水流形態(tài)與水頭損失學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1水流形態(tài)水流形態(tài)(xngti)與水頭損失與水頭損失第一頁，共35頁。3.水頭(shutu)損失的概念： 總流單位重量液體的平均機械能損失二.水頭(shutu)損失的類型 根據(jù)邊界條件的不同(b tn)，可以把水頭損失分為兩類：1.沿程水頭損失 ：對于平順的邊界，水頭損失與流程成正比；fh第2頁/共35頁第二頁，共35頁。水力學(xué)2.局部水頭損失 ：由于(yuy)局部邊界急劇改變，導(dǎo)致水流結(jié)構(gòu)改變、流速分布調(diào)整并產(chǎn)生旋渦區(qū)，從而引起的水頭損失 3.特征：（1）沿程水頭損失：均勻分布在流段與流段長度成正比。（2）局部水頭損失：僅存在于局部區(qū)域與邊界變化程度（形狀）有關(guān)。jh第3頁/共35頁第

2、三頁，共35頁。 4.對于在某個流程上運動的液體，它的總水頭損失hw遵循疊加原理即 5.為了反映過流斷面面積和濕周對水流阻力和水頭損失的綜合影響，我們引入水力半徑的概念，即水力半徑是水力學(xué)中應(yīng)用廣泛的重要(zhngyo)的水力要素。 水力學(xué)wfjhhh AR第4頁/共35頁第四頁，共35頁。圖2-局部水頭(shutu)損失第5頁/共35頁第五頁，共35頁。水力學(xué)圖1-水頭(shutu)損失第6頁/共35頁第六頁，共35頁。 三.均勻流沿程水頭損失(snsh)的基本公式達西公式水力學(xué)1.均勻流中只存在沿程水頭損失，它有兩個特點：一是所消耗(xioho)的能量全部由勢能轉(zhuǎn)化來的，二是每單位長度上的

3、水頭損失J（也稱為水力坡度J=hf/l）是沿程不變的。2.均勻流的切應(yīng)力分布規(guī)律： 液體內(nèi)部切應(yīng)力 =RJ 邊界上切應(yīng)力 0=RJ 第7頁/共35頁第七頁，共35頁。式當(dāng)、J為定值，切應(yīng)力(yngl)與R成正比，也就是說邊界上的切應(yīng)力(yngl)為最大。管壁(un b)處的切應(yīng)力為 20g3.均勻(jnyn)流沿程水頭損失的計算基本公式為達西公式242flhRg第8頁/共35頁第八頁，共35頁。畢業(yè)答辯水力學(xué)對于(duy)圓管 ，則 4dR 22flhdg上式建立了沿程水頭損失hf與流速、流段長、邊界幾何特征R和沿程阻力(zl)系數(shù)之間的關(guān)系。是計算沿程水頭損失重要的參數(shù)。沿程水頭損失系數(shù)與液

4、體的流動型態(tài)和邊界的粗糙程度密切相關(guān)。第9頁/共35頁第九頁，共35頁。水力學(xué) 五.液體(yt)流動的兩種型態(tài)和流態(tài)的判別1.雷諾實驗(shyn) 1883年英國科學(xué)家雷諾，通過實驗發(fā)現(xiàn)液體(yt)在流動中存在兩種內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全不同的流態(tài)：層流和紊流。 （1）層流 當(dāng)流速較小時，各流層質(zhì)點互不混雜，這種型態(tài)的流動叫層流。第10頁/共35頁第十頁，共35頁。 水力學(xué)（2）紊流 當(dāng)流速較大時，各流層質(zhì)點形成渦體互相(h xing)混摻，這種型態(tài)的流動叫做紊流。第11頁/共35頁第十一頁，共35頁。水力學(xué)2.水流(shuli)流動型態(tài)的判別雷諾數(shù)Re作為判據(jù)的 同時發(fā)現(xiàn)，層流(cn li)的沿程水頭損

5、失hf與流速一次方成正比，紊流的hf與流速的1.752.0次方成正比；在層流(cn li)與紊流之間存在過渡區(qū)，hf與流速的變化規(guī)律不明確。對于(duy)明渠水流ReRv 第12頁/共35頁第十二頁，共35頁。明渠水流(shuli)臨界雷諾數(shù)Rek=500。當(dāng)Re500為層流， Re500為紊流。對于(duy)圓管水流Redv 圓管水流(shuli)臨界雷諾數(shù)Rek=2000。當(dāng)Re2000為層流， Re2000為紊流。3.雷諾 數(shù)的實質(zhì) 從力學(xué)的角度看，雷諾數(shù)就是慣性力作用與粘滯力作用的對比關(guān)系。當(dāng)Re較小時，第13頁/共35頁第十三頁，共35頁。水力學(xué)說明(shumng)粘滯力占主導(dǎo)，液體

6、為層流；反之則為紊流。例題1管道直徑 d = 10 mm，通過流量 Q = 20 cm3/s，運動粘度 = 0.0101cm2/s。問管中水流(shuli)流態(tài)屬層流還是紊流？若將直徑改為 d = 30 mm，水溫、流量不變，問管中水流(shuli)屬何種流態(tài)？ 解：（1）2025.480.785 1 1QcmsA 第14頁/共35頁第十四頁，共35頁。水力學(xué)紊流200025230101. 0148.25dRescmAQ83. 23785. 0202層流200059.8400101. 0383. 2dRe（2）當(dāng)直徑(zhjng)改為30mm時第15頁/共35頁第十五頁，共35頁。水力學(xué) 五.

7、 圓管層流運動和沿程水頭(shutu)損失 圓管層流運動(yndng)可以應(yīng)用牛頓內(nèi)摩擦定律表達式和均勻流內(nèi)切應(yīng)力表達式，通過積分求出過水?dāng)嗝嫔系牧魉俜植紴閽佄镄头植?。最大流?li s)在管軸線處第16頁/共35頁第十六頁，共35頁。斷面平均(pngjn)流速沿程水頭(shutu)損失沿程阻力(zl)系數(shù)水力學(xué)第17頁/共35頁第十七頁，共35頁。水力學(xué) 六. 沿程水頭(shutu)損失系數(shù)的變化規(guī)律 尼庫拉茲為探討紊流沿程阻力的計算公式，用不同粒徑的人工砂粘貼在不同直徑的管道的內(nèi)壁上，用不同的流速進行一系列試驗。尼古拉茲通過大量實驗，發(fā)現(xiàn)沿程阻力系數(shù)在層流(cn li)和紊流三個不同流區(qū)內(nèi)

8、的變化規(guī)律，從而為確定值，進而計算紊流各流區(qū)的沿程水頭損失hf提供了可應(yīng)用的方法。1.層流(cn li)狀態(tài)時，圓管的 與理論公式相一致，說明層流(cn li)的僅是Re的函數(shù)，而且水頭64Re第18頁/共35頁第十八頁，共35頁。水力學(xué)圖3-尼古拉茲沿程阻力系數(shù)(xsh)與雷諾數(shù)關(guān)系曲線第19頁/共35頁第十九頁，共35頁。損失hf與流速(li s)v的一次方成正比，與雷諾實驗的結(jié)果相一致。2.當(dāng)2000Re4000時，過渡區(qū)僅與Re有關(guān)(yugun)，而與相對光滑度無關(guān)。 3.紊流狀態(tài)：（1）紊流光滑(gung hu)區(qū)：類似于層流，只與Re有關(guān)而與相對粗糙度/r0無關(guān)， 。75. 1fh

9、第20頁/共35頁第二十頁，共35頁。水力學(xué) （2）紊流粗糙(cco)區(qū)：與Re無關(guān)，只與相對粗糙(cco)度/r0有關(guān) ， ，所以紊流粗糙(cco)又稱為阻力平方區(qū)。 2 0fh.（3）紊流過渡(gud)區(qū) ：既與Re有關(guān)，也與有關(guān)， 。 0275. 1。fh七. 沿程水頭損失(snsh)經(jīng)驗公式謝才公式C RJ第21頁/共35頁第二十一頁，共35頁。水力學(xué) C是反映邊界對液體運動影響的綜合系數(shù)(xsh)，稱為舍齊系數(shù)(xsh)，單位：m1/2/s 。曼寧公式(gngsh) 謝才公式適用(shyng)紊流阻力平方區(qū)。第22頁/共35頁第二十二頁，共35頁。水力學(xué)七. 局部水頭(shutu)損

10、失的計算1.局部(jb)水頭損失產(chǎn)生的原因 局部水頭損失產(chǎn)生于邊界發(fā)生明顯改變的地方，使水流形態(tài)發(fā)生了很大的變化。其特點(tdin)為能耗大、能耗集中而且主要為旋渦紊動損失。 2.局部水頭損失計算公式22hjg第23頁/共35頁第二十三頁，共35頁。突然擴大突然縮小閘閥三通匯流管道彎頭管道進口分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)第24頁/共35頁第二十四頁，共35頁。水力學(xué) 局部水頭損失的計算在于正確選擇局部水頭損失系數(shù)，但注意對應(yīng)(duyng)的流速水頭。 例題2 測定90彎管局部水頭損失系數(shù)的試驗裝置如圖示。已知AB段 長10 m ，管徑d0.05m，彎管曲率半徑Rd，管段沿程水力摩

11、擦系數(shù)0.0264，實測AB管段兩端測壓管水頭差h0.63m，100秒鐘流入量水箱(shuxing)的水體積為0.28m3，試求彎管內(nèi)的流速、沿程水頭損失和局部水頭損失系數(shù)。 第25頁/共35頁第二十五頁，共35頁。水力學(xué)解：（1）先求彎管(wn un)內(nèi)的流速： 水h A B 20.280.0510041.43QVAtAm s第26頁/共35頁第二十六頁，共35頁。水力學(xué)（2）再求沿程水頭(shutu)損失，由達西公式得：mgdlhf55. 08 . 9243. 105. 0100264. 0222（3）最后求局部(jb)水頭損失系數(shù)： mhhhhjfw63.0mhhhfj08. 055.

12、063. 0第27頁/共35頁第二十七頁，共35頁。水力學(xué)22jhg2222 9.8 0.080.771.43jgh因為(yn wi)所以(suy)例題3 如圖所示，水從A池流入B池，管道(gundo)長L=25m，管徑d=2.5cm，管道(gundo)的沿程水頭損失系數(shù)=0.03，當(dāng)兩水池的水位差H=2m， 第28頁/共35頁第二十八頁，共35頁。管道(gundo)的流量是多少？管道(gundo)內(nèi)的糙率n是多少？ 9010.5)aaRd彎管（），閘板式閘門（第29頁/共35頁第二十九頁，共35頁。解：“三選”如圖所示。列AA和BB斷面(dun min)的能量方程， 0.50.82.061.

13、0進出彎閥，wBBBAAAhgpzgpz22222222225(0.030.50.82.06)0.252LHdggg 第30頁/共35頁第三十頁，共35頁。2231211662 6.362.4820.785 0.25 2.48 0.1288 9.851.120.03110.25()0.012351.124msgQ Am sgCm snRC則 流 量 為第31頁/共35頁第三十一頁，共35頁。本章(bn zhn)小結(jié) 1產(chǎn)生水頭損失的原因有兩個方面：一是水流邊界的幾何條件，叫外因；二是水流自身具有黏滯性，叫內(nèi)因，但產(chǎn)生水流的根本原因是水流具有黏滯性。 2水流型態(tài)的判別用和之比來(bli)進行，當(dāng)水流的時，為紊流；當(dāng)時，為層流。流態(tài)不同，水頭損失的規(guī)律也不同