水力学系统讲义第四章流动阻力和水头损失课件

第四章

流动形态及其水头损失1第四章

流动形态及其水头损失1

§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。2§4.1流动阻力和水头损失的分类流动阻力摩擦阻力：压差阻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+∑hj3水头损失沿程水头损失hf：局部水头损失hj：总水头损失摩擦阻力4摩擦阻力4滞止离解压差阻力5滞止离解5惯性离解压差阻力6惯性离解6惯性离解压差阻力7惯性离解788§4.2实际液体流动的两种形态4.2.1雷诺试验9§4.2实际液体流动的两种形态910104.2.2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：bh114.2.2流态的判别---雷诺数雷诺数：非圆形过水断面下临例4—1

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：12例4—1有一圆形§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。OOz2z11122P1P2

0

0G

13§4.3均匀流沿程水头损失与切应力的关系OOz2z1112作用于该总流流段上的外力有：①动水压力：P1=p1AP2=p2A

②重力：G=V=AL，在流动方向上的投影Gx=ALsin③摩擦阻力：T=0×A'=0×

LOOz2z11122P1P2

0

0G

x14作用于该总流流段上的外力有：OOz2z11122P1P2写出管轴方向的平衡方程：OOz2z11122P1P2

0

0G

x15写出管轴方向的平衡方程：OOz2z11122P1P204.3.2均匀流过水断面上切应力的分布

0

0

r0r164.3.2均匀流过水断面上切应力的分布00r0r16

0

0

r0ryu§4.4圆管中的层流运动4.4.1圆管均匀层流的断面流速分布1700r0ryu§4.4圆管中的层流运动1718184.4.2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194.4.2圆管均匀层流的沿程水头损失达西公式通用公式--

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：20利用管径d=75mm的2、求沿程水头损失<2300层流212、求沿程水头损失<2300层流21§4.5液体的紊流运动4.5.1紊流的形成条件①涡体的形成；②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。22§4.5液体的紊流运动①涡体的形成；224.5.2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。

234.5.2紊流脉动现象与时均化概念232424运动要素的时均化处理：25运动要素的时均化处理：25脉动值说明：①脉动值不能当作微量处理，有时可达到时均值的三分之一。②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。

③脉动是涡体互相掺混、交换的结果，不是流体分子的运动。

26脉动值说明：26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。27注意：27282829294.5.3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

①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。②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）。304.5.3紊流中摩擦切应力计算3031314.5.4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）。324.5.4紊流中的层流底层与紊流核心3233334.5.4.2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。344.5.4.2流道壁面的类型343535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。36水力粗糙管：过渡粗糙管：364.5.5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：374.5.5紊流的流速分布水力光滑管区：水力粗糙管区：3738383939§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①层流区：Re<2300，

=f(Re)，=64/Re，hf∝

1.0②流态过渡区：2300<Re<4000③紊流光滑区：

=f(Re)，hf∝

1.75④紊流过渡区：

=f(Re，ks/d)，hf∝

1.75~2.0⑤紊流粗糙区：

=f(ks/d)，hf∝

2.0

40§4.6圆管中沿程阻力系数的变化规律404141舍维列夫公式（旧钢管和铸铁管）：42舍维列夫公式（旧钢管和铸铁管）：42谢才公式（明渠）：谢才系数43谢才公式（明渠）：谢才系数43例4－3解：44例4－3解：44例4－4解：45例4－4解：45§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。46§4.7流动的局部水头损失464747484849495050515152525353对1-1、2-2断面列伯努力方程：54对1-1、2-2断面列伯努力方程：54例4－855例4－855解：56解：56