水力學系統(tǒng)講義第四章-流動阻力和水頭損失

1、第四章流動形態(tài)及其水頭損失 4.1 流動阻力和水頭損失的分類流動阻力摩擦阻力： 流體有粘滯性和橫向流速梯度，產生摩擦阻力。壓差阻力： 局部地區(qū)固體邊界的形狀或大小有急劇改變，或有局部障礙，液流內部結構產生離解和漩渦，流線彎曲，流速分布改變，增加了液流的相對運動，產生壓差阻力。水頭損失沿程水頭損失hf ： 均勻流中，水流產生的阻力為摩擦阻力，能量損失為沿程水頭損失hf。局部水頭損失hj ： 非均勻流中，水流產生的阻力為摩擦阻力和壓差阻力，其產生的能量損失為局部水頭損失hj?？偹^損失：hw=hf+ hj摩擦阻力滯止離解壓差阻力慣性離解壓差阻力慣性離解壓差阻力4.2 實際液體流動的兩種形態(tài)4.2.

2、1 雷諾試驗4.2.2 流態(tài)的判別-雷諾數(shù)雷諾數(shù)：非圓形過水斷面下臨界雷諾數(shù)：管流上臨界雷諾數(shù)：管流下臨界雷諾數(shù)：Rec=2000非圓形過水斷面雷諾數(shù)：bh例41 有一圓形輸水管，直徑d為2.0cm，管中 水流的斷面平均流速為1m/s，水溫t= 15，試判別管中水流的型態(tài)。當通過石油時，若其他條件相同，問流態(tài)是層流還是紊流？（t= 15時，石油=0.6cm2/s,水=0.0114cm2/s）解：4.3 均勻流沿程水頭損失與切應力的關系4.3.1 沿程水頭損失與切應力的關系 在管道恒定均勻流中，取總流流段1-1到2-2，各作用力處于平衡狀態(tài)：F=0。OOz2z11122P1P200G作用于該總流

3、流段上的外力有：動水壓力： P1=p1A P2=p2A 重力：G=V= AL，在流動方向上的投影Gx=ALsin摩擦阻力：T=0A= 0 LOOz2z11122P1P200Gx寫出管軸方向的平衡方程：OOz2z11122P1P200Gx4.3.2 均勻流過水斷面上切應力的分布00r0r00r0ryu4.4 圓管中的層流運動4.4.1 圓管均勻層流的斷面流速分布4.4.2 圓管均勻層流的沿程水頭損失達西公式通用公式-層流紊流均適用 利用管徑d=75mm的管道輸送重油，如圖所示，已 知重油的重度油=8.83KN/m3，運動粘性系數(shù)油=0.9cm2/s，管軸上裝有畢托管，水銀面高差hp=20mm，求

4、重油每小時流量及每米長的沿程水頭損失。解：1、求流量：例4-2假設重油的流動為層流：2、求沿程水頭損失 2300 層流4.5 液體的紊流運動4.5.1 紊流的形成條件渦體的形成；形成后的渦體，脫離原來的流層或流束，摻入鄰近的流層或流束。層流與紊流的根本區(qū)別在于： 層流中各流層的流體質點，互不摻混，有比較規(guī)則的“瞬時流線”存在； 紊流中有大小不等的渦體震蕩于各流層之間，互相摻混。4.5.2 紊流脈動現(xiàn)象與時均化概念運動要素的脈動現(xiàn)象： 紊流中存在大量渦體，渦體沿各方向進行混摻、碰撞，使紊流中任何一個空間點上的運動要素（流速、壓強等）隨時間不斷在變化-紊流運動要素脈動。 運動要素的時均化處理：脈動

5、值說明：脈動值不能當作微量處理，有時可達到時均值的三分之一。脈動總是三維的，雖然主流是一維或二維的，但均產生三個方向的脈動速度。脈動是渦體互相摻混、交換的結果，不是流體分子的運動。注意：紊流恒定流-指時間平均的運動要素不隨時間而變化的流動。紊流非恒定流-指時間平均的運動要素隨時間而變化的流動。 恒定流、非恒定流、流線、流束、總流等-對紊流運動要素時均值而言。4.5.3 紊流中摩擦切應力計算 紊流中切應力=內摩擦切應力+附加切應力 內摩擦切應力-相鄰兩層時均速度相對運動所產生的粘滯切應力。附加切應力-脈動所產生。紊流附加切應力： （普朗特動量傳遞理論） 紊流各流層間存在相對運動，當流層間發(fā)生質點

6、混和時，因流速的不同（動量不同），導致質點橫向運動到新流層時，因動量的改變產生對新流層的附加切應力-紊流附加摩擦切應力（雷諾應力）。 4.5.4紊流中的層流底層與紊流核心 4.5.4.1 層流底層（粘性底層）： 緊靠固體邊界的地方，由于管壁及流體粘性的影響，流體質點流速小，流態(tài)屬于層流的流體層。 層流底層厚度-一般只有十分之幾毫米，最大只有幾毫米。 紊流核心： 粘性底層以外為紊流區(qū)，包括紊動充分發(fā)展的紊流流核區(qū)和紊流處于發(fā)展狀態(tài)的過渡層（厚度僅百分之幾厘米）。4.5.4.2 流道壁面的類型絕對粗糙度ks（）：將固體壁面上，粗糙體突出壁面的高度的平均值 。水力光滑管： 當層流底層的厚度0大于絕對

7、粗糙度ks，流體在平直的層流底層的外緣上滑動，象在光滑壁面上流動一向，邊壁對水流的阻力，主要是層流底層的粘滯力，這種管道稱為水力光滑管。水力粗糙管： 當層流底層的厚度0小于絕對粗糙度ks時，紊流流核繞過突出高度時，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，邊壁粗糙度起主要的作用，這種粗糙壁面的管道，稱為水力粗糙管。過渡粗糙管： 介于以上兩者之間的情況，層流底層的厚度不足以完全掩蓋住邊壁粗糙度的影響，但絕對粗糙度還沒有起決定性的作用，這種粗糙壁面的管道稱為過渡粗糙管。4.5.5 紊流的流速分布普朗特-卡門對數(shù)流速分布公式：水力光滑管區(qū)：水力粗糙管區(qū)：4.6 圓管中沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律 尼古拉茲實驗（實驗圖）-人工粗糙層流區(qū)：Re2300，=f(Re)，=64/Re，hf1.0流態(tài)過渡區(qū)：2300Re4000紊流光滑區(qū)： =f(Re)， hf1.75紊流過渡區(qū)： =f(Re，ks/d)， hf1.752.0紊流粗糙區(qū)：=f(ks/d)， hf2.0 舍維列夫公式（舊鋼管和鑄鐵管）：謝才公式（明渠）：謝才系數(shù)例43解：例44解：4.7 流動的局部水頭損失 局部水頭損失-發(fā)生在固體邊界的形狀或大小急劇改變的前后局部范圍內（非均勻流）。 局部損失主要用于維持漩渦運動，與邊界形狀有密切關系。對1-1、2-2斷面列伯努力方程：