液流形态与水头损失2

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1、3液流型态与水头损失3液流形态与水头损失前一章讨论了理想液体和实际液体的能量方程，方程中有一项为水头损失。本章首先对理想液体和实际液体，在不同边界条件下的液流特征进行剖析，认清水头损失的本质。在此基础上，重点介绍水头损失变化规律及其计算方法。3.8计算沿程水头损失的经验公式——谢齐公式3液流形态与水头损失3.1水头损失的物理概念及其分类3.2液流边界几何条件对水头损失的影响3.3均匀流沿程水头损失与切应力的关系3.4液体运动的两种流态3.5圆管中的层流运动及其沿程水头损失的计算3.6湍流特征3.9局部水头损失3.7沿程阻力系数

2、的变化规律3.8计算沿程水头损失的经验公式——谢齐公式3液流形态与水头损失3.1水头损失的物理概念及其分类3.2液流边界几何条件对水头损失的影响3.3均匀流沿程水头损失与切应力的关系3.4液体运动的两种流态3.5圆管中的层流运动及其沿程水头损失的计算3.6紊流特征3.9局部水头损失3.7沿程阻力系数的变化规律3.1水头损失的物理概念及其分类理想液体的运动是没有能量损失的，而实际液体流动为什么会产生水头损失?理想液体相邻液层间运动时没有相对运动，流速均匀分布，无流速梯度和粘性切应力，因而不存在能量损失。理想液体流线流速分布实际液

3、体流线流速分布实际液体具有粘性，过水断面上流速分布不均匀，相邻液层间有相对运动，也就存在内摩擦力。液体要运动，就要克服摩擦阻力（水流阻力）做功，消耗一部分液流机械能，转化为热能而散失。在水力学中：用单位重量液体所损失的能量hw表示水流的能量损失。水头损失3.1水头损失的物理概念及其分类水头损失：单位重量的液体自一断面流至另一断面所损失的机械能，hw。水头损失的分类沿程水头损失hf局部水头损失hj（依据边界条件以及作用范围）沿程水头损失hf在平直的固体边界水道中，单位重量的液体从一个断面流至另一个断面的机械能损失。这种水头损失随

4、沿程长度增加而增加，称沿程水头损失。hf是发生在整个流程中的水头损失，是由流体的粘滞力造成的损失。理想液体流线实际液体流线流速分布流速分布局部水头损失hj用圆柱体绕流说明局部水头损失hj。分析通过圆心的一条流线（图中红线）通过圆心的红线是一条流线液体质点流向圆柱体时，流线间距逐渐增大，流速逐渐降低，由能量方程可知，压强必然逐渐增加。存在驻点当液体质点流至A点，流速降为零，动能转化为压能，使其增加到最大。A点称驻点。A驻点A液体质点到达驻点，停滞不前，以后继续流来的质点就要改变原有流动方向，沿圆柱体两侧继续流动。AC理想液体分析

5、沿柱面两侧边壁附近的流动液体质点运动A－C动能增加（液体挤压）压能减少压能的减少部分转化为动能ACBC液体质点运动C—B动能减少（液体扩散）压能增加减少的动能完全转化为压能。ACBC液体质点运动C—B动能减少（液体扩散）压能增加减少的动能完全补充为压能。液体质点运动A－C动能增加（液体挤压）压能减少减少的压能补充为动能ACBC液体质点运动C－B动能减少（液体扩散）压能增加减少的动能完全补充为压能。液体质点运动A－C动能增加（液体挤压）压能减少减少的压能补充为动能由于液体绕流运动无能量损失。因此，液体从A－B时，A和B点的流速和

6、压强相同，其他流线情况类似。实际液体绕圆柱流动ACBC液体质点运动A－C动能增加压能减少减少的压能转化为动能能量损失还要消耗动能ACBC液体质点运动C－B动能减少压能增加减少的动能转化为压能能量损失还要消耗动能ACBC形成分离点：D近壁液体从C-B运动时，液体动能一部分用于克服摩擦阻力，另一部分用于转化为压能，越用越少，以至于没有足够动能完全恢复为压能（理想液体全部恢复），在柱面B以上的某一位置D，流速降低为零，不再继续下行。ACBC形成分离点：DD点以后的液体就要改变流向，沿另一条流线运动，使主流脱离圆柱面，形成分离点。AC

7、BCD沿圆柱面，分离点下游压强大于分离处压强，在压差作用下，圆柱下游液体立即填补主流所空出的区域，形成了漩涡。漩涡随流带走，经过一段时间后，逐渐消失。分离点后形成漩涡区漩涡区ACBCD沿圆柱面，分离点下游压强大于分离处压强，在压差作用下，圆柱下游液体立即填补主流所空出的区域，形成了漩涡。漩涡随流带走，经过一段时间后，逐渐消失。分离点后形成漩涡区漩涡区ACBCD漩涡区漩涡体形成、运转和分裂漩涡区中产生了较大的能量损失ACBCD流速分布急剧变化漩涡区中产生了较大的能量损失ACBCD漩涡区中产生了较大的能量损失漩涡的形成、运转和分裂

8、；流速分布急剧变化，都使液体产生较大的能量损失。这种能量损失产生在局部范围之内，叫局部水头损失hj。当液体运动时，由于局部边界形状和大小的改变、局部障碍，液体产生漩涡，使得液体在局部范围内产生了较大的能量损失，这种能量损失称作局部水头损失，hj。局部水头损失管道突然缩小漩涡区