第四章流动阻力与水头损失

1、掌握水头损失的概念和分类；掌握水头损失的概念和分类；理解边界条件对水头损失的影响；理解边界条件对水头损失的影响；掌握均匀流掌握均匀流沿程沿程水头损失与切应力的关系；水头损失与切应力的关系；掌握液体运动的两种型态及其判别；掌握液体运动的两种型态及其判别；理解圆管层流运动及其沿程水头损失；理解圆管层流运动及其沿程水头损失；理解湍流的特征；理解湍流的特征；理解沿程阻力系数的变化规律；理解沿程阻力系数的变化规律；掌握沿程水头损失计算的经验公式；掌握沿程水头损失计算的经验公式；理解局部水头损失计算公式。理解局部水头损失计算公式。常见的发生局部水头区域：常见的发生局部水头区域：只要局部地区边界的形状或大小

2、改变，液流内部结只要局部地区边界的形状或大小改变，液流内部结构就要急剧调整，流速分布进行改组，流线发生弯曲并构就要急剧调整，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局部水头损失。产生旋涡，在这些局部地区就有局部水头损失。2.2.液流边界纵向轮廓对水头损失的影响液流边界纵向轮廓对水头损失的影响边界纵向轮廓的不同，可有两种不同形式的液流：均匀流与边界纵向轮廓的不同，可有两种不同形式的液流：均匀流与非均匀流非均匀流均均 匀匀 流流均匀流总水头线和测压管水头线为相互平行的直线。均匀流总水头线和测压管水头线为相互平行的直线。非均匀流总水头线和测压管水头线为互不平行的曲线。非均匀流总水

3、头线和测压管水头线为互不平行的曲线。均匀流时无局部水头损失，非均匀渐变流时局部水头损失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。可忽略不计，非均匀急变流时两种水头损失都有。非均匀流非均匀流在管道或明渠均匀流中，任意取出一段总流来分析。在管道或明渠均匀流中，任意取出一段总流来分析。图中所示图中所示1-1,2-21-1,2-2断面间长度为断面间长度为l l流段水流所受外力为：动水流段水流所受外力为：动水压力、重力和边界阻力。压力、重力和边界阻力。雷诺用试验提示了粘性液体运动的两种型态：层流和湍流。雷诺用试验提示了粘性液体运动的两种型态：层流和湍流

4、。4.4.1 4.4.1 雷诺试验雷诺试验雷诺试验装置雷诺试验装置 颜色水颜色水hftVQ l颜色水颜色水hftVQ l打开下游阀门，保持水箱水位稳定打开下游阀门，保持水箱水位稳定颜色水颜色水hftVQ l再打开颜色水开关，则红色水流入管道再打开颜色水开关，则红色水流入管道层流：红色水液层有条不紊地运动，层流：红色水液层有条不紊地运动， 红色水和管道中液体水相互不混掺红色水和管道中液体水相互不混掺（实验）（实验）颜色水颜色水hftVQ l下游阀门再打开一点，管道中流速增大下游阀门再打开一点，管道中流速增大红色水开始颤动并弯曲，出现波形轮廓红色水开始颤动并弯曲，出现波形轮廓 红颜色水射出后，完全

5、破裂，形成漩涡，扩散红颜色水射出后，完全破裂，形成漩涡，扩散至全管，使管中水流变成红色水。至全管，使管中水流变成红色水。 这一现象表明：液体质点运动中会形成涡体，这一现象表明：液体质点运动中会形成涡体，各涡体相互混掺。各涡体相互混掺。颜色水颜色水hftVQ l下游阀门再打开一点，管中流速继续增大下游阀门再打开一点，管中流速继续增大颜色水颜色水hftVQ l层流：各流层的液体质点有条不紊运动，层流：各流层的液体质点有条不紊运动， 相互之间互不混杂。相互之间互不混杂。 颜色水颜色水hftVQ l紊流：各流层的液体质点形成涡体，紊流：各流层的液体质点形成涡体， 在流动过程中，互相混杂。在流动过程中，

6、互相混杂。 AC 、 ED：直线段直线段 AB 、DE ：直线段直线段CDAvCB层流层流 紊流紊流EBDAvC层流层流 紊流紊流EBDAvCCvC60.363.445层流层流 过渡过渡 紊流紊流EB BD DA Av vC CC CvvC C45层流层流 过渡过渡 紊流紊流在双对数坐标上，点汇水在双对数坐标上，点汇水头损失和流速的关系为：头损失和流速的关系为： tan mkvhvlgmklghlgmff2 2 60.363.4E EBDAvCCvC层流层流 过渡过渡 紊流紊流2 60.363.4层流层流 1 = 45 m = 1 紊流紊流 2 = 60.363.4 m = 1.752.001

7、 45 tan mkvhvlgmklghlgmffE4.4.3 4.4.3 湍流形成过程的分析湍流形成过程的分析雷诺试验表明层流与湍流的主要区别在于湍流时各流层之雷诺试验表明层流与湍流的主要区别在于湍流时各流层之间液体质点有不断地互相掺混作用，而层流则无。涡体的间液体质点有不断地互相掺混作用，而层流则无。涡体的形成是混掺作用的根源。形成是混掺作用的根源。涡涡体的形成过程：体的形成过程：粘滞流体流速分布不均匀，使得选定流层所受到的粘滞粘滞流体流速分布不均匀，使得选定流层所受到的粘滞切应力，有构成力矩，使流层发生旋转的倾向。切应力，有构成力矩，使流层发生旋转的倾向。外界的微小扰动或来流中残存的扰动

8、，在外界的微小扰动或来流中残存的扰动，在流层中引起局部性的波动，从而使局部流流层中引起局部性的波动，从而使局部流速的压强产生调整。速的压强产生调整。右图流线受波动影响发生弯曲，在波峰上右图流线受波动影响发生弯曲，在波峰上方，流速增大，压强降低；波峰下侧，流方，流速增大，压强降低；波峰下侧，流速减小，压强增大。从而形成向上的横向速减小，压强增大。从而形成向上的横向力力F F。波谷附近的横向压力。波谷附近的横向压力F F与波峰附近的与波峰附近的方向相反。方向相反。波峰，波谷附近发现的横向压力使得波峰波峰，波谷附近发现的横向压力使得波峰愈凸，波谷愈凹，将促使波幅进一步增大。愈凸，波谷愈凹，将促使波幅

9、进一步增大。波幅增大到一定程度后，在横向压力与粘波幅增大到一定程度后，在横向压力与粘滞切应力的工作作用下，波峰与波谷发生滞切应力的工作作用下，波峰与波谷发生重叠，从而形成涡体。重叠，从而形成涡体。涡体形成后，与水流同向的一侧流速变大，压强减小；涡体形成后，与水流同向的一侧流速变大，压强减小；反向的一侧流速变小，压强则增加。在我替上下侧产生反向的一侧流速变小，压强则增加。在我替上下侧产生压差，形成作用于涡体的升力。压差，形成作用于涡体的升力。涡体在升力的作用下可能脱离原流层，掺入流速较高的涡体在升力的作用下可能脱离原流层，掺入流速较高的邻层，扰动邻层产生新的涡体。层流转化为湍流。邻层，扰动邻层产

10、生新的涡体。层流转化为湍流。涡体的形成并不表示层流一定转化为湍流，只有当惯性作用与粘滞性涡体的形成并不表示层流一定转化为湍流，只有当惯性作用与粘滞性作用相比强大到一定程度是，才可能形成湍流。作用相比强大到一定程度是，才可能形成湍流。雷诺数是表征惯性力与粘滞力比值的常数，可以据此判断液流型态。雷诺数是表征惯性力与粘滞力比值的常数，可以据此判断液流型态。可以从量纲分析的角度导出。可以从量纲分析的角度导出。小结：小结：雷诺试验表明，液体运动存在层流和湍流两种型态，且沿程水头损雷诺试验表明，液体运动存在层流和湍流两种型态，且沿程水头损失遵循不同的规律。失遵循不同的规律。液流型态可用雷诺数判别，圆管流动

11、改的临界雷诺数为液流型态可用雷诺数判别，圆管流动改的临界雷诺数为20002000，明渠，明渠及天然河道的临界雷诺数为及天然河道的临界雷诺数为500500。意味着水利水电工程中的水流绝大。意味着水利水电工程中的水流绝大部分是湍流。部分是湍流。湍流形成的先决条件是形成涡体，其次是雷诺数足够大，使得惯性湍流形成的先决条件是形成涡体，其次是雷诺数足够大，使得惯性力作用远大于粘滞力作用。力作用远大于粘滞力作用。湍流的基本特征是许许多多大小不等的涡体相互混湍流的基本特征是许许多多大小不等的涡体相互混掺前进，他们的位置、形态、流速都在时刻不断地掺前进，他们的位置、形态、流速都在时刻不断地变化。变化。4.6.

12、1 4.6.1 运动要素的脉动运动要素的脉动不同的涡体通过湍流中某定点时，该点上的瞬时运不同的涡体通过湍流中某定点时，该点上的瞬时运动要素随时间发生波动的现象，即成为运动要素的动要素随时间发生波动的现象，即成为运动要素的脉动。脉动。瞬时流速：某一瞬间通过某定点的流体质点的流速。瞬时流速：某一瞬间通过某定点的流体质点的流速。试验研究结果表明：瞬时流速虽有变化，但在足够试验研究结果表明：瞬时流速虽有变化，但在足够长的时间过程中，其时间平均值不变。长的时间过程中，其时间平均值不变。对两个物理量也可进行时间平均：对两个物理量也可进行时间平均：两两个瞬时值之和的时均值等于各瞬时值的时均值之和。个瞬时值之

13、和的时均值等于各瞬时值的时均值之和。常量和瞬时值乘积的时均值等于常量与瞬时值时均值的乘积。常量和瞬时值乘积的时均值等于常量与瞬时值时均值的乘积。两两个时均值乘积的时均值等于两个时均值的乘积。个时均值乘积的时均值等于两个时均值的乘积。时时均值与脉动值乘积的时均值为零。均值与脉动值乘积的时均值为零。两两个瞬时值乘积的时均值等于它们两个时均值的乘积加两个脉动值个瞬时值乘积的时均值等于它们两个时均值的乘积加两个脉动值乘积的时均值。乘积的时均值。瞬时值各阶导数的时均值等于时均值的同阶导数。瞬时值各阶导数的时均值等于时均值的同阶导数。4.6.3 4.6.3 湍流中存在粘性底层湍流中存在粘性底层湍流湍流中紧靠固体边界附近地方，脉动流速很小，由中紧靠固