最新[工学]第四章 液流型态、水流阻力和水头损失教学讲义PPT.ppt

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1、[工学]第四章液流型态、水流阻力和水头损失主要内容：水流阻力和水头损失分类液体运动的两种流态圆管中的层流运动及其沿程水头损失的计算紊流特征、圆管中的紊流圆管有压管流的沿程阻力系数的变化规律绕流阻力及升力局部水头损失均匀流基本方程及其沿程损失的计算粘滞性相对运动物理性质——固体边界——产生水流阻力损耗机械能hw4.1水流阻力及水头损失分类问题：实际液体和理想液体有什么区别？产生水流阻力及水头损失的原因：水头损失：单位重量的液体自某一过水断面流到另一过水断面所损失的机械能。水头损失的分类沿程水头损失hf某一流段的总水头损失：各分段的沿程水头损失的总和各种局部水头损失的总

2、和局部水头损失hj在均匀流和渐变流段，因为沿程损失，导致液体的总机械能逐渐下降，因此总水头线为斜直线。在急变流处，因为局部损失，导致液体的总机械能突然下降，因此总水头线有突变。4.2实际液体运动的两种型态（流态）（1）雷诺实验流速较小时：流速增大到一定程度后：流速继续增大到一定程度后：雷诺试验——揭示了水流运动具有两种流态。当流速较小时，各流层的液体质点是有条不紊地运动，互不掺混的，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漩涡，在流动过程中，互相混掺，这种型态的流动叫做紊流（湍流）。由层流转变为紊流时的流速称为上临界流速，用vc’表示。如果将紊流的

3、流速慢慢降低，则当流速减小到一定值时，流动变成层流。流态转变点的流速称为下临界流速，用vc表示。上临界流速和下临界流速一般是不同的，并且vc

4、）流态的判别根据流速是否达到临界流速来判别流动的形态虽然直观，却不方便。主要是因为对不同流动条件下的同种类型的流动，临界流速不同。比如，对不同直径的有压管流，大管的临界流速就比小管的小。若能找到一个判据，它代表了同一类型流动的层流和紊流的分界线，则能带来极大的方便。通过大量实验发现，这样一个判据是有可能找到的。比如，对于有压圆管流动，可以使用雷诺数作为判据。圆管直径平均流速液体运动粘性系数临界雷诺数：当液体流动的雷诺数小于临界雷诺数时，流动为层流。当液体流动的雷诺数大于临界雷诺数时，流动为紊流。则对有压管流，无论管的直径有多大，也不管管中液体是水还是空气，只要流动雷

5、诺数大于2000，则为紊流，若流动雷诺数小于2000，则为层流。（2）流态的判别雷诺数表针运动流体质点所受的惯性力和粘性力的比值。对同类型的流动，临界雷诺数是常数。管流的临界雷诺数为2000对圆管非满流，明渠流，河道等有自由液面的无压流，同样存在两种型态，也同样用临界雷诺数来进行流态判别。只不过对这类无压流，雷诺数定义为水力半径平均流速液体运动粘性系数临界雷诺数：湿周是指过水断面上固体边界与液体接触部分的周长。对一般无压流，有湿周过水断面面积思考：如果用水利半径定义有压管流的雷诺数，则有压管流的临界雷诺数是多少？答案：Rec=500例4-1有一圆形水管，其直径d为1

6、00mm，管中水流的平均流速v为1.0m/s，水温为100C，试判别管中水流的型态。解：当水温为100C时查得水的运动粘滞系数ν＝0.0131cm2/s，管中水流的雷诺数因此管中水流为紊流。4.3均匀流基本方程、沿程水头损失的计算1122LαOOZ1Z2作用在侧壁上的摩擦力为整理得：改写为：水力半径——过水断面面积与湿周之比，即dA/χ’下面以有压均匀管流为例推导均匀流基本方程在总流中沿管轴线取一圆形过水断面的微小流束进行受力分析沿流动方向列平衡方程式：因为：即为元流均匀流基本方程（1）均匀流基本方程J为水力坡度对总流，采用相同的步骤，可得总流均匀流的基本方程τ0为

7、壁面的切应力，R为总流的水力半径对圆管流，有可得如果在总流中取一半径为r的圆截面流管，则可推导出该流管侧壁上的切应力为可知，圆管均匀流过水断面上的切应力呈线性分布，中心处切应力为0，壁面上切应力最大。实验研究发现，壁面切应力τ0与流速v，水力半径R，液体密度ρ，液体的动力粘度μ，以及壁面粗糙度等因素有关。在工程实际中，经常采用经验公式来计算水头损失。达西公式λ称为沿程阻力系数。运用达西公式计算不同流动情况下的水头损失时，关键就是如何确定λ。对有压圆管流动，水力半径为d/4，则有（2）均匀流沿程水头损失的计算公式达西公式是计算沿程水头损失的通用公式，适用于任何流动