第四章水头损失(环境)课件

1、第四章第四章 水头损失水头损失 1.理解水流阻力和水头损失产生的原因及分类，理解水流阻力和水头损失产生的原因及分类，掌握水力半径的概念。掌握水力半径的概念。2.理解雷诺实验现象和液体流动两种流态的特理解雷诺实验现象和液体流动两种流态的特点，掌握层流与紊流的判别方法及雷诺数点，掌握层流与紊流的判别方法及雷诺数Re的的物理含义，弄清楚判别明渠水流和管流临界雷物理含义，弄清楚判别明渠水流和管流临界雷诺数不同的原因。诺数不同的原因。【教学基本要求】【教学基本要求】一、一、 产生水头损失的原因及其分类产生水头损失的原因及其分类2 第一节第一节 流动阻力和水头损失的形式流动阻力和水头损失的形式（一）产生水

2、头损失的原因（一）产生水头损失的原因1.水头损失的内因：粘滞性水头损失的内因：粘滞性2.水头损失的外因：边界对液流的约束水头损失的外因：边界对液流的约束（二）水流运动的阻力的分类（二）水流运动的阻力的分类1.内摩擦阻力内摩擦阻力2.附加阻力附加阻力（三）水头损失的类型（三）水头损失的类型 水头损失：水头损失：单位重量的液体自一断面流到另一断面所损失单位重量的液体自一断面流到另一断面所损失的机械能。的机械能。 分类：分类： 沿程水头损失沿程水头损失：液流做均匀流，在液流内部与固壁之间产生的：液流做均匀流，在液流内部与固壁之间产生的沿程不变的切应力，称为沿程阻力。由沿程阻力做功而引起的沿程不变的切

3、应力，称为沿程阻力。由沿程阻力做功而引起的水头损失称为沿程水头损失。水头损失称为沿程水头损失。(2)局部水头损失：局部水头损失：当固体壁沿流程急剧改变，使液流内部流速当固体壁沿流程急剧改变，使液流内部流速重新分布，质点间进行剧烈动量交换而产生的阻力。由局部阻重新分布，质点间进行剧烈动量交换而产生的阻力。由局部阻力做功引起的水头损失称为局部水头损失。力做功引起的水头损失称为局部水头损失。5 常见的发生局部水头损失区域常见的发生局部水头损失区域 只要局部地区边界的形状或大小改变，或有局部只要局部地区边界的形状或大小改变，或有局部障碍，液流内部结构就要急剧调整，流速分布进行改障碍，液流内部结构就要急

4、剧调整，流速分布进行改组，流线发生弯曲并产生旋涡，在这些局部地区就有组，流线发生弯曲并产生旋涡，在这些局部地区就有局部水头损失。局部水头损失。6 7 第二节第二节 层流与紊流两种型态层流与紊流两种型态 一、雷诺试验一、雷诺试验 实际流体的流动会呈现出两种实际流体的流动会呈现出两种不同的型态：不同的型态：层流和紊流层流和紊流，它们的，它们的区别在于：流动过程中流体层之区别在于：流动过程中流体层之间是否发生混掺现象。在紊流流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，而动中存在随机变化的脉动量，而在层流流动中则没有。在层流流动中则没有。紊流紊流层流层流过过渡渡区区m=1m=1.75-2.

5、0fhlgvlglglglgmkhfmfkh01450245 据雷诺实验数据，以据雷诺实验数据，以lghf为为纵轴，以纵轴，以lgv为横轴，将实验数据为横轴，将实验数据绘出，线段绘出，线段AB及及ED都是直线，都是直线，可用下式描述可用下式描述 即即(1)层流时适用层流时适用AB段，此时段，此时即即m=1。 (2)紊流时适用紊流时适用DE段，此时段，此时,m=1.752。雷诺试验表明：圆管中雷诺试验表明：圆管中恒恒定流动的流态转化取决于雷诺数定流动的流态转化取决于雷诺数vdvdRe d是圆管直径，是圆管直径，v是断面平均流速，是断面平均流速，是流体的运动粘性系数。是流体的运动粘性系数。 实际流

6、体的流动之所以会呈现出两种不同的型态是扰动因素实际流体的流动之所以会呈现出两种不同的型态是扰动因素与粘性稳定作用之间对比和抗衡的结果。针对圆管中恒定流动与粘性稳定作用之间对比和抗衡的结果。针对圆管中恒定流动的情况，容易理解：减小的情况，容易理解：减小d，减小，减小v，加大，加大三种途径都是有利三种途径都是有利于流动稳定的。综合起来看，小雷诺数流动趋于稳定，而大雷于流动稳定的。综合起来看，小雷诺数流动趋于稳定，而大雷诺数流动稳定性差，容易发生紊流现象。诺数流动稳定性差，容易发生紊流现象。 圆管中圆管中恒恒定流动的流态发生转化时对应的雷诺数称为临定流动的流态发生转化时对应的雷诺数称为临界雷诺数，又

7、分为上临界雷诺数和下临界雷诺数。上临界雷界雷诺数，又分为上临界雷诺数和下临界雷诺数。上临界雷诺数表示超过此雷诺数的流动必为紊流，它很不确定，跨越诺数表示超过此雷诺数的流动必为紊流，它很不确定，跨越一个较大的取值范围。有实际意义的是下临界雷诺数，表示一个较大的取值范围。有实际意义的是下临界雷诺数，表示低于此雷诺数的流动必为层流，有确定的取值，圆管定常流低于此雷诺数的流动必为层流，有确定的取值，圆管定常流动取为动取为 2320crRe2300eCReCR紊流紊流层流层流紊流紊流层流层流上临界雷诺数上临界雷诺数下临界雷诺数下临界雷诺数ReRe12000-4000012 二、层流、紊流的判别标准 雷诺

8、数： 临界雷诺数：液流型态开始转变时的雷诺数。 对圆管： vdvdRe2320kRe 对于其它类型的水体流动，雷诺数对于其它类型的水体流动，雷诺数 可通过过可通过过水断面的面积水断面的面积A及湿周及湿周来计算水力半径来计算水力半径R。 湿周湿周：液流过水断面与固体边界接触的周界线。：液流过水断面与固体边界接触的周界线。 水力半径：水力半径： vRRe AR 1.当输水管的流量一定时，随管径的加大，雷诺数当输水管的流量一定时，随管径的加大，雷诺数是增大还是减小？原因何在？是增大还是减小？原因何在？2.有一条输水管，水流速度有一条输水管，水流速度v=1m/s，水温，水温t=20,管管径径d=200

9、mm，试判断其水流型态。，试判断其水流型态。3.一条矩形断面渠道，底宽一条矩形断面渠道，底宽b=200cm,水深水深h=15cm,若水流流速若水流流速v=0.5m/s，水温为，水温为20，试判断其流动，试判断其流动型态。型态。思考思考三、雷诺数的物理意义三、雷诺数的物理意义 Lv tLLvLtvLTFLvLT :tvLFRe22323粘滞力惯性力则：其量纲粘滞力：其量纲：惯性力：dyduATdtduVmaFdv粘性稳定粘性稳定扰动因素扰动因素vdRe d v 利于稳定利于稳定对比抗衡16 四、紊流脉动四、紊流脉动（一）紊流的形成（一）紊流的形成 雷诺实验表明层流与紊流的主要区别在于紊流时各流层

10、之雷诺实验表明层流与紊流的主要区别在于紊流时各流层之间液体质点有不断地互相混掺作用，而层流则无互相混掺。间液体质点有不断地互相混掺作用，而层流则无互相混掺。 +-+-高速流层高速流层低速流层低速流层 涡体的形成涡体的形成是混掺作用产生是混掺作用产生的根源。的根源。 18 （二）紊流的特征（二）紊流的特征 紊流的基本特征是许许多多大小不等的涡体相紊流的基本特征是许许多多大小不等的涡体相互混掺前进，它们的位置、形态、流速都在时刻不互混掺前进，它们的位置、形态、流速都在时刻不断地变化。断地变化。 1.1.运动要素的脉动运动要素的脉动 对紊流中某一固定点进对紊流中某一固定点进行瞬时速度观测。其中行瞬时

11、速度观测。其中ux对对时间的关系曲线如图。时间的关系曲线如图。 试验研究结果表明：试验研究结果表明：瞬时流速虽有变化，但在瞬时流速虽有变化，但在足够长的时间过程中，它足够长的时间过程中，它的时间平均值是不变的。的时间平均值是不变的。时间平均流速可表示为时间平均流速可表示为19 TxxdxuTu01即恒定流时即恒定流时时间平均流速时间平均流速不随时间变化。不随时间变化。瞬时流速与时间平均流速之差为脉动流速瞬时流速与时间平均流速之差为脉动流速0111000 xxTTxxTxxuudtuTdtuTdtuTuxxxuuu脉动流速的时间平均脉动流速的时间平均其它运动要素如动水压强也可用同样方法来表示：其

12、它运动要素如动水压强也可用同样方法来表示：ppp20 （三）紊动的切应力（三）紊动的切应力 层流运动粘滞切应力：层流运动粘滞切应力： 紊动时均切应力紊动时均切应力 看作是由两部分所组成：第一看作是由两部分所组成：第一部分为由相邻两流层间时间平均流速相对运动所产生部分为由相邻两流层间时间平均流速相对运动所产生的粘滞切应力的粘滞切应力 ；第二部分为纯粹由脉动流速所产生；第二部分为纯粹由脉动流速所产生的附加切应力的附加切应力 。 故有故有1221dyudx1222dyudluuxyxdydu22dyduldyduxx 紊流运动时所有运动紊流运动时所有运动要素均采用时均值，省略要素均采用时均值，省略时

13、均符号，为时均符号，为21 第三节第三节 恒定均匀流沿程水头损失与切应力的关系恒定均匀流沿程水头损失与切应力的关系 均均 匀匀 流流22 非非均均 匀匀 流流 均匀流时无局部水头损失，非均匀渐变流时局部水均匀流时无局部水头损失，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都有头损失可忽略不计，非均匀急变流时两种水头损失都有。23 在管道或明渠均匀流中，任意取出一段总流来在管道或明渠均匀流中，任意取出一段总流来分析，作用在该总流段上有下列各力。分析，作用在该总流段上有下列各力。 一一、动水压力、动水压力 1-1断面 2-2断面 11ApP 22ApP 24 二二、重力、重力重

14、力重力: : 三三、摩擦阻力、摩擦阻力: : 因为均匀流没有加速度，所以因为均匀流没有加速度，所以 即即 AlG0lT 0sin21TGPP0sin021laAlApAplzz21sin02211)()(wlpzpz 因断面因断面1-1及及2-2的流速水头相等，则能量方程为的流速水头相等，则能量方程为gpzgpzhf221125 上式就是均匀流沿程水头上式就是均匀流沿程水头损失与切应力的关系式，损失与切应力的关系式，R为为水力半径。水力半径。RJ0gRlgwlhf00Jlhf（二）圆管层流的切应力（二）圆管层流的切应力ux 00rr例题例题4-1：直径：直径d=2.5cm的输水圆管，通过流量为

15、的输水圆管，通过流量为Q=0.25L/s，水温，水温T=10，试判别水流流态。如果流量、，试判别水流流态。如果流量、水温不变，管径增大为原来的水温不变，管径增大为原来的6倍，则雷诺数如何变化？倍，则雷诺数如何变化？此时水流流态处于何种流态？此时水流流态处于何种流态？例题例题4-2：某矩形断面水槽，底宽某矩形断面水槽，底宽b=0.2m，水深，水深h=0.1m，实测断面平均流速为，实测断面平均流速为0.1m/s，T=20，判断，判断槽内水流的流态，并求在水深不变时，保持紊流状态槽内水流的流态，并求在水深不变时，保持紊流状态的最小流速。的最小流速。一一 达西公式达西公式 gvRlhf242第四节第四

16、节 沿程水头损失沿程水头损失绝对粗糙度绝对粗糙度：固体壁粗糙突出的平均高度。：固体壁粗糙突出的平均高度。均匀流沿程水头损失的均匀流沿程水头损失的达西公式达西公式：为为沿程阻力系数沿程阻力系数，RRef,二二 尼古拉兹实验尼古拉兹实验层流层流层流区层流区过渡区过渡区粗糙区粗糙区过渡粗过渡粗糙区糙区光滑管光滑管)100lg(150r6.3060126507252eRlg尼库拉兹沿程阻力系数与雷诺数关系图尼库拉兹沿程阻力系数与雷诺数关系图 尼库拉兹为探讨紊流沿程阻力的计算公式，用不尼库拉兹为探讨紊流沿程阻力的计算公式，用不同粒径的人工砂粘贴在不同直径的管道的内壁上，用同粒径的人工砂粘贴在不同直径的管

17、道的内壁上，用不同的流速进行一系列试验。不同的流速进行一系列试验。层流层流层流区层流区过渡区过渡区光滑管光滑管尼古拉兹实验曲线尼古拉兹实验曲线尼库拉兹试验结果表明：尼库拉兹试验结果表明： 一）、当一）、当Re2300时，时，与与Re的关系为直线的关系为直线，与相，与相对光滑度无关。对光滑度无关。 二）、当二）、当2300Re4000时，为过渡区，时而紊流，时，为过渡区，时而紊流，时而层流。时而层流。30 三）、当三）、当Re4000时，时，决定于决定于0与与的关系：的关系： 1.当当Re较小时，较小时，0较厚，可以淹没较厚，可以淹没，管壁就是水，管壁就是水力光滑管。力光滑管。 =f(Re)，而

18、与，而与无关。图中直线无关。图中直线。 2.在直线在直线与直线与直线之间的区域为光滑管过渡到粗之间的区域为光滑管过渡到粗糙管的过渡区。糙管的过渡区。 3.直线直线以右的区域，以右的区域，与与 有关，而与有关，而与Re无关无关，属粗糙管区。，属粗糙管区。 r)(Rerf、1.1.圆管紊流过渡区的沿程摩阻系数：圆管紊流过渡区的沿程摩阻系数：（a a）与雷诺数）与雷诺数 有关；有关；（b b）与管壁相对粗糙）与管壁相对粗糙 有关；有关；（c c）与）与 及及 有关；有关；（d d）与）与 和和 管长有关。管长有关。2.2.圆管紊流粗糙区的沿程摩阻系数，随雷诺数的增圆管紊流粗糙区的沿程摩阻系数，随雷诺

19、数的增加：加：（a a）增加；（）增加；（b b）减小；）减小；（c c）不变；（）不变；（d d）不定。）不定。eRd/eRd/leR思考vdRe层流层流层流区层流区过渡区过渡区粗糙区粗糙区过渡粗过渡粗糙区糙区光滑管光滑管三三 工业管道实验工业管道实验RJ028vv0v引入摩阻流速：引入摩阻流速：四四 沿程阻力系数的计算公式沿程阻力系数的计算公式1.层流的流速分布及其沿程阻力系数层流的流速分布及其沿程阻力系数层流时层流时gRJv 则则沿程水头损失可表示为：沿程水头损失可表示为：dlgvhf24再由达西公式再由达西公式gvdlhf22可得：可得：34 圆管中层流运动圆筒层表面的切应力可按牛顿内

20、圆管中层流运动圆筒层表面的切应力可按牛顿内摩擦定律来计算：摩擦定律来计算： 圆筒层表面切应力圆筒层表面切应力: 将上面两式整理，积分为将上面两式整理，积分为当当r =r0时，时， 得流速分布公式得流速分布公式drdux2rJRJCrJux24204rJC)(4220rrJux2. 圆管层流圆管层流再由再由 ，得，得据此，断面平均流速为：据此，断面平均流速为：281220RvrJdAuAvAvvRevv828vv平均流速与摩阻流速之比为平均流速与摩阻流速之比为Re64思考思考 若有两根管道水流做层流运动，其直径若有两根管道水流做层流运动，其直径d，长度长度l，绝对粗糙度均相等，其中一根输油，绝对

21、粗糙度均相等，其中一根输油，一根输水，问：当两管中的流速相等时，其沿一根输水，问：当两管中的流速相等时，其沿程水头损失是否相等？当两管中的雷诺数相等程水头损失是否相等？当两管中的雷诺数相等时，沿程水头损失是否相等？时，沿程水头损失是否相等？37 3.紊流中的流速分布及其沿程阻力系数紊流中的流速分布及其沿程阻力系数 紊流中紧靠固体边界附近地方，脉动流速很小，紊流中紧靠固体边界附近地方，脉动流速很小，由脉动流速产生的附加切应力也很小，而流速梯度却由脉动流速产生的附加切应力也很小，而流速梯度却很大，所以粘滞切应力起主导作用，其流态基本属层很大，所以粘滞切应力起主导作用，其流态基本属层流。流。 1）粘

22、性底层）粘性底层38 yudydu020 v6 .11,*NvNl208vyrJrrrJrrrrJrrJux000002202)(2)(4)(4NyvvuRedl8 .32vdRe 粘性底层为层流，当粘性底层为层流，当rr0时，流速时，流速管壁附近切应力为管壁附近切应力为摩阻流速为摩阻流速为因此，有因此，有 实验资料表明，实验资料表明，N的临界值为的临界值为11.6，则粘性底层，则粘性底层厚度为厚度为再由再由得得2）紊流流核区）紊流流核区紊紊流流区区过渡区过渡区粘性底层粘性底层管轴管轴 y x注意：光滑面或粗糙面不完全取决于边界面本身注意：光滑面或粗糙面不完全取决于边界面本身的光滑或粗糙，而是

23、依据粘性底层厚度与绝对粗的光滑或粗糙，而是依据粘性底层厚度与绝对粗糙度两者的大小的对比来确定的。糙度两者的大小的对比来确定的。 紊流核区中同一固紊流核区中同一固体边界面的光滑、粗糙体边界面的光滑、粗糙与流速有无关系？与流速有无关系？41 尼库拉兹管道流速分布公式：尼库拉兹管道流速分布公式： (1) 光滑管光滑管 (2) 粗糙管粗糙管 drvv7 . 3lg2175. 4lg75. 510Re51. 2lg28 . 0)lg(Re2175. 1lg75. 510rvvv)51. 27 . 3lg(21Red柯列勃洛克柯列勃洛克- -怀特经验公式怀特经验公式 适用于工业管道紊流阻力系数的计算适用于

24、工业管道紊流阻力系数的计算例例4-3 某水管长某水管长l=500m，内径，内径d=200mm，管壁粗糙，管壁粗糙度度=0.1mm，若输送流量，若输送流量Q=10L/s，水温，水温T=10，使，使用柯列勃洛克用柯列勃洛克-怀特经验公式计算沿程水头损失。怀特经验公式计算沿程水头损失。43 3 . 03 . 0867. 010179. 0vd3 . 0021. 0d五五 计算阻力系数的经验公式计算阻力系数的经验公式1.舍维列夫公式舍维列夫公式过渡区（过渡区（v1.2m/s）粗糙管区（粗糙管区（v1.2m/s）lhdgvf2244 2. 谢才（谢才（Chezy）公式）公式将达西公式变换为将达西公式变换

25、为lhJRdf,4将将代入，得代入，得RJC其中其中gC8，为谢才系数。谢才公式只适用于粗，为谢才系数。谢才公式只适用于粗糙管区。糙管区。45 两个常用的计算谢才系数的公式：两个常用的计算谢才系数的公式： （1）满宁（）满宁（Manning,1890）公式：）公式： 式中式中n为粗糙系数，该式适用于为粗糙系数，该式适用于n0.020，R0.5m的管的管道及小渠道。道及小渠道。（2）巴甫洛夫斯基公式）巴甫洛夫斯基公式式中式中n为粗糙系数，也称糙率，是表征边界表面影响为粗糙系数，也称糙率，是表征边界表面影响水流阻力的各种因素的一个综合系数。水流阻力的各种因素的一个综合系数。611RnC yRnC1

26、nyRnyRnRnynR3 . 1, 0 . 15 . 1, 0 . 110. 075. 013. 05 . 204. 0011. 00m. 31m. 0且巴甫洛夫斯基公式的适用范围如下：巴甫洛夫斯基公式的适用范围如下：例题例题4-4：已知某钢管直径已知某钢管直径d=0.2m，长度，长度l=100m，壁，壁面状况一般，管内水温为面状况一般，管内水温为5，流量，流量Q=2.410-2m3/s, 计算沿程水头损失。计算沿程水头损失。例题例题4-5：一钢筋混凝土衬砌隧洞，直径一钢筋混凝土衬砌隧洞，直径d=6m，长，长l=1km，通过的流量，通过的流量Q=400m3/s。水温按。水温按15计，求计，求

27、水头损失水头损失hf（流动为紊流粗糙区）。（流动为紊流粗糙区）。第五节第五节 边界层理论边界层理论 雷诺数很大的实际液体，当粘滞作用小到可以雷诺数很大的实际液体，当粘滞作用小到可以忽略时，其流动应接近理想流体，但实际情况与理忽略时，其流动应接近理想流体，但实际情况与理想流体有很大差别。想流体有很大差别。10000Re 2000Re 0 .41Re 6 . 9Re26Re 亦称附面层，雷诺数很大时，粘性小的流体亦称附面层，雷诺数很大时，粘性小的流体（如空气或水）沿固体壁面流动（或固体在流体中（如空气或水）沿固体壁面流动（或固体在流体中运动）时壁面附近受粘性影响显著的薄流层运动）时壁面附近受粘性影

28、响显著的薄流层. .一一 边界层（边界层（boundary layer）概述）概述 主要解决问题：物体在实际流体中作等速直线主要解决问题：物体在实际流体中作等速直线运动时所受到的粘性阻力问题。运动时所受到的粘性阻力问题。二二 层流边界层和紊流边界层层流边界层和紊流边界层 边界中的水流同样存在两种流态：边界中的水流同样存在两种流态：层流层流和和紊流紊流 在紊流边界层内，最紧靠平板的地方，在紊流边界层内，最紧靠平板的地方，dux/dy仍很大，粘滞力仍起主要作用，其流态仍为层流，仍很大，粘滞力仍起主要作用，其流态仍为层流，所以紊流边界层内有一粘性底层。所以紊流边界层内有一粘性底层。 当雷诺数达到一定

29、数值时，边界层中的层流经过当雷诺数达到一定数值时，边界层中的层流经过一个过渡区后转变为紊流，就成为紊流边界层。一个过渡区后转变为紊流，就成为紊流边界层。 当边界层厚度当边界层厚度d较小时，边界层内的流速梯度很较小时，边界层内的流速梯度很大，粘滞应力的作用也很大，这时边界层内的流动属大，粘滞应力的作用也很大，这时边界层内的流动属于层流，这种边界层称为层流边界层。于层流，这种边界层称为层流边界层。 1 层流边界层（层流边界层（laminar boundary layer）2 紊流边界层（紊流边界层（turbulence boundary layer） 自固体边界表面沿其外法线到纵向流速自固体边界表

30、面沿其外法线到纵向流速ux达到主达到主流速流速U0的的99%处，这段距离称为边界层厚度。边界处，这段距离称为边界层厚度。边界层的厚度顺流增大，即层的厚度顺流增大，即是是x的函数。的函数。 3 边界层的厚度边界层的厚度 （boundary layer thickness） 特点：临界雷诺数的大小与来流的脉动程度有关，特点：临界雷诺数的大小与来流的脉动程度有关，脉动强，脉动强， Re 小。小。 临界雷诺数：临界雷诺数： 转折点：在转折点：在x=xcr处边界层由层流转变为紊流的处边界层由层流转变为紊流的过渡点。过渡点。 4 临界雷诺数临界雷诺数 vdvdRe 层流边界层流边界层层 紊流边界紊流边界层

31、层 边界层厚度边界层厚度 临界雷诺数并非常量，而是与来流的扰动程临界雷诺数并非常量，而是与来流的扰动程度有关，如果来流受到扰动，脉动强，流态的改度有关，如果来流受到扰动，脉动强，流态的改变在较低的雷诺数就会发生。变在较低的雷诺数就会发生。 临界雷诺数的范围：临界雷诺数的范围： crcrcrvxReRe,10310365215xRex51377. 0 xRex三三 边界层特点边界层特点 （1）边界层厚度为一有限值（当）边界层厚度为一有限值（当ux0.99u时）时） （2）边界层厚度沿程增加（）边界层厚度沿程增加（=(x)） （3）边界层内：）边界层内： 边界层外：按理想流体或有势流动计算。边界层

32、外：按理想流体或有势流动计算。 （4）边界层分层流边界层和紊流边界层。）边界层分层流边界层和紊流边界层。 22dyduldydu 在实际工程中，物体的边界往往是曲面（流线在实际工程中，物体的边界往往是曲面（流线型或非流线型物体）。当流体绕流非流线型物体时，型或非流线型物体）。当流体绕流非流线型物体时，一般会出现下列现象：物面上的边界层在某个位置一般会出现下列现象：物面上的边界层在某个位置开始脱离物面，开始脱离物面， 并在物面附近出现与主流方向相反并在物面附近出现与主流方向相反的回流，流体力学中称这种现象为的回流，流体力学中称这种现象为边界层分离边界层分离现象，现象，如图所示。流线型物体在非正常

33、情况下也能发生边如图所示。流线型物体在非正常情况下也能发生边界层分离，如图界层分离，如图(a)所示。所示。 四四 曲面边界层及边界层分离曲面边界层及边界层分离 （separation of boundary layer）（a）流线形物体；（）流线形物体；（b）非流线形物体）非流线形物体边界层边界层外部流动外部流动外部流动外部流动尾迹尾迹外部流动外部流动外部流动外部流动尾迹尾迹边界层边界层边界层的分离过程边界层的分离过程3、在、在S点处出现粘滞点处出现粘滞，由，由于压力的升高产生于压力的升高产生回流回流导致边界层分离，并形导致边界层分离，并形成尾涡。成尾涡。1、从从D到到E流动加速，为顺压梯度区

34、；流动加速，为顺压梯度区；流体压能向动流体压能向动能转变，不发生边界层分离；能转变，不发生边界层分离；2、从、从E到到F流动减速流动减速, 为逆压梯度区；为逆压梯度区；E到到F段动能只段动能只存在损耗，速度减小很快；存在损耗，速度减小很快；结论：结论： 粘性流体在粘性流体在压力降低区压力降低区内流动（加速流动），内流动（加速流动），决不会出现边界层的分离，只有在决不会出现边界层的分离，只有在压力升高区压力升高区内流动内流动（减速流动），才有可能出现分离，形成漩涡。尤其（减速流动），才有可能出现分离，形成漩涡。尤其是在主流减速足够大的情况下，边界层的分离就一定是在主流减速足够大的情况下，边界层的

35、分离就一定会发生。会发生。边界层分离示意图边界层分离：边界层脱离壁面边界层分离：边界层脱离壁面2.分离的原因分离的原因 粘性粘性圆柱后部：猫眼圆柱后部：猫眼1.分离现象分离现象在顺压梯度区在顺压梯度区（BC)：流体加速：流体加速在逆压梯度区在逆压梯度区（CE)：CS段减速段减速 S点停止点停止 SE倒流倒流。3.分离的条件分离的条件 逆压梯度逆压梯度4.分离的实际发生分离的实际发生 微团滞止和倒流微团滞止和倒流5.分离实例分离实例从静止开始边界层分离发展情况从静止开始边界层分离发展情况 减小尾流的主要途径：使减小尾流的主要途径：使绕流体型尽可能流线型化。绕流体型尽可能流线型化。 分离流线与物体

36、边界所围分离流线与物体边界所围的下游区域，如图所示。的下游区域，如图所示。尾流尾流 l随着雷诺数的增大边界层首先出现分离，分离点并不断的随着雷诺数的增大边界层首先出现分离，分离点并不断的前移，当雷诺数大到一定程度时，会形成两列几乎稳定的、前移，当雷诺数大到一定程度时，会形成两列几乎稳定的、非对称性的、交替脱落的、旋转方向相反的旋涡，并随主流非对称性的、交替脱落的、旋转方向相反的旋涡，并随主流向下游运动，这就是向下游运动，这就是卡门涡街。卡门涡街。63 第六节第六节 局部水头损失局部水头损失 突然扩大突然缩小闸阀三通汇流管道弯头管道进口分离区分离区分离区分离区分离区分离区分离区分离区分离区分离区

37、分离区分离区分离区分离区有压管道恒定流遇有压管道恒定流遇到管道边界的局部到管道边界的局部突变突变 流动分离流动分离形成剪切层形成剪切层 剪剪切层流动不稳定，切层流动不稳定，引起流动结构的重引起流动结构的重新调整，并产生旋新调整，并产生旋涡涡 平均流动能平均流动能量转化成脉动能量转化成脉动能量，造成不可逆的量，造成不可逆的能量耗散。能量耗散。gvhm22whgpzgPz222222221111v1A1A2v21122)22()()(2222112121ggppzzhm一一 圆管液流突然扩大的局部水头损失圆管液流突然扩大的局部水头损失对对1-1面和面和2-2面建面建立伯努利方程立伯努利方程65 )()()(11222121212211vvQzzAAApApApgvvvppzz211222121)(gvvgvvvhm2)(22221121122再列动量方程再列动量方程综合这两个方程，得综合这两个方程，得66 gvvhm2)(2212211vAAvgvgvAAhm22122222212紊流条件下，紊流条件下，0 . 12121则局部水头损失则局部水头损失化简为：化简为：再利用连续性方程再利用连续性方程或或，上式为，上式为gvgvAAhm22121121221二二 管道配件的局部水头损失管道配件的局部水头损失可使用各种管道配件的经验公式。可使用各种管道配件的经验公式。特别注意：管道平均