水力学论文--水力学水头损失的理论探讨

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1、水力学水头损失的理论探讨姓名：杨云词学号：2011240013摘要：本文结合一系列真空管道输水工程，对“真空高速流”的流态进行了观测，讨论了其中遇到的主要水力学问题。指出空气阻力在现实工程中对于入管水流的均匀性、平稳性和水头损失等水力问题都有着明显的作用和影响。阐述了液流粘滞性根源理论存在的误区以及“真空流”出现后如何以全新眼光看待液体能量损失问题。关键词：真空高速流水头损失水力学气阻重力流配水工程⒈前言1.1水力学是研究以水为代表的液体的宏观机械运动规律，及其在工程技术中的应用。水力学包括水静力学和水动力学。1.2水静力学研究液体静止或相对静止状态下的力

2、学规律及其应用，探讨液体内部压强分布，液体对固体接触面的压力，液体对浮体和潜体的浮力及浮体的稳定性，以解决蓄水容器，输水管渠，挡水构筑物，沉浮于水中的构筑物，如水池、水箱、水管、闸门。堤坝、船舶等的静力荷载计算问题。1.3随着经济建设的发展，水力学学科衍生了一些新的分支，以处理特定条件下的水力学问题，如以解决河流泥沙运动所导致的河床演变问题的动床水力学，以解决风浪对防护构筑物的动力作用和对近岸底砂的冲淤作用等问题的波浪理论等。1.4水力学作为学科而诞生始于水静力学。公元前400余年，中国墨翟在《墨经》中，已有了浮力与排液体积之间关系的设想。公元前250年，

3、阿基米德在《论浮体》中，阐明了浮体和潜体的有效重力计算方法。1586年德国数学家斯蒂文提出水静力学方程。十七世纪中叶，法国帕斯卡提出液压等值传递的帕斯卡原理。至此水静力学已初具雏形。水力学研究经历了漫长历程。早期的古典流体力学，在数学分析上系统、严谨，但计算结果与实验不尽符合。随着生产发展的需要，一些工程师和实际工作者，凭借实地观测和室内实验，得出经验公式，或在理论公式中引入经验系数以解决实际工程问题。前者偏理论重数学，后者偏经验重实用，但两者之间存在着一个难以磨合的能量损失问题，它的根源在哪里，它的数量有多大，成为基础水力学理论研究中的重要内容。为了解决

4、理想概念给实际流体求解带来的困难，科学家们作出许多努力，将研究的重点转移到液体粘性上，创立了边界层理论、紊流理论等，并在理想流体方程中添加粘性项使之适用于实际流体。液体的粘滞性概念应运而生，成为产生能量损失的最大根源。它的影响力在水力学研究中是相当深远的，几乎所有的流体工程，无论是设计施工还是运行监测，都离不开对水头损失进行衡量与估算。然而研究古典流体力学的数学、力学家们没有想到，在21世纪的今天，他们所论证的偏重于数学理论的理想流态模型可以在真空中存在，并且这种接近理想的流态同样可以广泛应用于各类大型的实际工程当中，它的水头损失大大降低了，“液体的粘滞性

5、”几乎不存在了！这是一个惊人的发现！笔者称这种新的流体输送形式为“真空高速流”，简称为“真空流”。对于“真空流”这种特殊流体，国内外尚欠缺这方面研究文献，本文就是针对这一流体，介绍其形成概况、工程效益以及对水力学理论的影响冲击，深入探究水头损失产生的根源。1.5水动力学的数理分析首先是根据问题的客观条件和生产任务或理论要求，对所研究的液体建立力学模型，提出假设，使分析简化。最常用的力学模型有连续介质模型，将由分子组成、分子之间有空隙的的非连续液体看作分子紧密相依没有空隙的连续介质；不可压缩流体模型，将受压收缩、受热膨胀、有弹性的液体，看作无弹性密度不变的不

6、可压缩流体；无粘性流体模型，将流动时因粘性作用产生内摩擦力的液体，看作粘性不起作用，无内摩擦力的流体；理想液体模型，不可压缩无粘性的液体。力学模型确定后，以相适应的运动学和动力学基本方程式为工具，结合起始条件和边界条件，进行各种流动的质量平衡、动量平衡和能量平衡分析，求出所需要的各种变量。　　对原型流动进行系统的观察和测定，从原始数据中寻求流动规律，是水力学研究的最可靠的方法。如果实际上不可能，或需要费用太大，则可在实验室根据力学相似原理，找出影响流动的主要作用力，选用相应的模型律，以缩小的比例尺在模型上近似地重现和原型成一定比例的流动，根据模型流动的测定

7、，估算原型流动的状态和各种参数，是数理分析和实验分析的重要补充，它是以白金汉提出的，定理为依据，使有因次方程无因次化。　　由于水力学的基本量是长度、时间和质量，独立因次的数目为三，则用无因次方程代替有因次方程可以使变量减少三个。这在实验分析中，可大量地减少实验次数加速实验进程；在理论分析中，可以更合理地提出变量关系式。　　数值模拟是计算机问世以来所采用的研究方法，也是数理分析的一种补充。当研究对象过于复杂、控制方程非线性、边界条件不规则，利用现有的数学力学方法难以得出解析解时，可以建立数值模型，编制程序，通过计算机运算得出数字结果或图线。和实验研究相比，数

8、值模拟在边界条件和流体物理性质上有更大的灵活性和控制范围。对于必须