液流形态水头损失hxl

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1、水力学Hydraulics第三章液流型态及水头损失主要内容水头损失的物理概念及分类液流边界几何条件对水头损失的影响均匀流沿程水头损失与切应力的关系液体运动的两种型态圆管中层流运动及其沿程水头损失计算紊流的特征沿程阻力系数的变化规律谢才公式局部水头损失§3.1水头损失的物理概念及分类连续方程能量方程动量方程水头损失1、水流阻力：液体与固体之间、液体内部有相对运动的各液层之间存在的摩擦阻力的合力，水流阻力必然与水流的运动方向相反。2、水头损失：水流在运动过程中克服水流阻力而消耗的能量称为水头损失。其中边界是外因，粘滞性是内因。水流阻力与水头损失根

2、据边界条件的不同，水头损失分为两类：水头损失的分类水头损失hw沿程水头损失hf局部水头损失hj沿程水头损失理想液体流线实际液体流线流速分布流速分布当固体边界的形状和尺寸沿程不变(或缓慢变化）时，液流在长直流段中的水头损失称为沿程水头损失，用hf表示。（与长度成正比）一般，在均匀流和渐变流情况下产生的水头损失只有沿程水头损失。局部水头损失当固体边界的形状、尺寸或两者之一沿流程急剧变化时所产生的水头损失称为局部水头损失，用hj表示。产生水头损失的条件1、液体具有粘滞性（决定作用）2、由于固体边界的影响，液流内部质点之间产生相对运动总水头损失某一流

3、段的总水头损失：各种局部水头损失的总和各分段的沿程水头损失的总和§3.2液流边界几何条件对水头损失的影响1、液流边界横向轮廓的形状和大小对水头损失的影响过水断面的水力要素：过水断面的面积A：面积相同，形状不同？湿周：湿周相等，形状不同？水力半径R液流过水断面与固体边界接触的周界线例题11、直径为d的圆管，当充满液流时，求其水力半径？例题21、一矩形明渠，底宽为b，水深为h，求其水力半径？2、液流边界纵向轮廓水头损失的影响边界纵向轮廓不同均匀流非均匀流1）根据均匀流定义，沿水流长度方向上各过水断面的水力要素及断面平均流速不变，所以均匀流只有沿程

4、水头损失，且单位长度上的沿程水头损失也相等，总水头线为一直线。又因各过水断面平均流速相等，所以各过水断面上的流速水头也相等，均匀流总水头线和测压管水头线相互平行。2）非均匀流沿水流长度方向上各过水断面的形状及大小是不相等的，各过水断面上的流速也是不相等的，所以非均匀流单位长度上的水头损失也不相等，总水头线和测压管水头线是相不平行的曲线。均匀流无局部水头损失，非均匀渐变流时局部水头损失可忽略不计，非均匀急变流时两种水头损失均有。§3.3均匀流沿程水头损失与切应力的关系1122LαOOZ1Z2FP1=Ap1τ0τ0G=ρgALFP2=Ap2取一段

5、均匀总流分析：长度L，过水断面面积A，与水平面成α角。p1和p2是两断面的形心压强，z1和z2是两断面形心距基准面的高度。1122LαOOZ1Z2FP1=Ap1τ0τ0G=ρgALFP2=Ap2受力有：动水压力，及重力分力摩擦阻力总流边界上的平均切应力沿流动方向力的平衡1122LαOOZ1Z2FP1=Ap1τ0τ0G=ρgALFP2=Ap2能量方程均匀总流的水力坡度均匀流沿程水头损失与切应力的关系对均匀流中任一流束对管道对宽浅明渠圆管均匀流过水断面上切应力按直线分布，圆管中心的切应力为0，沿半径方向逐渐增大，到管壁处为宽浅的明渠均匀流过水断面

6、上切应力按直线分布，水面上的切应力为0，离渠底为y处的切应力为，至渠底为由量纲分析可得：，对管道：Darcy公式沿程阻力系数雷诺数§3.4液体运动的两种型态层流紊流液体运动的两种型态雷诺试验1885年雷诺（Reynolds）如图所示的实验装置，主要由恒水位水箱和玻璃管等组成。管中的流量用阀门K1调节。阀门K2用来开启有颜色水。hf雷诺试验颜色水颜色水颜色水颜色水K1K2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。当流速较大时，各流层的液体质点形成涡体，在流动过

7、程中，互相混掺，这种型态的流动叫做紊流。雷诺试验（续）在玻璃管的两个断面1－1和2－2上各安一根测压管，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力水头差，即雷诺试验（续）两根测压管中的水柱差即为断面1－1和2－2之间的水头损失雷诺试验（续）改变流量，将v与hf对应关系绘于双对数坐标纸上，得lgv-lghf关系曲线。相应于液体运动型态转变时的流速叫做临界流速。上临界流速:由层流转化成紊流时的管中平均流速。下临界流速:由紊流转化成层流时的管中平均流速。对于线段AC及ED都是直线，可用下列方程式表示：雷诺试验（续）—直线的截距；—直线的

8、斜率，且(为直线与水平线的交角）沿程水头损失与平均流速成正比。紊流时：沿程水头损失与平均流速的1.75—2次方成正比。层流时：液流型态的判别雷诺数或若Re