課件第4章水流阻力和水頭損失

1、課件第4章水流阻力和水頭損失課件第4章水流阻力和水頭損失粘滯性和慣性物理性質(zhì)固體邊界固壁對流動的阻滯和擾動產(chǎn)生水流阻力損耗機(jī)械能hw水頭損失的原因產(chǎn)生損失的內(nèi)因產(chǎn)生損失的外因粘滯性和慣性物理性質(zhì)固體邊界固壁對流動的阻滯和擾動產(chǎn)生4.1流動阻力和水頭損失的分類及計(jì)算 一、分類摩擦阻力：在水流的方向、壁面的粗糙程度、過水?dāng)嗝娴男螤詈兔娣e均不變的均勻流段上，產(chǎn)生的流動阻力。沿程水頭損失：沿程阻力的影響造成液體流動過程中能量的損失或水頭損失。特點(diǎn)：均勻分布在整個均勻流段上，與管段的長度成正比。局部阻力：發(fā)生在流動邊界有急變的流域中，能量的損失主要集中在該流域及其附近流域。局部水頭損失：局部阻力造成的水

2、頭損失。特點(diǎn)：通常在管道的進(jìn)出口、變截面管道、管道的連接處等部位。沿程水頭損失局部水頭損失4.1流動阻力和水頭損失的分類及計(jì)算 一、分類摩擦阻力：在液體以下管道時的沿程損失包括四段：hf 1hf 2hf 3hf 4液體以下管道時的沿程損失包括四段：hf 1hf 2hf 3h 液體經(jīng)過時的局部損失包括五段：進(jìn)口、突然放大、突然縮小、彎管和閘門。 進(jìn)口突然放大突然縮小彎管閘門 液體經(jīng)過時的局部損失包括五段：進(jìn)口突然放大abcdabcd 4.2雷諾試驗(yàn)層流與紊流 工程實(shí)踐：流速較小，沿程損失與流速一次方成正比；流速較大，沿程損失與流速平方成正比。層流：在管中水流的方向沿著管道的軸線，管中的液體質(zhì)點(diǎn)均

3、保持直線運(yùn)動，水流層與層之間互不干擾。紊流：液體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡不規(guī)則，各層液體相互劇烈混合，產(chǎn)生隨機(jī)的脈動。 4.2雷諾試驗(yàn)層流與紊流 工程實(shí)踐：流速較小，沿程損雷諾試驗(yàn)裝置 顏色水hfl雷諾試驗(yàn)裝置 顏色水hfl顏色水hfl打開下游閥門，保持水箱水位穩(wěn)定顏色水hfl打開下游閥門，保持水箱水位穩(wěn)定顏色水hfl再打開顏色水開關(guān)，則紅色水流入管道層流：紅色水液層有條不紊地運(yùn)動， 紅色水和管道中液體水相互不混摻（實(shí)驗(yàn)）顏色水hfl再打開顏色水開關(guān)，則紅色水流入管道層流：紅色水液顏色水hfl下游閥門再打開一點(diǎn)，管道中流速增大紅色水開始顫動并彎曲，出現(xiàn)波形輪廓顏色水hfl下游閥門再打開一點(diǎn)，管道中流速增

4、大紅色水開始顫動 紅顏色水射出后，完全破裂，形成漩渦，擴(kuò)散至全管，使管中水流變成紅色水。 這一現(xiàn)象表明：液體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動中會形成渦體，各渦體相互混摻。顏色水hfl下游閥門再打開一點(diǎn)，管中流速繼續(xù)增大 紅顏色水射出后，完全破裂，形成漩渦，擴(kuò)散至全管，使管中水 實(shí)驗(yàn)時，結(jié)合觀察紅顏色水的流動，量測兩測壓管中的高差以及相應(yīng)流量，建立水頭損失hf 和管中流速v的試驗(yàn)關(guān)系，并點(diǎn)匯于雙對數(shù)坐標(biāo)紙上。顏色水hfl 實(shí)驗(yàn)時，結(jié)合觀察紅顏色水的流動，量測兩測顏色水hfl顏色水hfl 試驗(yàn)按照兩種順序進(jìn)行: (1) 流量增大 （2） 流量減小 試驗(yàn)結(jié)果如下圖所示。顏色水hfl 試驗(yàn)按照兩種順序進(jìn)行:BDAvCCvC6

5、0.363.445層流 過渡 紊流EBDAvCCvC60.363.445層流 過渡由層流轉(zhuǎn)化為紊流時的管中平均流速稱為上臨界流速。由紊流轉(zhuǎn)化為層流時的管中平均流速稱為下臨界流速。下臨界流速： 上臨界流速： 臨界流速指的是下臨界流速。為什么不是上臨界流速呢？由層流轉(zhuǎn)化為紊流時的管中平均流速稱為上臨界流速。由紊流轉(zhuǎn)化為二、流態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)臨界雷諾數(shù) 雷諾數(shù)為： 臨界雷諾數(shù)：對應(yīng)于臨界流速的雷諾數(shù)通常情況下，臨界雷諾數(shù)在2300附近，即 當(dāng)管中雷諾數(shù)小于臨界雷諾數(shù)時，管中流動處于層流狀態(tài)，反之則為紊流。二、流態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)臨界雷諾數(shù) 雷諾數(shù)為： 臨界雷諾數(shù)：對【例題】 管道直徑 100mm，輸送水的流量

6、 m3/s，水的運(yùn)動粘度 m2/s，求水在管中的流動狀態(tài)？若輸送 m2/s的石油，保持前一種情況下的流速不變，流動又是什么狀態(tài)？【解】 （1）雷諾數(shù) （m/s） 故水在管道中是紊流狀態(tài)?！纠}】 管道直徑 100mm，輸送水的流量 （2） 故油在管中是層流狀態(tài)。 （2） 故油在管中是層流狀態(tài)。4.3 均勻流基本方程沿程損失與切應(yīng)力的關(guān)系 作用于流束的外力 （1）兩端斷面上的動水 壓力為p1A 和p2A （2）側(cè)面上的切力（3）重力4.3 均勻流基本方程沿程損失與切應(yīng)力的關(guān)系 （3 流束的受力平衡方程 流束的受力平衡方程課件第4章水流阻力和水頭損失同理由能量方程均勻流基本方程同理由能量方程均勻流

7、基本方程圓管過流斷面上切應(yīng)力的分布圓管過流斷面上切應(yīng)力的分布4.4圓管中的層流運(yùn)動質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動特征：液體質(zhì)點(diǎn)是分層有條不紊、互不混雜地運(yùn)動著切應(yīng)力：流速分布：斷面平均流速：沿程水頭損失：沿程阻力系數(shù)：4.4圓管中的層流運(yùn)動質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動特征：液體質(zhì)點(diǎn)是分層有條不紊【例題】 圓管直徑 mm，管長 m，輸送運(yùn)動粘度 cm2/s的石油，流量 m3/h，求沿程損失?！窘狻?判別流動狀態(tài)為層流 式中 （m/s） （m 油柱） 【例題】 圓管直徑 mm，管長 【例題】 輸送潤滑油的管子直徑 8mm，管長 15m，如圖6-12所示。油的運(yùn)動粘度 m2/s，流量 12cm3/s，求油箱的水頭 （不計(jì)局部損失）。 圖示

8、潤滑油管路 （m/s） 雷諾數(shù) 為層流列截面1-1和2-2的伯努利方程【例題】 輸送潤滑油的管子直徑 8mm，管長 認(rèn)為油箱面積足夠大，取(m) ，則認(rèn)為油箱面積足夠大，取(m) ，則紊流形成過程的分析返回選定流層流速分布曲線干擾FFFFFFFFFFFFFFFF升力渦 體4-5 紊流運(yùn)動 紊流形成過程的分析返回選定流層流速分布曲線干擾FFFFF一、紊流的基本特征及時均法 時均法 紊流的基本特征是：在運(yùn)動過程中，質(zhì)點(diǎn)具有不斷的互相混雜現(xiàn)象。質(zhì)點(diǎn)的互相混雜使流區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的流速、壓強(qiáng)等運(yùn)動要素在數(shù)值上發(fā)生一種脈動現(xiàn)象。uxuxt例如：設(shè)ux為恒定紊流中某一點(diǎn)在x方向的瞬時流速，從系統(tǒng)特性可以知道，ux

9、是隨時間變化的，所以嚴(yán)格來講，紊流總是非恒定流動。如將對一段平均：把紊流運(yùn)動看成是由時間平均流動和脈動流動疊加而成。一、紊流的基本特征及時均法 時均法 紊流的基本特征是：t /sp河床底部水流動水壓強(qiáng)隨時間的變化曲線t /sp河床底部水流動水壓強(qiáng)隨時間的變化曲線ux /cm/s 瞬時流速時均流速式中， T 為較長的時段ux /cm/s 瞬時流速時均流速式中， T 為較長的時段ux /cm/s 脈動流速 式中，脈動流速可正、可負(fù)ux /cm/s 脈動流速 式中，脈動流速可正、可負(fù)則得： 5-5 流體的紊流運(yùn)動 為時均值，就是在一種設(shè)想的流動中，該點(diǎn)上不隨時間而改變的流速。 從上式可得：瞬時值對時

10、間平均后得時均值，脈動值的時間平均值必為零的結(jié)論。即： 瞬時壓強(qiáng)p可以寫成： 則得： 5-5 流體的紊流運(yùn)動 為時均值，就是5-5 流體的紊流運(yùn)動 其中： 紊流的性質(zhì)及特征： 1、具有連續(xù)性； 2、是大雷諾數(shù)； 3、具有隨機(jī)性；4、三維性和旋渦性； 5、擴(kuò)散性、可以傳熱、傳遞動量 5-5 流體的紊流運(yùn)動 其中： 紊流的性質(zhì)及特征：二、紊動使流速分布均勻化 紊流中由于液體質(zhì)點(diǎn)相互混摻，互相碰撞，因而產(chǎn)生了液體內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)間的動量傳遞，動量大的質(zhì)點(diǎn)將動量傳給動量小的質(zhì)點(diǎn)，動量小的質(zhì)點(diǎn)影響動量大的質(zhì)點(diǎn)，結(jié)果造成斷面流速分布的均勻化。流速分布的指數(shù)公式：當(dāng)Re105時，流速分布的對數(shù)公式：摩阻流速，層流

11、流速分布紊流流速分布二、紊動使流速分布均勻化 紊流中由于液體質(zhì)點(diǎn)相5-6 沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律 一、尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線 人工粗糙的特點(diǎn)：突出部分形狀一致，高度一樣， 而且均勻分布。 用砂粒的直徑表示，稱為絕對粗糙度；對圓管流動，/d(或/r) ，稱為相對粗糙度。 實(shí)驗(yàn)裝置： 測量V、hf、水溫tRe LV5-6 沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律 一、尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線 人課件第4章水流阻力和水頭損失abcdef說明： 第區(qū)：層流區(qū)（ab線） Re2300 相對粗糙度對水流阻力（）無影響。 =64/Reabcdef說明： 第區(qū)：層流區(qū)（ab線） Re第區(qū)過渡區(qū)：Re=23004000時，從層流向紊流的過渡區(qū)

12、（不規(guī)則）與雷諾數(shù)有關(guān)，生產(chǎn)上不考慮 第區(qū)：水力光滑區(qū)（ cd線） Re4000時，此時流動已屬紊流型態(tài)，但管壁附近的層流底層還比較厚，能遮住，與無關(guān)。 第區(qū)過渡區(qū)：Re=23004000時，從層流向紊流的過渡第區(qū)：光滑區(qū)向粗糙區(qū)過渡 層流底層已部分遭到破壞，對流動起了作用 第區(qū)：粗糙區(qū)（或阻力平方區(qū)），與V2成比例 尼古拉茲實(shí)驗(yàn)的主要貢獻(xiàn)：把求紊流損失的計(jì)算轉(zhuǎn)化 成阻力系數(shù)的計(jì)算。 第區(qū)：光滑區(qū)向粗糙區(qū)過渡 層流底層已部分遭到破壞，對流動紊流的層流底層層流底層0紊流層流底層厚度可見，0隨雷諾數(shù)的增加而減小。當(dāng)Re較小時，水力光滑壁面當(dāng)Re較大時，00水力粗糙壁面0過渡粗糙壁面返回返回紊流的層

13、流底層層流底層0紊流層流底層厚度可見，0隨雷諾數(shù)計(jì)算沿程水頭損失的經(jīng)驗(yàn)公式阿里特蘇里公式 布拉休斯公式 舍維列夫公式 計(jì)算沿程水頭損失的經(jīng)驗(yàn)公式阿里特蘇里公式 計(jì)算沿程水頭損失的經(jīng)驗(yàn)公式謝才公式斷面平均流速謝才系數(shù)水力半徑水力坡度1.謝才系數(shù)有量綱，量綱為L1/2T-1，單位為m1/2/s。2.謝才公式可適用于不同流態(tài)和流區(qū)，既可適用于明渠水流也可應(yīng)用于管流。3.常用計(jì)算謝才系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式：曼寧公式巴甫洛夫斯基公式這兩個公式均依據(jù)阻力平方區(qū)紊流的實(shí)測資料求得，故只能適用于阻力平方區(qū)的紊流?；騨為粗糙系數(shù)，簡稱糙率。水力半徑單位均采用米。例題計(jì)算沿程水頭損失的經(jīng)驗(yàn)公式謝才公式斷面平均流速謝才系數(shù)

14、水d1d2V1V2221133L4.6局部水頭損失Z1Z2OOGx對1-1、2-2斷面列能量方程式列X方向的動量方程式化簡整理得：所以有d1d2V1V2221133L4.6局部水頭損失Z1Z2O返回局部水頭損失的通用計(jì)算公式：局部阻力系數(shù)應(yīng)用舉例返回局部水頭損失的通用計(jì)算公式：局部阻力系數(shù)應(yīng)用舉例例題：有一混凝土護(hù)面的梯形渠道，底寬10m，水深3m，兩岸邊坡為1：1，粗糙系數(shù)為0.017，流量為39m3/s，水流屬于阻力平方區(qū)的紊流，求每公里渠道上的沿程水頭損失。bh1：11：1解：B水面寬過水?dāng)嗝婷娣e濕周水力半徑謝才系數(shù)沿程水頭損失斷面平均流速例題：有一混凝土護(hù)面的梯形渠道，底寬10m，水深3m，兩岸邊例題：水從水箱流入一管徑不同的管道，管道連接情況如圖所示，已知：（以上值均采用發(fā)生局部水頭損失后的流速）當(dāng)管道輸水