液流形態(tài)與水頭損失土木

1、會計學(xué)1液流形態(tài)與水頭損失土木液流形態(tài)與水頭損失土木能量方程：能量方程：whgvgpzgvgpz222222221111動量方程：動量方程：Fvv)(1122Q液體運動的三大方程液體運動的三大方程連續(xù)性方程：連續(xù)性方程：2211vAvAQ1.1.水頭損失產(chǎn)生原因及分類水頭損失產(chǎn)生原因及分類2.2.液流型態(tài)液流型態(tài)( (流態(tài)判別與特性流態(tài)判別與特性) )3.3.沿程水頭損失的變化規(guī)律及確定沿程水頭損失的變化規(guī)律及確定4.4.局部水頭損失的確定局部水頭損失的確定本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容：三個實驗三個實驗3 31 1 水頭損失的物理概念及其分類水頭損失的物理概念及其分類3 32 2 液流邊界幾何條

2、件對水頭損失的影響液流邊界幾何條件對水頭損失的影響3 33 3 均勻流沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系均勻流沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系3 34 4 液體運動的兩種型態(tài)液體運動的兩種型態(tài) 3 35 5 圓管中的層流運動及其沿程水頭損失的圓管中的層流運動及其沿程水頭損失的 計算計算3. 6 3. 6 紊流的特征紊流的特征3 37 7 沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律3 38 8 計算沿程水頭損失的經(jīng)驗公式計算沿程水頭損失的經(jīng)驗公式-謝齊公式謝齊公式 3 39 9 局部水頭損失局部水頭損失能量損失的概念及產(chǎn)生的原因能量損失的概念及產(chǎn)生的原因5.1 5.1 流動阻力和水頭損失的分類流動阻力和水頭

3、損失的分類1. 概念概念流動過程中單位重量液體克服阻力作功所消耗的機械能流動過程中單位重量液體克服阻力作功所消耗的機械能邊界面無滯水作用邊界面無滯水作用固體壁面無滑動條件固體壁面無滑動條件液流產(chǎn)生能量損失的液流產(chǎn)生能量損失的根源是粘滯性根源是粘滯性產(chǎn)生能量損失的產(chǎn)生能量損失的條件是相對運動條件是相對運動產(chǎn)生能量損失的方式是液體與邊壁之間、液層與液層之間或液體質(zhì)點之產(chǎn)生能量損失的方式是液體與邊壁之間、液層與液層之間或液體質(zhì)點之間之間的間之間的摩擦、碰撞和混摻摩擦、碰撞和混摻 2、能量損失產(chǎn)生的原因、條件和方式、能量損失產(chǎn)生的原因、條件和方式產(chǎn)生水頭損失必須具備的兩產(chǎn)生水頭損失必須具備的兩個條件個

4、條件(1)(1)液體具有粘滯性；液體具有粘滯性；-內(nèi)因內(nèi)因(2)(2)由于固體邊界的影響，液流內(nèi)部質(zhì)點之間產(chǎn)由于固體邊界的影響，液流內(nèi)部質(zhì)點之間產(chǎn)生相對運動。生相對運動。所以所以5.1.1 5.1.1 液流阻力和水頭損失的分類液流阻力和水頭損失的分類液流阻力液流阻力是水流與邊界的相互作用在作用力方面的反映是水流與邊界的相互作用在作用力方面的反映 水頭損失水頭損失是水流與邊界的相互作用在克服阻力作功上的體現(xiàn)是水流與邊界的相互作用在克服阻力作功上的體現(xiàn) 根據(jù)形成液流阻力和水頭損失的外部固體邊界的情況不同，水流阻根據(jù)形成液流阻力和水頭損失的外部固體邊界的情況不同，水流阻力可分為沿程水流阻力和局部水流

5、阻力。相應(yīng)地，把總水頭損失分為沿力可分為沿程水流阻力和局部水流阻力。相應(yīng)地，把總水頭損失分為沿程水頭損失和局部水頭損失程水頭損失和局部水頭損失 1 1、沿程阻力和沿程水頭損失、沿程阻力和沿程水頭損失沿程阻力沿程阻力在平順邊界的約束下，沿流程分布的水流內(nèi)摩擦力。在平順邊界的約束下，沿流程分布的水流內(nèi)摩擦力。沿程水頭損失沿程水頭損失水流從某一斷面流至另一斷面，由于克服沿程阻力做功而引水流從某一斷面流至另一斷面，由于克服沿程阻力做功而引起的水頭損失起的水頭損失特點：液流內(nèi)部阻力的構(gòu)成和性質(zhì)沿流程是不變的特點：液流內(nèi)部阻力的構(gòu)成和性質(zhì)沿流程是不變的fh 在固體邊界的形狀和尺寸沿程不變時，液流在長直段中

6、的水頭損失在固體邊界的形狀和尺寸沿程不變時，液流在長直段中的水頭損失 在產(chǎn)生沿程水頭損失的流段中，流向彼此平行，主流不脫離邊壁在產(chǎn)生沿程水頭損失的流段中，流向彼此平行，主流不脫離邊壁，也無漩渦發(fā)生。，也無漩渦發(fā)生。 均勻流均勻流-只有沿程損失只有沿程損失漸變流漸變流-一般只考慮沿程損失一般只考慮沿程損失2 2、局部阻力和局部水頭損失、局部阻力和局部水頭損失局部阻力局部阻力局部水頭損失局部水頭損失液流因固體邊界突然改變產(chǎn)生的液流阻力液流因固體邊界突然改變產(chǎn)生的液流阻力特點：作用范圍小，水流結(jié)構(gòu)急劇改變，大小漩渦在劇烈碰撞、分特點：作用范圍小，水流結(jié)構(gòu)急劇改變，大小漩渦在劇烈碰撞、分裂、摩擦、混摻

7、，使局部液流阻力遠大于該區(qū)域的沿程阻力裂、摩擦、混摻，使局部液流阻力遠大于該區(qū)域的沿程阻力液流克服局部阻力做功，在局部范圍內(nèi)所引起的水頭損失液流克服局部阻力做功，在局部范圍內(nèi)所引起的水頭損失jh 局部水頭損失局部水頭損失 （a a）一般發(fā)生在邊界突變處一般發(fā)生在邊界突變處 （b b）大小與流速和邊界突變形式有關(guān)大小與流速和邊界突變形式有關(guān) 突然擴大突然擴大閘閥閘閥三通匯流三通匯流突然縮小管道彎頭管道進口邊界的形狀和尺寸是否沿程邊界的形狀和尺寸是否沿程變化變化主流是否脫離固體邊壁或形主流是否脫離固體邊壁或形成旋渦成旋渦局部水頭損失局部水頭損失沿程水頭損失沿程水頭損失注意注意:沿程水頭損失與局部水

8、頭損失的外因不同，但本質(zhì)是一致的。沿程水頭損失與局部水頭損失的外因不同，但本質(zhì)是一致的。3.3.總水頭損失總水頭損失 某一流段沿程水頭損失與局部水頭損失的總和某一流段沿程水頭損失與局部水頭損失的總和 wfjhhh5.1.2 5.1.2 過流斷面的水力要素及其對水頭過流斷面的水力要素及其對水頭損失的影響損失的影響一、濕周一、濕周過水?dāng)嗝媾c固體邊界接觸的周界線的長度過水?dāng)嗝媾c固體邊界接觸的周界線的長度A 水流橫斷面的形狀和尺寸對水流阻力和水頭損失的大小有直接影響，通常用過水流橫斷面的形狀和尺寸對水流阻力和水頭損失的大小有直接影響，通常用過水?dāng)嗝娴乃σ貋矸从乘當(dāng)嗝娴乃σ貋矸从碀裰茉酱螅髯?/p>

9、力和相應(yīng)的水頭損失也越大濕周越大，水流阻力和相應(yīng)的水頭損失也越大二、過水?dāng)嗝婷娣e二、過水?dāng)嗝婷娣e主要反映過水?dāng)嗝娴膸缀翁卣鲗^流能力的影響主要反映過水?dāng)嗝娴膸缀翁卣鲗^流能力的影響面積相同，形狀不同的過水?dāng)嗝婢哂胁煌臐裰苊娣e相同，形狀不同的過水?dāng)嗝婢哂胁煌臐裰軝M向邊界特征橫向邊界特征水力半徑水力半徑 三、水力半徑三、水力半徑單位：單位：m或或cm應(yīng)用廣泛的重要的水力要素AR R R-幾何半徑幾何半徑相等嗎?全面反映了水流橫斷面幾何特征對過流能全面反映了水流橫斷面幾何特征對過流能力和水流阻力的綜合影響力和水流阻力的綜合影響有壓圓管：有壓圓管：R R= =d d/4/4寬淺（寬淺（B B/ /

10、H H10)10)河渠：河渠：R R 5.1.3 5.1.3 均勻流沿程損失與切應(yīng)力的關(guān)系均勻流沿程損失與切應(yīng)力的關(guān)系一、均勻流能量損失的特點一、均勻流能量損失的特點均勻流流速水頭沿程不變，故可從能量方程中約去均勻流流速水頭沿程不變，故可從能量方程中約去fhgpzgpz)()(221102211lTgAlGApPApP，受力分析受力分析受力平衡受力平衡gAlgpzgpzlzzTGPP022112121)()(sin0sin二、均勻流的水流切應(yīng)力二、均勻流的水流切應(yīng)力01212ppl(z)(z)ggAggRlgAlhf00lhJf0gRJ均勻流基本方程均勻流基本方程三、均勻流切應(yīng)力分布三、均勻流

11、切應(yīng)力分布gRJ0JgRRRJ任意大小流束的水力半徑任意大小流束的水力半徑總流的水力半徑總流的水力半徑水力坡度水力坡度lhJf適用于總流邊界適用于總流邊界也適用于任意大小的流束也適用于任意大小的流束例如例如, ,半徑為半徑為r r的流束的流束, ,同樣的推導(dǎo)過程同樣的推導(dǎo)過程Jrg2流束邊界單位面積上的切應(yīng)力流束邊界單位面積上的切應(yīng)力有壓管流有壓管流RR0過水?dāng)嗝嫔锨袘?yīng)力是按直線分布過水?dāng)嗝嫔锨袘?yīng)力是按直線分布圓管中心的切應(yīng)力為零圓管中心的切應(yīng)力為零沿半徑方向逐漸增大，管壁處為沿半徑方向逐漸增大，管壁處為0圓管圓管 00rr00rr或或 001ryy為任意點距管壁的距離為任意點距管壁的距離二元

12、明渠恒定均勻流二元明渠恒定均勻流任意點y處的切應(yīng)力0切應(yīng)力是隨切應(yīng)力是隨y呈線性變化呈線性變化在渠底處最大在渠底處最大hy10在水面處最小在水面處最小05.1.4 沿程水頭損失的普遍公式達西公式達西公式gvRlhf242因次分析方法得到208v達西達西- -魏斯巴赫公式魏斯巴赫公式gRlgAlhf00對于有壓圓管對于有壓圓管gvdlhf225fhd5.2 液體運動的兩種流態(tài)實際液體的流動會呈現(xiàn)出兩實際液體的流動會呈現(xiàn)出兩種不同的形態(tài)：層流和紊流種不同的形態(tài)：層流和紊流, ,它們的區(qū)別在于：流動過程它們的區(qū)別在于：流動過程中液體層之間是否發(fā)生混摻中液體層之間是否發(fā)生混摻現(xiàn)象。在紊流流動中存在隨現(xiàn)

13、象。在紊流流動中存在隨機變化的脈動量，而在層流機變化的脈動量，而在層流流動中則沒有。流動中則沒有。5.2.15.2.1 雷諾實驗雷諾實驗層流：液體質(zhì)點作有條不紊的線狀運動，水流各層或各微小層流：液體質(zhì)點作有條不紊的線狀運動，水流各層或各微小流束上的質(zhì)點彼此互不混摻。流束上的質(zhì)點彼此互不混摻。層流層流:質(zhì)點不混摻質(zhì)點不混摻0 . 1vhf0 . 275. 1vhf紊流：液體質(zhì)點在紊流：液體質(zhì)點在沿管軸方向運動過沿管軸方向運動過程中互相混摻。程中互相混摻。試驗結(jié)論：試驗結(jié)論：（1）同一液體在同一管道中流動，當(dāng)流速不同時，有兩種不同的運動形態(tài)）同一液體在同一管道中流動，當(dāng)流速不同時，有兩種不同的運動

14、形態(tài)-層流和紊流層流和紊流（2）不同的流動形態(tài)，沿程水頭損失的規(guī)律不同）不同的流動形態(tài)，沿程水頭損失的規(guī)律不同 （3）任何實際液體的流動，都有層流和紊流兩種不同的流動形態(tài)）任何實際液體的流動，都有層流和紊流兩種不同的流動形態(tài) 5.2.2 5.2.2 沿程水頭損失與流速的關(guān)系沿程水頭損失與流速的關(guān)系kv：上臨界流速kv：下臨界流速5.2.3 5.2.3 液流型態(tài)的判別液流型態(tài)的判別雷諾數(shù)：雷諾數(shù)：RRe層層 流：流： ReRek 圓管中恒定流動的流態(tài)轉(zhuǎn)化僅取決于雷諾數(shù)圓管中恒定流動的流態(tài)轉(zhuǎn)化僅取決于雷諾數(shù)明渠流明渠流-580-580下臨界雷諾數(shù)：管流下臨界雷諾數(shù)：管流- 23202320上臨界雷

15、諾數(shù)上臨界雷諾數(shù)：表示超過此雷諾數(shù)的流動必為紊流，它很不確定，跨越一個較：表示超過此雷諾數(shù)的流動必為紊流，它很不確定，跨越一個較大的取值范圍。大的取值范圍。下臨界雷諾數(shù)下臨界雷諾數(shù)：具有實際意義，表示低于此雷諾數(shù)的流動必為層流，又確定的：具有實際意義，表示低于此雷諾數(shù)的流動必為層流，又確定的取值。取值。臨界雷諾數(shù)臨界雷諾數(shù)-圓管中恒定流動的流態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化時對應(yīng)的雷諾數(shù)。分為上臨界雷諾圓管中恒定流動的流態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化時對應(yīng)的雷諾數(shù)。分為上臨界雷諾數(shù)和下臨界雷諾數(shù)數(shù)和下臨界雷諾數(shù)紊流的形成紊流的形成(1)切應(yīng)力形成力矩，產(chǎn)生渦體的傾向切應(yīng)力形成力矩，產(chǎn)生渦體的傾向(2)局部流速和壓強的重新調(diào)整，產(chǎn)生橫向

16、壓力局部流速和壓強的重新調(diào)整，產(chǎn)生橫向壓力(3)橫向壓力波幅加大橫向壓力波幅加大(4)在橫向壓力和切應(yīng)力的綜合作用下，形成旋轉(zhuǎn)的渦體在橫向壓力和切應(yīng)力的綜合作用下，形成旋轉(zhuǎn)的渦體(5)橫向升力有可能使渦體脫離該液層橫向升力有可能使渦體脫離該液層流動轉(zhuǎn)化過程的物理本質(zhì)流動轉(zhuǎn)化過程的物理本質(zhì)紊流的形成取決于兩紊流的形成取決于兩個條件個條件水流中存在渦體水流中存在渦體渦體能脫離原流層向周圍流層混摻渦體能脫離原流層向周圍流層混摻兩者缺一不可兩者缺一不可 從渦體的形成過程可知，實際液體即使處于層流狀態(tài)，形成渦體也總是從渦體的形成過程可知，實際液體即使處于層流狀態(tài)，形成渦體也總是不可避免的不可避免的 要使

17、渦體向周圍流層混摻，必須克服本層液體的粘性產(chǎn)生的阻擾作用。要使渦體向周圍流層混摻，必須克服本層液體的粘性產(chǎn)生的阻擾作用。 從力學(xué)角度看，渦體的升力取決于流速和渦體旋轉(zhuǎn)的速度，故可用水流從力學(xué)角度看，渦體的升力取決于流速和渦體旋轉(zhuǎn)的速度，故可用水流的慣性力表征；流層內(nèi)的阻抗作用可用水流的粘性力表征。的慣性力表征；流層內(nèi)的阻抗作用可用水流的粘性力表征。 流速越大，水流的慣性力越強，當(dāng)水流慣性力做大于粘性力作用時，渦流速越大，水流的慣性力越強，當(dāng)水流慣性力做大于粘性力作用時，渦體才能掙脫本流層的約束，進入相鄰流層實現(xiàn)摻混。體才能掙脫本流層的約束，進入相鄰流層實現(xiàn)摻混。 因此，水流的流態(tài)實質(zhì)上是水流慣

18、性力與粘性力作用處于一定對比關(guān)系因此，水流的流態(tài)實質(zhì)上是水流慣性力與粘性力作用處于一定對比關(guān)系時的表現(xiàn)。流態(tài)的轉(zhuǎn)換反映了水流中這兩種作用力的對比出現(xiàn)了本質(zhì)性改變時的表現(xiàn)。流態(tài)的轉(zhuǎn)換反映了水流中這兩種作用力的對比出現(xiàn)了本質(zhì)性改變。從力學(xué)實質(zhì)上看，雷諾數(shù)正是反映了慣性力作用和粘性力作用的對比關(guān)系從力學(xué)實質(zhì)上看，雷諾數(shù)正是反映了慣性力作用和粘性力作用的對比關(guān)系水流的慣性力與粘滯力之比水流的慣性力與粘滯力之比 222423vLTLTLLma慣性力 12duAvLLvLdy 粘性力22ReL vLvLv性力粘性力例例1 1：一有壓管道，：一有壓管道，A A斷面管徑斷面管徑d d=50mm,=50mm,油

19、的運動黏度油的運動黏度v= =5.16 10-6m2/ /s, , vA=0.103m/s,=0.103m/s,判別判別該處油該處油流流態(tài)？流流態(tài)？若若管徑沿程減小，管徑沿程減小，Re沿程如何變化？求沿程如何變化？求保持層流的最小管徑保持層流的最小管徑dm。 A A A A998ReAAdv故為層流。故為層流。dQ4Re 因因管徑沿程減小管徑沿程減小所以所以 雷諾數(shù)雷諾數(shù)Re則沿程增大。則沿程增大。解：解：Q= =0.0002m3/s，要保持層流須滿足：要保持層流須滿足：當(dāng)當(dāng)mdQ42000Re可得最小管徑可得最小管徑 dm=24.7mm5.3 圓管中的層流運動一、圓管層流運動一、圓管層流運動

20、 看作是由許多無限薄的同心圓筒層一個套一個地運動著看作是由許多無限薄的同心圓筒層一個套一個地運動著 每一圓筒層表面的切應(yīng)力都可按牛頓內(nèi)摩擦定律來計算每一圓筒層表面的切應(yīng)力都可按牛頓內(nèi)摩擦定律來計算xdudr1、流速分布、流速分布各圓筒層的流速隨半徑增加而遞減，即各圓筒層的流速隨半徑增加而遞減，即因為因為0drduxJrgJRg2積分積分24xgJurC 式中C為積分常數(shù) 00 xrru，說明：說明：圓管層流的流速是圓管層流的流速是拋物線型拋物線型分布分布2、管軸處流速管軸處流速2max04xgJur2204xgJurr當(dāng)當(dāng)xdudr代入代入邊界條件 4 4、沿程水頭損失、沿程水頭損失232fl

21、hvgd5 5、沿程水頭損失系數(shù)、沿程水頭損失系數(shù)Re64表明表明：在圓管層流中，沿程水頭損失與斷面平均流速的一次方成比例：在圓管層流中，沿程水頭損失與斷面平均流速的一次方成比例-與雷與雷諾試驗結(jié)果相同諾試驗結(jié)果相同表明表明：圓管層流中沿程阻力系數(shù)僅系雷諾數(shù)的函數(shù)，且與雷諾數(shù)成反比：圓管層流中沿程阻力系數(shù)僅系雷諾數(shù)的函數(shù)，且與雷諾數(shù)成反比3、斷面平均流速、斷面平均流速2max1322xAu dAgJvduArdrdA2gvRlhf242二、寬二、寬矩形明渠矩形明渠任意點任意點y處的切應(yīng)力處的切應(yīng)力hy10 xdudr且且積分，并考慮積分，并考慮y=0時，時，u=0，積分常數(shù)為，積分常數(shù)為022

22、2xgJuhyy說明：說明：寬矩形明渠層流的流速是寬矩形明渠層流的流速是拋物線型拋物線型分布分布1、流速分布、流速分布2、自由表面、自由表面處流速處流速2max2xgJuh3、沿程水頭損失沿程水頭損失23flhvgh4 4、沿程水頭損失系數(shù)、沿程水頭損失系數(shù)24Re 表明表明：沿程水頭損失與斷面平均流速的一次方成比例：沿程水頭損失與斷面平均流速的一次方成比例-與雷諾試驗結(jié)果相同與雷諾試驗結(jié)果相同表明表明：沿程阻力系數(shù)僅系雷諾數(shù)的函數(shù)，且與雷諾數(shù)成反比：沿程阻力系數(shù)僅系雷諾數(shù)的函數(shù)，且與雷諾數(shù)成反比5.4 紊流概述一、紊流的形成一、紊流的形成紊流的運動特征：紊流的運動特征：運動要素的脈動，渦體的

23、運動使得任一點的瞬時運動要素運動要素的脈動，渦體的運動使得任一點的瞬時運動要素( (如流速、壓強等如流速、壓強等) )隨時間發(fā)生波動的現(xiàn)象。隨時間發(fā)生波動的現(xiàn)象。紊流的結(jié)構(gòu)特征：紊流的結(jié)構(gòu)特征：紊流是由大小不同、旋轉(zhuǎn)強度各異的渦體組成，除沿邊界紊流是由大小不同、旋轉(zhuǎn)強度各異的渦體組成，除沿邊界約束的總流方向運動外，渦體不停的震蕩、分解、組合，處處都有不同流層約束的總流方向運動外，渦體不停的震蕩、分解、組合，處處都有不同流層質(zhì)點間的相互混摻、碰撞質(zhì)點間的相互混摻、碰撞 運動要素的脈動是質(zhì)點相互混摻、碰撞作用導(dǎo)致的結(jié)果，是紊流運動要素的脈動是質(zhì)點相互混摻、碰撞作用導(dǎo)致的結(jié)果，是紊流的運動特征。的運

24、動特征。 各運動要素都存在相似的脈動現(xiàn)象和統(tǒng)計規(guī)律各運動要素都存在相似的脈動現(xiàn)象和統(tǒng)計規(guī)律二、紊流的脈動二、紊流的脈動 若取一足夠長的時間過程若取一足夠長的時間過程T T，在此時間過程中的時間平均流速，在此時間過程中的時間平均流速 脈動流速：脈動流速： 建立了時間平均的概念，可用分析水流運動規(guī)律的方法分析紊流運動建立了時間平均的概念，可用分析水流運動規(guī)律的方法分析紊流運動 瞬時流速與時間平均流速的差值瞬時流速與時間平均流速的差值 所以所以 TxxdtuTu01xxxuuuxxxuuu脈動流速時間平均總是等于零的脈動流速時間平均總是等于零的 010dtuTuTxx三、紊流附加切應(yīng)力三、紊流附加切

25、應(yīng)力1 12 21 1由相鄰兩流層間時間平均流速相對運動所產(chǎn)生的粘滯切應(yīng)力由相鄰兩流層間時間平均流速相對運動所產(chǎn)生的粘滯切應(yīng)力-按牛頓內(nèi)摩按牛頓內(nèi)摩擦定律計算擦定律計算2 2 由脈動流速所產(chǎn)生的附加切應(yīng)力由脈動流速所產(chǎn)生的附加切應(yīng)力紊流總切應(yīng)力紊流總切應(yīng)力2221dyduldyduxx四、邊界粗糙度對紊流的影響四、邊界粗糙度對紊流的影響 0 0 在紊流中，緊靠固體邊界附近的地方，因脈動流速很小，由脈動流速產(chǎn)生在紊流中，緊靠固體邊界附近的地方，因脈動流速很小，由脈動流速產(chǎn)生的附加切應(yīng)力也很小，而流速梯度卻很大，所以粘滯切應(yīng)力起主導(dǎo)作用，其流的附加切應(yīng)力也很小，而流速梯度卻很大，所以粘滯切應(yīng)力起主

26、導(dǎo)作用，其流態(tài)基本上屬層流。該層流層叫態(tài)基本上屬層流。該層流層叫粘性底層粘性底層。在粘性底層以外的液流才是紊流。在粘性底層以外的液流才是紊流粘性底層對紊流粘性底層對紊流沿程阻力的規(guī)律沿程阻力的規(guī)律有重大意義有重大意義粘性底層的厚度粘性底層的厚度*06 .11uuN0*uRe8 .320d為了研究粘性的特點，引入摩阻流速為了研究粘性的特點，引入摩阻流速說明粘性底層厚度隨雷諾數(shù)增大而減小說明粘性底層厚度隨雷諾數(shù)增大而減小它具有流速的量綱，反映了邊界摩阻作用對流速的影響它具有流速的量綱，反映了邊界摩阻作用對流速的影響*8uv根據(jù)粘性底層的特點和尼古拉茲試驗根據(jù)粘性底層的特點和尼古拉茲試驗（管道）（管

27、道）032.8ReR（明渠）（明渠）絕對粗糙度絕對粗糙度固體邊界粗糙表面的突出高度，常用表示固體邊界粗糙表面的突出高度，常用表示水力光滑面水力光滑面當(dāng)當(dāng)ReRe較小時較小時o o 可以大于若干倍凸出高度完全淹沒在粘性底層之中粗糙度對紊流不起可以大于若干倍凸出高度完全淹沒在粘性底層之中粗糙度對紊流不起任何作用，邊壁對水流的阻力，主要是粘性底層的粘滯阻力。任何作用，邊壁對水流的阻力，主要是粘性底層的粘滯阻力。3 . 00從實際效果，紊流邊界可看作光滑的粘性底層上界面從實際效果，紊流邊界可看作光滑的粘性底層上界面水力光滑區(qū)水力光滑區(qū)粘性底層極薄，粘性底層極薄，o o 可以小于若干倍。邊壁的粗糙度對紊

28、流已起主要作用。可以小于若干倍。邊壁的粗糙度對紊流已起主要作用。紊流流核繞過凸出高度時將形成小漩渦。邊壁對水流的阻力主要是由這些小漩紊流流核繞過凸出高度時將形成小漩渦。邊壁對水流的阻力主要是由這些小漩渦造成的，而粘性底層的粘滯力只占次要地位，與前者相比，幾乎可以忽略不渦造成的，而粘性底層的粘滯力只占次要地位，與前者相比，幾乎可以忽略不計。計。水力粗糙面水力粗糙面當(dāng)當(dāng)ReRe較大時較大時60 粘性底層已不足以完全掩蓋住邊壁粗糙度的影響，但粗糙度還沒粘性底層已不足以完全掩蓋住邊壁粗糙度的影響，但粗糙度還沒有起決定性作用，有起決定性作用，過渡粗糙面過渡粗糙面介于以上兩者之間的情況介于以上兩者之間的情

29、況63 . 00五、紊流流速分布五、紊流流速分布1、指數(shù)公式、指數(shù)公式指數(shù)n 與雷諾數(shù) Re 有關(guān) 當(dāng)Re105 時，n=1/8,1/9,1/10等，可獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果nmxryuu02、對數(shù)公式、對數(shù)公式將將 代入代入,得得 可知可知：紊流時過水?dāng)嗝嫔系牧魉偈前磳?shù)規(guī)律分布的，比層流時按拋物線分布：紊流時過水?dāng)嗝嫔系牧魉偈前磳?shù)規(guī)律分布的，比層流時按拋物線分布要均勻得多要均勻得多原因原因: :紊流時由于液體質(zhì)點的混摻作用，動量發(fā)生交換紊流時由于液體質(zhì)點的混摻作用，動量發(fā)生交換, ,使流速分布均勻化使流速分布均勻化C為積分常數(shù)為積分常數(shù) 尼古拉茲尼古拉茲 光滑管光滑管 粗糙管粗糙管Cyuuxl

30、n*4 . 0Cyuuxln75. 5*2.5ln5.5xuu yu*2.5ln8.5xuyu相對粗糙度相對粗糙度-砂粒直徑砂粒直徑r r0 0-管道半徑管道半徑相對光滑相對光滑度度不同粒徑的人工不同粒徑的人工砂粘貼在不同直砂粘貼在不同直徑的管道的內(nèi)壁徑的管道的內(nèi)壁用不同的流速進行試驗用不同的流速進行試驗5.5 沿程水頭損失系數(shù)沿程水頭損失系數(shù)的變化規(guī)律的變化規(guī)律一、尼古拉茲實驗一、尼古拉茲實驗0r0r層流層流-Re64紊流紊流-尚無求沿程水頭損失系數(shù)的理論公式尚無求沿程水頭損失系數(shù)的理論公式反映了圓管流動的全部情況Re3f Re6404,Refr05fr1.1.層流區(qū)層流區(qū)(Re2000)(

31、Re2000): :2.2.過渡區(qū)過渡區(qū)(2000Re4000)(2000Re4000)(Re4000): :紊流光滑區(qū)紊流光滑區(qū)(Re(Re較小較小) ): :紊流過渡區(qū)紊流過渡區(qū): :紊流粗糙區(qū)紊流粗糙區(qū): :Re64Re2fRe3f 04,Refr05fr（3.513.51）（3.54）二、實用管道試驗研究二、實用管道試驗研究莫迪莫迪(Moody)(Moody)圖：工業(yè)用各種不同相對粗糙度的圓管圖：工業(yè)用各種不同相對粗糙度的圓管二、實用管道試驗研究二、實用管道試驗研究莫迪莫迪(Moody)(Moody)圖：工業(yè)用各種不同相對粗糙度的圓管圖：工業(yè)用各種不同相對粗糙度的圓管小結(jié)小結(jié)層流層流紊

32、流紊流流動特征流動特征判別標(biāo)準(zhǔn)判別標(biāo)準(zhǔn)流速分布流速分布管流管流Re2000Re2000明渠流明渠流Re500Re2000Re2000明渠流明渠流Re500Re500質(zhì)點運動互不混質(zhì)點運動互不混摻摻, ,作規(guī)則線狀運作規(guī)則線狀運動動質(zhì)點運動相互混摻質(zhì)點運動相互混摻, ,作作不規(guī)則紊亂運動不規(guī)則紊亂運動, ,運動運動要素具有脈動現(xiàn)象要素具有脈動現(xiàn)象呈拋物線分布呈拋物線分布, ,沿沿垂線分布不均勻垂線分布不均勻呈對數(shù)或指數(shù)分布呈對數(shù)或指數(shù)分布, ,沿沿垂線分布較均勻垂線分布較均勻主要作用力主要作用力粘滯力粘滯力( (流層間作流層間作用的切向應(yīng)力為用的切向應(yīng)力為粘滯切應(yīng)力粘滯切應(yīng)力) )慣性力慣性力(

33、 (流層間作用的流層間作用的切向應(yīng)力為粘滯切應(yīng)力切向應(yīng)力為粘滯切應(yīng)力和紊動附加切應(yīng)力之和和紊動附加切應(yīng)力之和) )1.1.層流區(qū)層流區(qū)2.2.紊流區(qū)紊流區(qū)紊流光滑區(qū)紊流光滑區(qū)紊流過渡區(qū)紊流過渡區(qū)紊流粗糙區(qū)紊流粗糙區(qū)的變化規(guī)律的變化規(guī)律hf與與v的關(guān)系的關(guān)系與與ReRe和壁面相對粗糙度和壁面相對粗糙度有關(guān)有關(guān)與與ReRe無關(guān)無關(guān)64Re 1 vhf0.250.3164Re 75. 1 vhf0 . 275. 1vhf0 . 2 vhf24Re 5.6 計算沿程水頭損失的經(jīng)驗公式計算沿程水頭損失的經(jīng)驗公式明渠流動沿程水頭損失的表達、計算都用水力半徑明渠流動沿程水頭損失的表達、計算都用水力半徑R R

34、謝才公式謝才公式:RJCv 1769年C-C-謝才系數(shù)謝才系數(shù), ,單位為單位為：m m1/21/2s sR-R-為水力半徑為水力半徑J-J-為水力坡度為水力坡度計算均勻流的經(jīng)驗公式計算均勻流的經(jīng)驗公式根據(jù)謝才公式根據(jù)謝才公式gvRlCgRClvJlhf2482222說明說明8g/C8g/C2 2相當(dāng)于我們定義的相當(dāng)于我們定義的，并無實質(zhì)上的區(qū)別，正因為，并無實質(zhì)上的區(qū)別，正因為如此，謝才公式也常用于有壓管道的均勻流動如此，謝才公式也常用于有壓管道的均勻流動即即達西公式達西公式gC8gvdlfh22適用適用：紊流阻力平方區(qū)紊流阻力平方區(qū)可應(yīng)用于明渠也可應(yīng)用于管流可應(yīng)用于明渠也可應(yīng)用于管流(1)

35、曼寧公式曼寧公式：n為粗糙系數(shù)，簡稱糙率為粗糙系數(shù)，簡稱糙率611RnC 21321JRnv 使用謝齊公式要注意兩點使用謝齊公式要注意兩點: :謝齊系數(shù)是有量綱的謝齊系數(shù)是有量綱的; ;確定謝齊系數(shù)的經(jīng)驗公確定謝齊系數(shù)的經(jīng)驗公式主要依據(jù)來自紊流粗糙區(qū)的資料式主要依據(jù)來自紊流粗糙區(qū)的資料常用(2)巴浦洛夫斯基公式巴浦洛夫斯基公式：1925年年10. 075. 013. 05 . 2nRnyny5 . 11.0mR時，當(dāng)ny3 . 11.0mR時，當(dāng)適用范圍適用范圍0.04n0.011 3.0mR0.1m，yRnC1近似計算時近似計算時 壁面種類及狀況771/n特別光滑的黃銅管、玻璃管、涂有琺瑯質(zhì)

36、或其他釉料的表面精致水泥漿抹面，安裝及連接良好的新制的清潔鑄鐵管及鋼管，精刨木板。很好地安裝的未刨木板，正常情況下無顯著水銹的給水管，非常清潔的排水管，最光滑的混凝土面。良好的磚砌體，正常情況的排水管，略有積污的給水管。積污的給水管和排水管，中等情況下渠道的混凝土砌面。良好的塊石圬工，舊的磚砌體，比較粗制的混凝土砌面，特別光滑、仔細開挖的巖石面。堅實粘土的渠道，不密實淤泥層(有的地方是中斷的)覆蓋的黃土、礫石及泥土的渠道，良好養(yǎng)護情況下的大土渠。良好的干砌圬工，中等養(yǎng)護情況的土渠，情況極良好的天然河流(河床清潔、順直、水流暢通、無塌岸及深潭)。養(yǎng)護情況在中等標(biāo)準(zhǔn)以下的土渠。情況比較不良的土渠(

37、如部分渠底有水草、卵石或礫石，部分邊坡崩塌等)，水流條件良好的天然河流。情況特別壞的渠道(有不少深潭及塌岸蘆葦叢生，渠底有大石及密生的樹根等)，過水條件差、石子及水草數(shù)量增加、有深潭及淺灘等的彎曲河道 0.009 0.011 0.012 0.013 0.014 0.017 0.0225 0.025 0.0275 0.030 0.040 111 90.9 83.3 76.9 71.4 58.8 44.4 40.0 36.4 33.3 25.0 表 3.2 粗糙系數(shù)n值5.7 局部水頭損失根據(jù)能量方程根據(jù)能量方程認為邊界突變造成的能量損失全部產(chǎn)生在認為邊界突變造成的能量損失全部產(chǎn)生在1-1,2-2

38、斷面之間斷面之間,不再考慮沿程損失不再考慮沿程損失一、圓管突然擴大一、圓管突然擴大 如圖為一突然擴大的圓管，管的斷面從如圖為一突然擴大的圓管，管的斷面從A A1 1突然擴大至突然擴大至A A2 2 ，液流自小斷面進，液流自小斷面進入大斷面時，流股脫離固體邊界，四周形成漩渦，然后流股逐漸擴大，約經(jīng)距入大斷面時，流股脫離固體邊界，四周形成漩渦，然后流股逐漸擴大，約經(jīng)距離離(5(58)d8)d2 2 以后才與大斷面吻合。以后才與大斷面吻合。在斷面在斷面1 11 1及及2 22 2處的水流均處的水流均為漸變流，可寫出能量方程式為漸變流，可寫出能量方程式 由于由于1 11 1和和2 22 2兩斷面之間的

39、距離很短，沿程水頭損失可以略去不計，兩斷面之間的距離很短，沿程水頭損失可以略去不計，即即 h hw w= = h hj j，則上式可寫作，則上式可寫作上式中上式中p p1 1及及p p2 2是未知的是未知的應(yīng)用動量定律應(yīng)用動量定律可得可得突然擴大的局部水頭損失的突然擴大的局部水頭損失的理論公式理論公式11222122221vvQzzgAApApgvvhj2221gvgvgpzgpzhj2222221122111221AvAv gvgvAAhj22122122212因為因為或或2112AvAv gvgvAAhj22121221221突然擴大的局部水頭損失系數(shù)突然擴大的局部水頭損失系數(shù)21211A

40、A22121AAgvhj22一般公式一般公式 為發(fā)生局部水頭損失以后為發(fā)生局部水頭損失以后( (或以前或以前) )的斷面平均流速。的斷面平均流速。 查資料時應(yīng)特別注意，某些資料時常注明相應(yīng)的流速的位置。查資料時應(yīng)特別注意，某些資料時常注明相應(yīng)的流速的位置。局部阻力系數(shù)局部阻力系數(shù), ,由試驗測由試驗測定定試求：試求： (1)(1)沿程水頭損失沿程水頭損失h hf f； (2)(2)局部水頭總損失局部水頭總損失h hj j； (3)(3)要保持流量要保持流量Q Q為為25000cm25000cm3 3s s所需要的水頭所需要的水頭H H。2 2、雷諾數(shù)的物理意義是怎樣的？、雷諾數(shù)的物理意義是怎樣

41、的？1 1、兩根不同管徑的管道，通過不同粘性的液體，它們的臨界雷諾數(shù)、兩根不同管徑的管道，通過不同粘性的液體，它們的臨界雷諾數(shù)是否相同？是否相同？4 4、若流量不變，管徑逐漸增大，則雷諾數(shù)沿程如何變化？、若流量不變，管徑逐漸增大，則雷諾數(shù)沿程如何變化？3 3、用下臨界雷諾數(shù)還是上臨界雷諾數(shù)判別流態(tài)，為什么？、用下臨界雷諾數(shù)還是上臨界雷諾數(shù)判別流態(tài)，為什么？5 5、若管徑不變，流量隨時間增加，則雷諾數(shù)隨時間如何變化？、若管徑不變，流量隨時間增加，則雷諾數(shù)隨時間如何變化？選擇選擇: :有有A A、B B二種截面管道，截面二種截面管道，截面A A為正方形為正方形, ,邊長為邊長為a,a,截面截面B

42、B為圓形為圓形, ,直徑為直徑為a.a.已已知二管長度相同，通過流量相同，沿程水頭損失系數(shù)相同，則二管道的沿程水知二管長度相同，通過流量相同，沿程水頭損失系數(shù)相同，則二管道的沿程水頭損失頭損失 fBfAhhfBfAhhfBfAhh 1 1 2 2 3 4 4 尚不能確定大小。尚不能確定大小。水平放置和傾斜放置管道水平放置和傾斜放置管道選擇選擇: :有有A A、B B二根管道，各布置了兩根測壓管，在管長、管徑、通過的流量、水二根管道，各布置了兩根測壓管，在管長、管徑、通過的流量、水溫均相同的情況下，但溫均相同的情況下，但A A管的測壓管水面差大于管的測壓管水面差大于B B管的測壓管水面差。則二管

43、道管的測壓管水面差。則二管道糙率的關(guān)系為糙率的關(guān)系為 BAnn BAnn BAnn 1 1 2 2 3 4 4 尚不能確定大小。尚不能確定大小。水平放置和傾斜放置管道水平放置和傾斜放置管道3 31 1 水頭損失的物理概念及其分類水頭損失的物理概念及其分類3 32 2 液流邊界幾何條件對水頭損失的影響液流邊界幾何條件對水頭損失的影響3 33 3 均勻流沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系均勻流沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系3 34 4 液體運動的兩種型態(tài)液體運動的兩種型態(tài) 3 35 5 圓管中的層流運動及其沿程水頭損失的圓管中的層流運動及其沿程水頭損失的 計算計算3. 6 3. 6 紊流的特征紊流的特征3 37 7 沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律3 38 8 計算沿程水頭損失的經(jīng)驗公式計算沿程水頭損失的經(jīng)驗公式-謝齊公式謝齊公式 3 39 9 局部水頭損