内因产生损失的外因水头损失产生的原因：外因和内因.§4.1沿程水头损失和局部水头损失一、沿程阻力与沿程损失粘性流体在管道中流动时，流体与管壁面以及流体之间存在摩擦力，所以沿着流动路程，流体流动

2、时总是受到摩擦力的阻滞，这种沿流程的摩擦阻力，称为沿程阻力。流体流动克服沿程阻力而损失的能量，就称为沿程损失。沿程损失是发生在渐变流整个流程中的能量损失，它的大小与流过的管道长度成正比。造成沿程损失的原因是流体的粘性和惯性以及管道的粗糙度等，因而这种损失的大小与流体的流动状态（层流或紊流）有密切关系。实际流体在管内流动时，由于粘性的存在，要产生能量损失。产生能量损失的原因和影响因素很复杂，通常可包括粘性阻力造成的沿程损失两部分。和局部阻力造成的局部损失单位重量流体的沿程损失称为沿程水头损失，以表示，单位体积流体的沿程损失，又称为沿程压强损失，以表示。在管道流动中的沿程损失可用下式

3、求得(4-1)达西公式(4-1a)式中:—沿程阻力系数，它与雷诺数和管壁粗糙度有关，雷诺数是一个无量纲的系数，将在本章后面进行讨论；—管道长度，m；—管道内径，m；—管道中有效截面上的平均流速，m/s。二、局部阻力与局部损失在管道系统中通常装有阀门、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，流体质点与质点及与固体壁面之间发生碰撞、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。单位重量流体的局部损失称为局部水头损失，以表示，单位体积流体的局部损失，又称为局部压强损失，以表

4、示。在管道流动中局部损失可用下式求得(4-2)(4-2a)式中—局部阻力系数。局部阻力系数是一个无量纲的系数，理论上很难确定，往往是根据不同的局部装置由实验确定。在本章后面进行讨论。三、总阻力与总能量损失在工程实际中，绝大多数管道系统是由许多等直管段和一些管道附件（如弯头、三通、阀门等）连接在一起所组成的，所以在一个管道系统中，既有沿程损失又有局部损失。我们把沿程阻力和局部阻力二者之和称为总阻力，沿程损失和局部损失二者之和称为总能量损失。总能量损失应等于各段沿程损失和局部损失的总和，即(4-3)(4-3a)上述公式称为能量损失的叠加原理。四、沿程水头损失与粘性切应力的关系1122

5、LαOOZ1Z2列流动方向的平衡方程式：FP1=Ap1τ0τ0G=ρgALFP2=Ap2湿周整理得：根据伯努利方程：水力半径R——过水断面面积与湿周之比，即R=A/χ量纲分析圆管中沿程阻力系数其中：以均匀流为例为什么？，且§4.2实际液体运动的两种形态－流态如图所示的实验装置，主要由恒水位水箱A和玻璃管B等组成。玻璃管入口部分用光滑喇叭口连接，管中的流量用阀门C调节。一、沿程水头损失和平均流速的关系在所实验的管段上，因为水平直管路中流体作恒定流时，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强水头差，即改变流量，将与对应关系绘于双对数坐标纸上，得到，当速度由小变大时，实验

6、点沿ACC′变动（红线所示），当速度由大变小时；实验点沿C′CA变动（蓝线和红线）。为什么？式中—直线的截距；—直线的斜率，且(为直线与水平线的交角）。大量实验证明：即沿程水头损失与平均流速成正比。2、紊流时：即沿程水头损失与平均流速的m=1.75—2次方成正比。结果表明：无论是层流状态还是紊流状态，实验点都分别集中在不同斜率的直线上，方程式为1、层流时：二、两种流态雷诺试验——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

7、。层流与紊流的判别：雷诺数下临界雷诺数若ReRek，水流为紊流，(a)(b)(c)雷诺实验装置图上临界雷诺数实际判断管流流态临界雷诺数取下临界雷诺数即雷诺数可理解为水流惯性力和粘滞力之比惯性力：ma，粘滞力量纲为量纲为粘滞力：雷诺数的物理意义，量纲为管流层流底层和紊流核心【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（