水力学系统讲义课件第五章(1)-流动形态及水头损失

第五五章章液体体的的流流动动型型态态及及水水头头损损失失§5-1水头头损损失失产产生生的的原原因因及及分分类类§5-2均匀匀流流中中沿沿程程水水头头损损失失的的计计算算公公式式§5-3液体体流流动动的的两两种种型型态态输水水管管路路系系统统§5-1水头头损损失失产产生生的的原原因因及及分分类类产生生原原因因：：液体体的的粘粘滞滞性性和和液液体体质质点点间间的的动动量量交交换换而而引引起起的的。。沿程程水水头头损损失失：：在管管径径沿沿程程不不变变的的直直管管段段内内产产生生，，记记为为hf，其大大小小和和管管长长成成比比例例。。产生生原原因因：：局部部地地区区产产生生漩漩涡涡。。漩漩涡涡的的产产生生及及维维持持，，漩漩涡涡水水体体与与主主流流之之间间的的动动量量交交换换，，漩漩涡涡间间的的碰碰撞撞与与摩摩擦擦均均需需消消耗耗能能量量而而引引起起水水头头损损失失。。局部部水水头头损损失失：：在水水流流方方向向、、断断面面形形状状和和尺尺寸寸改改变变以以及及障障碍碍处处产产生生，记记为为hj。过水水断断面面的的形形状状和和尺尺寸寸对对沿沿程程水水头头损损失失的的影影响响湿周周：过过水水断断面面上上被被液液体体湿湿润润的的固固体体周周界界长长度度，，记记为为χ。结论论：在在同同样样的的流流量量，，同同样样的的管管材材、、管管长长、、过过水水断断面面积积的的前前提提下下，，湿湿周周越越小小，，沿沿程程水水头头损损失失越越小小。。过水断面的形形状和尺寸对对沿程水头损损失的影响结论：不能单纯用用过水断面积积和湿周的大大小反映过水水断面的形状状和尺寸对沿沿程水头损失失的影响。水力半径过水断面积A与湿周χ之比定义为水水力半径：其他条件相同同：水力半径径大者沿程水水头损失小。。对于半径为r或者直径为d的圆形过水断断面，水力半半径为综合反映过水水断面积和湿湿周对沿程水水头损失的影影响。对于底宽为b，水深为h，边坡系数为m的梯形过水断断面渠道的水水力半径为矩形过水断面面渠道的水力力半径，令m=0，则对于h/b<1/10的宽矩形过水水断面渠道的的水力半径§5-2均匀流中沿程程水头损失的的计算公式圆管总流中取取出长度为s的一段作为控控制体，研究究其平衡。假假设流动是恒恒定的均匀流流，且液体是是不可压缩的的。恒定流，没有有时间加速度度；均匀流，，没有位移加加速度，故该该流动液体的的全部加速度度为零。控制体上的表表面力：动水水总压力；摩摩擦力控制体上的质质量力：重力力分量动水总压力摩擦力重力分量写1－1和2－2断面的能量方方程式圆管均匀流过过水断面上的的切应力按直直线规律分布布，管壁处最最大，管轴线线处为零。对于水力半径径为R`的同心圆筒式式元流，其元元流表面的切切应力τ为由量纲分析我我们可以得到到切应力τ0为均匀流情况下下的沿程水头头损失公式对于圆管达西-威斯巴赫（Darcy-Weisbach）公式例5.2.1水流在直径d=30cm的圆管中流动动时，在l=100管长上测得水水头损失hf=2m。试求：（1）管壁上的切切应力τ0；（2）当沿程水头损损失系数λ=0.025时的断面平均均流速v。解：（1）τ0计算（2）断面平均流流速计算§5-3液体流动的两两种型态雷诺实验液流型态的判判别雷诺数的物理理意义5.3.1雷诺实验实验装置上游是一个保保持恒定水位位的水箱，由由侧壁引出一一根平直的玻玻璃管。水箱箱顶部放有一一盛红颜色水水的容器，在在其下用细管管引入到水平平玻璃管的入入口处。两个个测压管是为为了测量沿程程水头损失。。通过阀门K可以调节管中中的流速。下下游设有接水水容器。实验操作及现现象先将阀门K微微打开，在在玻璃管中有有一条平直的的色线。再将阀门K逐渐开大，玻玻璃管中的流流速就逐渐增增大，管中的色线开始始颤动并弯曲曲，有波状外外形。当流速速达到一定值值时，色线完完全破裂形成成许许多多的的小旋涡充满满整个玻璃管管。当实验以相反反的程序进行行时，则流动动从紊流转变变为层流。由紊流转变为为层流时的流流速比由层流流转变为紊流流时的流速小小。实验结论1.同一种液体在在同一个管道道中流动，当当流速不同时时液体有两种种不同的运动动型态：（1）层流：是指指在流速较小小时，液体质质点作有条不不紊的直线运运动，水流各各层上的质点点互不掺混。。（2）紊流（湍流流）：是指在在流速较大时时，流层逐渐渐不稳定，质质点相互掺混混，液体质点点运动轨迹极极不规则的流流动。2.沿程水头损失失hf与平均流速的的关系。沿程水头损失失hf与平均流速的的关系由1-1，2-2断面的能量方方程两根测压管中中的水位差就就是1-1，2-2断面间的水头头损失；通过下游容器器可测量流量量，进而可计计算管中的断断面平均流速速v。以lgv为横坐标轴，，以lghf为纵坐标轴。。线段AC与水平轴的夹夹角为45º；线段DE与水平轴的夹夹角在60º15ˊˊ～63º26ˊˊ之间。5.3.2液流型态的判判别用颜色水观察察水流型态（（可操作性差差）用临界流速判判断（缺乏普普适性）实验发现，采采用无量纲雷雷诺数判断液液流型态更适适合相应于下临界界流速的的雷诺数为下下临界雷诺数数；相相应于上临界界流速的的雷诺数为上上临界雷诺数数。临界雷诺数由于下临界雷雷诺数比较稳稳定，因此用用下临界雷诺诺数作为判断断液流型态的的依据。下临界雷诺数数以上的液流流总是紊流，，下临界雷诺诺数以下的液液流总是层流流。对于圆管中的的流动，临界界雷诺数为对于明渠及天天然河道中的的流动，临界界雷诺数为5.3.3雷诺数的物理理意义雷诺数表示作作用在液流上上的惯性力与与粘性力的比比值。紊流：雷诺数数较大，作用用在液流上的的惯性力起主主导作用，粘粘性力约束不不住液流的质质点，液体质质点在惯性力力的作用下互互相掺混而呈呈紊流型态。。层流