液流形态与水头损失(土木)

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1、第五章流动阻力与水头损失水力学与河流动力学教研室内容回顾能量方程：动量方程：液体运动的三大方程连续性方程：1.水头损失产生原因及分类2.液流型态(流态判别与特性)3.沿程水头损失的变化规律及确定4.局部水头损失的确定本章主要内容：三个实验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液体运动的两种型态3．5圆管中的层流运动及其沿程水头损失的计算3.6紊流的特征3．7沿程阻力系数的变化规律3．8计算沿程水头损失的经验公式--谢齐公式3．9局部水头损失能量损失的概念及产生的原因5.1流动阻力和水头损失

2、的分类1.概念流动过程中单位重量液体克服阻力作功所消耗的机械能边界面无滞水作用固体壁面无滑动条件液流产生能量损失的根源是粘滞性产生能量损失的条件是相对运动产生能量损失的方式是液体与边壁之间、液层与液层之间或液体质点之间之间的摩擦、碰撞和混掺2、能量损失产生的原因、条件和方式产生水头损失必须具备的两个条件(1)液体具有粘滞性；---内因(2)由于固体边界的影响，液流内部质点之间产生相对运动。所以5.1.1液流阻力和水头损失的分类液流阻力是水流与边界的相互作用在作用力方面的反映水头损失是水流与边界的相互作用在克服阻力作功上的体现根据形成液流阻力和水头损失的外部固体边界

3、的情况不同，水流阻力可分为沿程水流阻力和局部水流阻力。相应地，把总水头损失分为沿程水头损失和局部水头损失1、沿程阻力和沿程水头损失沿程阻力在平顺边界的约束下，沿流程分布的水流内摩擦力。沿程水头损失水流从某一断面流至另一断面，由于克服沿程阻力做功而引起的水头损失特点：液流内部阻力的构成和性质沿流程是不变的在固体边界的形状和尺寸沿程不变时，液流在长直段中的水头损失在产生沿程水头损失的流段中，流向彼此平行，主流不脱离边壁，也无漩涡发生。均匀流------只有沿程损失渐变流------一般只考虑沿程损失2、局部阻力和局部水头损失局部阻力局部水头损失液流因固体边界突然改变产

4、生的液流阻力特点：作用范围小，水流结构急剧改变，大小漩涡在剧烈碰撞、分裂、摩擦、混掺，使局部液流阻力远大于该区域的沿程阻力液流克服局部阻力做功，在局部范围内所引起的水头损失局部水头损失（a）一般发生在边界突变处（b）大小与流速和边界突变形式有关突然扩大闸阀三通汇流突然缩小管道弯头管道进口边界的形状和尺寸是否沿程变化主流是否脱离固体边壁或形成旋涡局部水头损失沿程水头损失注意:沿程水头损失与局部水头损失的外因不同，但本质是一致的。3.总水头损失某一流段沿程水头损失与局部水头损失的总和5.1.2过流断面的水力要素及其对水头损失的影响一、湿周过水断面与固体边界接触的周界线

5、的长度水流横断面的形状和尺寸对水流阻力和水头损失的大小有直接影响，通常用过水断面的水力要素来反映湿周越大，水流阻力和相应的水头损失也越大二、过水断面面积主要反映过水断面的几何特征对过流能力的影响面积相同，形状不同的过水断面具有不同的湿周也是重要的水力要素横向边界特征——水力半径三、水力半径单位：m或cm应用广泛的重要的水力要素R----几何半径相等吗?全面反映了水流横断面几何特征对过流能力和水流阻力的综合影响有压圆管：R=d/4宽浅（B/H>10)河渠：RH5.1.3均匀流沿程损失与切应力的关系一、均匀流能量损失的特点均匀流流速水头沿程不变，故可从能量方程中约去

6、受力分析受力平衡二、均匀流的水流切应力均匀流基本方程三、均匀流切应力分布任意大小流束的水力半径总流的水力半径水力坡度适用于总流边界也适用于任意大小的流束例如,半径为r的流束,同样的推导过程流束边界单位面积上的切应力有压管流过水断面上切应力是按直线分布圆管中心的切应力为零沿半径方向逐渐增大，管壁处为τ0圆管或y为任意点距管壁的距离二元明渠恒定均匀流任意点y处的切应力切应力是随y呈线性变化在渠底处最大在水面处最小5.1.4沿程水头损失的普遍公式达西公式因次分析方法得到达西-魏斯巴赫公式对于有压圆管§5.2液体运动的两种流态实际液体的流动会呈现出两种不同的形态：层流和紊

7、流,它们的区别在于：流动过程中液体层之间是否发生混掺现象。在紊流流动中存在随机变化的脉动量，而在层流流动中则没有。5.2.1雷诺实验层流：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。层流:质点不混掺紊流：液体质点在沿管轴方向运动过程中互相混掺。试验结论：（1）同一液体在同一管道中流动，当流速不同时，有两种不同的运动形态---层流和紊流（2）不同的流动形态，沿程水头损失的规律不同（3）任何实际液体的流动，都有层流和紊流两种不同的流动形态5.2.2沿程水头损失与流速的关系：上临界流速：下临界流速5.2.3液流型态的判别雷诺数：层流：Re

8、ek紊流：