水力学系统讲义第四章-流动阻力和水头损失

1、第四章流动形态及其水头损失 4.1 流动阻力和水头损失的分类流动阻力摩擦阻力： 流体有粘滞性和横向流速梯度，产生摩擦阻力。压差阻力： 局部地区固体边界的形状或大小有急剧改变，或有局部障碍，液流内部结构产生离解和漩涡，流线弯曲，流速分布改变，增加了液流的相对运动，产生压差阻力。水头损失沿程水头损失hf ： 均匀流中，水流产生的阻力为摩擦阻力，能量损失为沿程水头损失hf。局部水头损失hj ： 非均匀流中，水流产生的阻力为摩擦阻力和压差阻力，其产生的能量损失为局部水头损失hj。总水头损失：hw=hf+ hj摩擦阻力滞止离解压差阻力惯性离解压差阻力惯性离解压差阻力4.2 实际液体流动的两种形态4.2.

2、1 雷诺试验4.2.2 流态的判别-雷诺数雷诺数：非圆形过水断面下临界雷诺数：管流上临界雷诺数：管流下临界雷诺数：Rec=2000非圆形过水断面雷诺数：bh例41 有一圆形输水管，直径d为2.0cm，管中 水流的断面平均流速为1m/s，水温t= 15，试判别管中水流的型态。当通过石油时，若其他条件相同，问流态是层流还是紊流？（t= 15时，石油=0.6cm2/s,水=0.0114cm2/s）解：4.3 均匀流沿程水头损失与切应力的关系4.3.1 沿程水头损失与切应力的关系 在管道恒定均匀流中，取总流流段1-1到2-2，各作用力处于平衡状态：F=0。OOz2z11122P1P200G作用于该总流

3、流段上的外力有：动水压力： P1=p1A P2=p2A 重力：G=V= AL，在流动方向上的投影Gx=ALsin摩擦阻力：T=0A= 0 LOOz2z11122P1P200Gx写出管轴方向的平衡方程：OOz2z11122P1P200Gx4.3.2 均匀流过水断面上切应力的分布00r0r00r0ryu4.4 圆管中的层流运动4.4.1 圆管均匀层流的断面流速分布4.4.2 圆管均匀层流的沿程水头损失达西公式通用公式-层流紊流均适用 利用管径d=75mm的管道输送重油，如图所示，已 知重油的重度油=8.83KN/m3，运动粘性系数油=0.9cm2/s，管轴上装有毕托管，水银面高差hp=20mm，求

4、重油每小时流量及每米长的沿程水头损失。解：1、求流量：例4-2假设重油的流动为层流：2、求沿程水头损失 2300 层流4.5 液体的紊流运动4.5.1 紊流的形成条件涡体的形成；形成后的涡体，脱离原来的流层或流束，掺入邻近的流层或流束。层流与紊流的根本区别在于： 层流中各流层的流体质点，互不掺混，有比较规则的“瞬时流线”存在； 紊流中有大小不等的涡体震荡于各流层之间，互相掺混。4.5.2 紊流脉动现象与时均化概念运动要素的脉动现象： 紊流中存在大量涡体，涡体沿各方向进行混掺、碰撞，使紊流中任何一个空间点上的运动要素（流速、压强等）随时间不断在变化-紊流运动要素脉动。 运动要素的时均化处理：脉动

5、值说明：脉动值不能当作微量处理，有时可达到时均值的三分之一。脉动总是三维的，虽然主流是一维或二维的，但均产生三个方向的脉动速度。脉动是涡体互相掺混、交换的结果，不是流体分子的运动。注意：紊流恒定流-指时间平均的运动要素不随时间而变化的流动。紊流非恒定流-指时间平均的运动要素随时间而变化的流动。 恒定流、非恒定流、流线、流束、总流等-对紊流运动要素时均值而言。4.5.3 紊流中摩擦切应力计算 紊流中切应力=内摩擦切应力+附加切应力 内摩擦切应力-相邻两层时均速度相对运动所产生的粘滞切应力。附加切应力-脉动所产生。紊流附加切应力： （普朗特动量传递理论） 紊流各流层间存在相对运动，当流层间发生质点

6、混和时，因流速的不同（动量不同），导致质点横向运动到新流层时，因动量的改变产生对新流层的附加切应力-紊流附加摩擦切应力（雷诺应力）。 4.5.4紊流中的层流底层与紊流核心 4.5.4.1 层流底层（粘性底层）： 紧靠固体边界的地方，由于管壁及流体粘性的影响，流体质点流速小，流态属于层流的流体层。 层流底层厚度-一般只有十分之几毫米，最大只有几毫米。 紊流核心： 粘性底层以外为紊流区，包括紊动充分发展的紊流流核区和紊流处于发展状态的过渡层（厚度仅百分之几厘米）。4.5.4.2 流道壁面的类型绝对粗糙度ks（）：将固体壁面上，粗糙体突出壁面的高度的平均值 。水力光滑管： 当层流底层的厚度0大于绝对

7、粗糙度ks，流体在平直的层流底层的外缘上滑动，象在光滑壁面上流动一向，边壁对水流的阻力，主要是层流底层的粘滞力，这种管道称为水力光滑管。水力粗糙管： 当层流底层的厚度0小于绝对粗糙度ks时，紊流流核绕过突出高度时，将形成小漩涡，边壁对水流的阻力主要是由这些小漩涡造成的，边壁粗糙度起主要的作用，这种粗糙壁面的管道，称为水力粗糙管。过渡粗糙管： 介于以上两者之间的情况，层流底层的厚度不足以完全掩盖住边壁粗糙度的影响，但绝对粗糙度还没有起决定性的作用，这种粗糙壁面的管道称为过渡粗糙管。4.5.5 紊流的流速分布普朗特-卡门对数流速分布公式：水力光滑管区：水力粗糙管区：4.6 圆管中沿程阻力系数的变化规律 尼古拉兹实验（实验图）-人工粗糙层流区：Re2300，=f(Re)，=64/Re，hf1.0流态过渡区：2300Re4000紊流光滑区： =f(Re)， hf1.75紊流过渡区： =f(Re，ks/d)， hf1.752.0紊流粗糙区：=f(ks/d)， hf2.0 舍维列夫公式（旧钢管和铸铁管）：谢才公式（明渠）：谢才系数例43解：例44解：4.7 流动的局部水头损失 局部水头损失-发生在固体边界的形状或大小急剧改变的前后局部范围内（非均匀流）。 局部损失主要用于维持漩涡运动，与边界形状有密切关系。对1-1、2-2断面列伯努力方程：