流动形态、水头损失

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1、流体力学Hydromechanics1第四章流动形态、水头损失水头损失产生的内因是液体的粘滞性；外因是固体边界壁的影响，使得液流流速发生改变。第一节流动阻力、水头损失一、水头损失产生原因1、沿程阻力在固体边界壁的形状、尺寸沿程不变情况下，水流在运动过程中，由于液体质点间相互摩擦、碰撞产生的阻力。2固体边界壁的形状或尺寸沿程急剧变化，导致水流在运动过程中脱离边界壁或形成漩涡，使得液体质点间相互摩擦、碰撞产生的阻力。由于沿程阻力产生的水头损失。其特点是在较大范围内存在，并与流程长成正比。均匀流、渐变流情况下的水头损失主要是沿程水头损失。2、

2、局部阻力二、两类水头损失1、沿程水头损失3由于局部阻力产生的水头损失。工程计算上，认为和单独发生、互不影响，二者可以叠加。即其特点是仅在较小范围内存在。急变流情况下的水头损失主要是局部水头损失。2、局部水头损失三、水头损失叠加原理4第二节实际液体流动的两种流态1883年，雷诺（英国）设计了一个实验装置，揭示了实际液体运动的两种不同形态—层流、紊流。一、雷诺试验流动型态不同时，水头损失的规律也不同。5流速较小时，水流为层流：各流层的液体质点在流动过程中互不混掺。流速较大时，水流为紊流：液体质点在流动过程中相互混杂。雷诺试验装置6层流区紊流

3、区过渡区bdace7液流型态转变的流速。包括上临界流速：由层流转化为紊流的流速。c点。下临界流速：由紊流转化为层流的流速。b点。层流区紊流区过渡区bdace1、临界流速82、沿程水头损失规律与水流型态有关：层流时，或紊流时，或层流时沿程水头损失与流速的一次方成正比。紊流时沿程水头损失与流速的1.75至2次方成正比。9通过染色液体用目测方法判别层流和紊流不实际。水流的上临界流速与下临界流速都与管径、液体种类、温度等有关。二、层流、紊流的判别而与临界流速相应的临界雷诺数相对稳定。雷诺数下临界雷诺数上临界雷诺数10雷诺提出用下临界雷诺数判别层

4、流和紊流：水流的雷诺数大于下临界雷诺数时，为紊流，反之为层流。有压圆管，下临界雷诺数约为2320，常取为2000。明渠、天然河道，下临界雷诺数约为500。11有压圆管临界雷诺数为2000，故管内流动为紊流。例：判断管道流动的形态。管径d=2cm，断面平均流速V=1m/s，水温150c。解：对有压圆管，根据水温查水粘滞系数（注意各量单位）12雷诺数为水流的惯性力与粘滞力之比。惯性作用使紊动加剧，而粘性作用使紊动减弱。雷诺数表征的就是这两种作用的对比。因此，雷诺数小时，意味着粘性作用大；雷诺数大时，意味着惯性作用大。三、雷诺数物理意义13习

5、题，P156选择题：4-1，4-2，4-3，4-12，4-15习题：4-1，4-214第三节均匀流沿程水头损失与切应力的关系一、沿程水头损失与边壁切应力的关系15沿流程方向，列写恒定均匀流段受力平衡方程其中，圆管均匀流基本方程16可见，圆管均匀流的切应力按直线分布。二、圆管均匀流切应力分布规律17通过实验研究及量纲分析，可得出计算式为上式称为魏斯巴赫-达西公式，是计算圆管沿程水头损失的通用公式。又三、沿程水头损失的计算公式18第四节圆管中的层流运动分布式为：依据及可得圆管均匀流的流速上式表明，圆管均匀层流的流速分布呈抛物线。一、圆管均匀

6、层流的流速分布19断面平均流速对积分，得二、圆管均匀层流的流量与断面平均流速20上式表明：圆管均匀层流的沿程水头损失与断面流速的一次方成正比。由可得到圆管层流的沿程水头损失三、圆管均匀层流的沿程水头损失21公式表明：圆管层流的沿程阻力系数只与雷诺数有关。为圆管层流的沿程阻力系数计算公式。22第五节紊流运动的基本概念恒定流的紊流中，任一固定空间点，在不同时刻，其运动要素（流速、压强等）随时间随机波动。一、紊流的特征1、脉动（紊动）23恒定流的空间点的瞬时流速随时间变化，但在一个适当的时间内，其时间平均流速却是恒定的，即则（脉动流速）2、时

7、均流速24恒定流中，任意空间点的各运动要素都不随时间变化，是说任意空间点各运动要素的时间平均值不随时间变化。在水力学中，通常关心的是运动要素的时均效应，因此，对紊流的研究广泛采用运动要素的时均值。同样地，恒定流中，对紊流的瞬时压强，有25粘性底层厚度：紊流中，在贴近固体边界壁的地方有一层极薄的层流层存在，称为粘性底层，其厚度为。绝对粗糙度过渡层粘性底层紊流流核二、紊流中的粘性底层从粘性底层到紊流（紊流核心）之间的是过渡层。261、水力光滑区（）边壁粗糙表面凸出的高度完全淹没在粘性底层中，边壁粗糙度对紊流的沿程阻力系数不产生影响。相应的固

8、体壁面称为水力光滑面。2、水力粗糙区（）边壁粗糙度对紊流的沿程阻力系数有影响。相应的固体壁面称为水力粗糙面。根据粘性底层厚度与绝对粗糙度相对大小，将紊流分为三种流区：三、紊流中的流区及其判别27在水力粗糙区