水力學系統(tǒng)講義課件第五章(1)-流動形態(tài)及水頭損失

1、第五章 液體的流動型態(tài)及水頭損失 5-1 水頭損失產(chǎn)生的原因及分類 5-2 均勻流中沿程水頭損失的計算公式 5-3 液體流動的兩種型態(tài)輸水管路系統(tǒng) 5-1 水頭損失產(chǎn)生的原因及分類產(chǎn)生原因：液體的粘滯性和液體質(zhì)點間的動量交換而引起的。 沿程水頭損失：在管徑沿程不變的直管段內(nèi)產(chǎn)生，記為hf，其大小和管長成比例。 產(chǎn)生原因：局部地區(qū)產(chǎn)生漩渦。漩渦的產(chǎn)生及維持，漩渦水體與主流之間的動量交換，漩渦間的碰撞與摩擦均需消耗能量而引起水頭損失。 局部水頭損失：在水流方向、斷面形狀和尺寸改變以及障礙處產(chǎn)生，記為hj。 過水斷面的形狀和尺寸對沿程水頭損失的影響 濕周：過水斷面上被液體濕潤的固體周界長度，記為。

2、結(jié)論：在同樣的流量，同樣的管材、管長、過水斷面積的前提下，濕周越小，沿程水頭損失越小。 過水斷面的形狀和尺寸對沿程水頭損失的影響 結(jié)論：不能單純用過水斷面積和濕周的大小反映過水斷面的形狀和尺寸對沿程水頭損失的影響。 水力半徑 過水斷面積A與濕周之比定義為水力半徑： 其他條件相同：水力半徑大者沿程水頭損失小。對于半徑為r或者直徑為d的圓形過水斷面，水力半徑為 綜合反映過水斷面積和濕周對沿程水頭損失的影響。對于底寬為b，水深為h，邊坡系數(shù)為m的梯形過水斷面渠道的水力半徑為 矩形過水斷面渠道的水力半徑，令m=0，則對于h/b1/10的寬矩形過水斷面渠道的水力半徑 5-2 均勻流中沿程水頭損失的計算公

3、式 圓管總流中取出長度為s的一段作為控制體，研究其平衡。假設流動是恒定的均勻流，且液體是不可壓縮的。 恒定流，沒有時間加速度；均勻流，沒有位移加速度，故該流動液體的全部加速度為零。 控制體上的表面力：動水總壓力；摩擦力 控制體上的質(zhì)量力：重力分量 動水總壓力摩擦力 重力分量 寫11和22斷面的能量方程式 圓管均勻流過水斷面上的切應力按直線規(guī)律分布，管壁處最大，管軸線處為零。 對于水力半徑為R的同心圓筒式元流，其元流表面的切應力為 由量綱分析我們可以得到切應力0為 均勻流情況下的沿程水頭損失公式 對于圓管 達西-威斯巴赫（Darcy-Weisbach）公式 例5.2.1 水流在直徑d=30cm的

4、圓管中流動時，在l=100管長上測得水頭損失hf=2m。試求：（1）管壁上的切應力0； （2）當沿程水頭損失系數(shù)=0.025時的斷面平均流 速v。 解：（1）0計算 （2）斷面平均流速計算 5-3 液體流動的兩種型態(tài) 雷諾實驗液流型態(tài)的判別雷諾數(shù)的物理意義5.3.1 雷諾實驗 實驗裝置上游是一個保持恒定水位的水箱，由側(cè)壁引出一根平直的玻璃管。水箱頂部放有一盛紅顏色水的容器，在其下用細管引入到水平玻璃管的入口處。兩個測壓管是為了測量沿程水頭損失。通過閥門K可以調(diào)節(jié)管中的流速。下游設有接水容器。 實驗操作及現(xiàn)象先將閥門K微微打開，在玻璃管中有一條平直的色線。再將閥門K逐漸開大，玻璃管中的流速就逐漸

5、增大，管中的色線開始顫動并彎曲，有波狀外形。當流速達到一定值時，色線完全破裂形成許許多多的小旋渦充滿整個玻璃管。當實驗以相反的程序進行時，則流動從紊流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鳌Ｓ晌闪鬓D(zhuǎn)變?yōu)閷恿鲿r的流速比由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鲿r的流速小。實驗結(jié)論1.同一種液體在同一個管道中流動，當流速不同時液體有兩種不同的運動型態(tài)：（1）層流：是指在流速較小時，液體質(zhì)點作有條不紊的直線運動，水流各層上的質(zhì)點互不摻混。（2）紊流（湍流）：是指在流速較大時，流層逐漸不穩(wěn)定，質(zhì)點相互摻混，液體質(zhì)點運動軌跡極不規(guī)則的流動。2.沿程水頭損失hf與平均流速的關系。 沿程水頭損失hf與平均流速的關系由1-1，2-2斷面的能量方程兩根測壓管中的水

6、位差就是1-1，2-2斷面間的水頭損失；通過下游容器可測量流量，進而可計算管中的斷面平均流速v。以lgv為橫坐標軸，以lghf為縱坐標軸。線段AC與水平軸的夾角為45；線段DE與水平軸的夾角在60156326之間。5.3.2 液流型態(tài)的判別 用顏色水觀察水流型態(tài)（可操作性差）用臨界流速判斷（缺乏普適性）實驗發(fā)現(xiàn)，采用無量綱雷諾數(shù)判斷液流型態(tài)更適合相應于下臨界流速 的雷諾數(shù)為下臨界雷諾數(shù) ；相應于上臨界流速 的雷諾數(shù)為上臨界雷諾數(shù) 。臨界雷諾數(shù)由于下臨界雷諾數(shù)比較穩(wěn)定，因此用下臨界雷諾數(shù)作為判斷液流型態(tài)的依據(jù)。下臨界雷諾數(shù)以上的液流總是紊流，下臨界雷諾數(shù)以下的液流總是層流。對于圓管中的流動，臨界雷諾數(shù)為對于明渠及天然河道中的流動，臨界雷諾數(shù)為5.3.3 雷諾數(shù)的物理意義 雷諾數(shù)表示作用在液流上的慣性力與粘性力的比值。紊流：雷諾數(shù)較大，作用在液流上的慣性力起主導作用，粘性力約束不住液流的質(zhì)點，液體質(zhì)點在慣性力的作用下互相摻混而呈紊流型態(tài)。層流：雷諾數(shù)較小，作用在液流上的粘性力起主導作用，粘性力約