水力学系统讲义课件第五章流动形态及水头损失二

第五章液体的流动型态及水头损失§5-1水头损失产生的原因及分类§5-2均匀流中沿程水头损失的计算公式§5-3液体流动的两种型态输水管路系统§5-1水头损失产生的原因及分类产生原因：液体的粘滞性和液体质点间的动量交换而引起的。沿程水头损失：在管径沿程不变的直管段内产生，记为hf，其大小和管长成比例。产生原因：局部地区产生漩涡。漩涡的产生及维持，漩涡水体与主流之间的动量交换，漩涡间的碰撞与摩擦均需消耗能量而引起水头损失。局部水头损失：在水流方向、断面形状和尺寸改变以及障碍处产生，记为hj。过水断面的形状和尺寸对沿程水头损失的影响

湿周：过水断面上被液体湿润的固体周界长度，记为χ。结论：在同样的流量，同样的管材、管长、过水断面积的前提下，湿周越小，沿程水头损失越小。过水断面的形状和尺寸对沿程水头损失的影响

结论：不能单纯用过水断面积和湿周的大小反映过水断面的形状和尺寸对沿程水头损失的影响。水力半径过水断面积A与湿周χ之比定义为水力半径：

其他条件相同：水力半径大者沿程水头损失小。对于半径为r或者直径为d的圆形过水断面，水力半径为综合反映过水断面积和湿周对沿程水头损失的影响。对于底宽为b，水深为h，边坡系数为m的梯形过水断面渠道的水力半径为矩形过水断面渠道的水力半径，令m=0，则对于h/b<1/10的宽矩形过水断面渠道的水力半径§5-2均匀流中沿程水头损失的计算公式

圆管总流中取出长度为s的一段作为控制体，研究其平衡。假设流动是恒定的均匀流，且液体是不可压缩的。恒定流，，没有时时间加速速度；均均匀流，，没有位位移加速速度，故故该流动动液体的的全部加加速度为为零。控制体上上的表面面力：动动水总压压力；摩摩擦力控制体上上的质量量力：重重力分量量动水总压压力摩擦力重力分量量写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，，采用无量量纲雷诺数数判断液流流型态更适适合相应于下临临界流速的的雷诺诺数为下临临界雷诺数数；；相应于上上临界流速速的雷雷诺数为上上临界雷诺诺数。。临界雷诺数数由于下临界界雷诺数比比较稳定，，因此用下下临界雷诺诺数作为判判断液流型型态的依据据。下临界雷诺诺数以上的的液流总是是紊流，下下临界雷诺诺数以下的的液流总是是层流。对于圆管中中的流动，，临界雷诺诺数为对于明渠及及天然河道道中的流动动，临界雷雷诺数为5.3.3雷诺数的物物理意义雷诺数表示示作用在液液流上的惯惯性力与粘粘性力的比比值。紊流：雷诺诺数较大，，作用在液液流上的惯惯性力起主主导作用，，粘性力约约束不住液液流的质点点，液体质质点在惯性性力的作用用下互相掺掺混而呈紊紊流型态。。层流：雷诺诺数较小，，作用在液液流上的粘粘性力起主主导作用，，粘性力约