水力學(xué)教學(xué)課件：第4章 流動(dòng)形態(tài)與水頭損失1

1、1第四章 流動(dòng)型態(tài)和水頭損失2 當(dāng)水流運(yùn)動(dòng)時(shí)，水流克服阻力做功，將一部分機(jī)械能，轉(zhuǎn)化為熱能，造成能量損失。產(chǎn)生能量損失的原因：流體有粘滯性 邊界滯水作用4 流動(dòng)型態(tài)和水頭損失水頭損失與液流的物理性質(zhì)和邊界特征密切相關(guān)。34.1 水頭損失及其分類(lèi)4.3 均勻流沿程水頭損失與水流阻力關(guān)系4.2 流動(dòng)的兩種形態(tài)4.4 層流運(yùn)動(dòng)4.5 紊流運(yùn)動(dòng)4.6 紊流的沿程水頭損失4.7 局部水頭損失4 流動(dòng)型態(tài)和水頭損失4.1 水頭損失及其分類(lèi)返回目錄4.8 邊界層理論簡(jiǎn)介4.9 繞流阻力4理想液體運(yùn)動(dòng)： 沒(méi)有粘性，一般沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，無(wú)流速梯度和粘性切應(yīng)力。因此，也不存在能量損失 。流線(xiàn)流速分布u(y)4.1.

2、1 水流阻力與水頭損失4.1 水頭損失及其分類(lèi) 5實(shí)際液體: 有粘性。相鄰液層間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，兩流層間存在內(nèi)摩擦力。過(guò)水?dāng)嗝嫔狭魉俜植疾痪鶆?。液體運(yùn)動(dòng)時(shí)，要克服摩擦阻力（水流阻力）做功，將一部分機(jī)械能，轉(zhuǎn)化為熱能，造成能量損失。4.1.1 水流阻力與水頭損失yy0u(y)6依據(jù)邊界條件以及作用范圍沿程損失 hf 局部損失 hj hw 4.1.1 水流阻力與水頭損失水頭損失hw ：?jiǎn)挝恢亓恳后w的能量損失7沿程水頭損失hf hf s 在平直的固體邊界水道中，單位重量的液體從一個(gè)斷面流至另一個(gè)斷面的機(jī)械能損失，稱(chēng)為沿程水頭損失。這種水頭損失隨沿程長(zhǎng)度增加而增加。4.1.1 水流阻力與水頭損失8 當(dāng)液體

3、運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于局部邊界形狀和大小的改變、局部障礙，液體產(chǎn)生漩渦，使得液體在局部范圍內(nèi)產(chǎn)生了較大的能量損失，這種能量損失稱(chēng)為局部水頭損失。 局部水頭損失hj 4.1.1 水流阻力與水頭損失9管道突然縮小漩渦區(qū)局部水頭損失發(fā)生的位置4.1.1 水流阻力與水頭損失 管道中的閘門(mén)局部開(kāi)啟104.1.1 水流阻力與水頭損失局部水頭損失發(fā)生的位置漩渦區(qū)11 漩渦的形成，運(yùn)轉(zhuǎn)和分裂；流速分布急劇變化，都使液體產(chǎn)生較大的能量損失。 這種能量損失產(chǎn)生在局部范圍之內(nèi)，叫做局部水頭損失hj 。CBDA局部水頭損失發(fā)生的位置圓柱繞流12通過(guò)液體粘性將其能量耗散 邊界突然變化局部水頭損失沿程水頭損失 hf s發(fā)生邊界邊界

4、順直大小 與邊界形狀、漩渦強(qiáng)度等因素相關(guān)耗能方式外在原因 邊界滯水、摩擦阻力 邊界層分離、形狀阻力13局部損失包括五段：進(jìn)口、突然放大、突然縮小、彎管和閘門(mén)。 進(jìn)口突然放大突然縮小彎管閘門(mén)14液體在下列管道的沿程損失包括四段：hf1hf 2hf 3hf4 4.1.1 水流阻力與水頭損失154.1.2 過(guò)流斷面的水力要素過(guò)水?dāng)嗝鎺缀涡螤顚?duì)水頭損失的影響 產(chǎn)生水頭損失的根源是實(shí)際液體本身具有粘滯性和邊界滯水作用，水頭損失與固體邊界的幾何形狀和尺寸有關(guān)。 怎樣反映固體邊界的幾何形狀和尺寸？16過(guò)流斷面形狀對(duì)水頭損失的影響 過(guò)水?dāng)嗝娴拿娣e是一個(gè)因素，但僅靠過(guò)水?dāng)嗝婷娣e尚不足表征過(guò)水?dāng)嗝鎺缀涡螤詈痛笮?duì)

5、水流的影響。 過(guò)水?dāng)嗝娴拿娣e: A？ 例如，兩個(gè)過(guò)水?dāng)嗝婷娣e相同，一個(gè)是正方形，一個(gè)是圓形。前者對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的阻力大，水頭損失要大。 原因：方形斷面中液流與固體邊界接觸周界長(zhǎng)。 17 液流過(guò)水?dāng)嗝媾c固體邊界接觸的周界線(xiàn)，是過(guò)水?dāng)嗝娴闹匾乃σ刂?。僅靠濕周也不能表征斷面幾何形狀的影響。 例如，兩個(gè)過(guò)水?dāng)嗝娴臐裰芟嗤粋€(gè)是正方形，一個(gè)是圓形。阻力、水頭損失不同 原因：面積速度不同過(guò)流斷面形狀對(duì)水頭損失的影響濕周: ？18 由于兩個(gè)因素都不能完全反映橫向邊界對(duì)水頭損失的影響，因此，將過(guò)水?dāng)嗝娴拿娣e和濕周結(jié)合起來(lái)，全面反映橫向邊界對(duì)水頭損失影響。 定義：水力半徑為過(guò)水?dāng)嗝娴拿娣e和濕周過(guò)流斷面形狀

6、對(duì)水頭損失的影響水力半徑:？19過(guò)流斷面形狀對(duì)水頭損失的影響管道bh矩形斷面明渠20bhm過(guò)流斷面形狀對(duì)水頭損失的影響梯形斷面明渠214.3 均勻流沿程水頭損失與水流阻力關(guān)系4.2 流動(dòng)的兩種形態(tài)4.4 層流運(yùn)動(dòng)4.5 紊流運(yùn)動(dòng)4.6 紊流的沿程水頭損失4.7 局部水頭損失4 流動(dòng)型態(tài)和水頭損失4.1 水頭損失及其分類(lèi)返回目錄4.8 邊界層理論簡(jiǎn)介4.7 繞流阻力221840年，哈根發(fā)現(xiàn)由于粘性的存在，流動(dòng)有兩種截然不同的形態(tài)，他們的水流結(jié)構(gòu)不同、流速分布不同，水頭損失規(guī)律不同。 1883年，英國(guó)科學(xué)家雷諾通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)證明、從理論分析。得到了雷諾實(shí)驗(yàn)，能量損失規(guī)律。4.2 流動(dòng)的兩種形態(tài)23（

7、圖片來(lái)源： http:/）雷諾24（圖片來(lái)源： http:/）雷諾25（圖片來(lái)源： http:/）雷諾26實(shí)際流體有哪兩種流動(dòng)型態(tài)？雷諾試驗(yàn)試驗(yàn)裝置觀察管內(nèi)流動(dòng)現(xiàn)象27層流過(guò)渡段紊流（b）振蕩搖擺的波形色線(xiàn)（c）色線(xiàn)破裂擴(kuò)散（a）平穩(wěn)而鮮明的細(xì)色線(xiàn) 層流 紊流： 上臨界流速 紊流 層流： 下臨界流速 實(shí)際流體有哪兩種流動(dòng)型態(tài)？玻璃管內(nèi)的水流現(xiàn)象：實(shí)驗(yàn)錄像28層流（Laminar Flow） 在流速較小時(shí)，液體質(zhì)點(diǎn)作有條不紊的有序的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，水流各層或各微小流束上的質(zhì)點(diǎn)彼此互不摻混的流動(dòng)。過(guò)渡段（Transitional flow） 層流與紊流之間的過(guò)渡階段。例：毛細(xì)血管中血液流動(dòng),流速很小的細(xì)

8、直管道流動(dòng)。例：動(dòng)脈中血液流動(dòng)，輸油管道，天然河道，大氣環(huán)流，洋流。實(shí)際流體有哪兩種流動(dòng)型態(tài)？紊流（Turbulent Flow） 隨流速增大，流層逐漸不穩(wěn)定，液體質(zhì)點(diǎn)相互混摻，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡極不規(guī)則的流動(dòng)。兩種流態(tài)的定義29這兩種流動(dòng)型態(tài)有什么不同？特點(diǎn)：層流與紊流的水頭損失規(guī)律不同建立水頭損失hf與流速大小v的關(guān)系1230EBDAC這兩種流動(dòng)型態(tài)有什么不同？建立水頭損失hf與流速大小v的關(guān)系0流速減小流速增大ABCDDCEBAAB和CD段都為直線(xiàn)段層流：CD段, 1=45, m=1紊流：AB段, 2=60.255o63.435o m=1.75 2.001231 臨界流速 與 有關(guān)怎樣區(qū)分這兩

9、種流動(dòng)型態(tài)？流動(dòng)型態(tài)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）試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：下臨界雷諾數(shù)上臨界雷諾數(shù) 由于下臨界雷諾數(shù)比較穩(wěn)定，因此以下臨界雷諾數(shù)作為判斷液流型態(tài)的依據(jù)，稱(chēng)為臨界雷諾數(shù)。32怎樣區(qū)分這兩種流動(dòng)型態(tài)？對(duì)于圓管：雷諾數(shù)定義：紊流層流雷諾數(shù)作用：判別流態(tài)：對(duì)于明渠：雷諾數(shù)特點(diǎn)：無(wú)單位無(wú)量綱33雷諾數(shù)的物理意義粘性力抑止小擾動(dòng)，促使液流趨于穩(wěn)定。慣性力使小擾動(dòng)的作用保持和強(qiáng)化，促使液流趨 于紊動(dòng)。雷諾數(shù)表征了液流的慣性力與粘性力的比值。流速較小（Re較?。┱承粤ζ鹬鲗?dǎo)作用層流流速較大（Re較大）慣性力起主導(dǎo)作用紊流慣34（1） 實(shí)際液體流動(dòng)可分為層流和紊流兩種流態(tài)

10、（2） 雷諾數(shù) 臨界雷諾數(shù)ReC（3） 不同流態(tài)下的能量（水頭）損失規(guī)律不同，確定水頭損失必須確定流態(tài)。（4） 層流紊流小 結(jié)354.3 均勻流沿程水頭損失與水流阻力關(guān)系4.2 流動(dòng)的兩種形態(tài)4.4 層流運(yùn)動(dòng)4.5 紊流運(yùn)動(dòng)4.6 紊流的沿程水頭損失4.7 局部水頭損失4 流動(dòng)型態(tài)和水頭損失4.1 水頭損失及其分類(lèi)返回目錄4.8 紊邊界層理論簡(jiǎn)介4.9 繞流阻力36 4.3.1 均勻流的沿程水頭損失 均勻流的沿程水頭損失等于兩過(guò)水?dāng)嗝娴臏y(cè)壓管水頭差流動(dòng)過(guò)程中動(dòng)能不變，沿程阻力消耗能量由勢(shì)能提供。 4.3 均勻流沿程水頭損失與水流阻力關(guān)系37lz1P1P2z2v1v2hw=hfp1/p2/112

11、2v222gv122gv1v200總水頭線(xiàn) J測(cè)壓管水頭線(xiàn)Jp 均勻流 A，R，v 沿程不變。測(cè)壓管水頭線(xiàn)和總水頭線(xiàn)是平行的。 38lv1v21122P1P200z1z2研究對(duì)象：圓管均勻流，長(zhǎng)度為l，面積 A，濕周受力分析：水流方向上受力平衡：動(dòng)水壓力重力邊界阻力v 4.3.2 均勻流的邊壁切應(yīng)力39lv1v21122P1P200z1z2v40 4.3.2 均勻流的邊壁切應(yīng)力J水力坡度（單位長(zhǎng)度上的水頭損失）令沿程水頭損失和邊壁切應(yīng)力的關(guān)系式 適用于均勻?qū)恿鳌⑽闪?、有壓流和無(wú)壓流41分析斷面上的切應(yīng)力分布問(wèn)題 4.3.3 均勻流過(guò)水?dāng)嗝媲袘?yīng)力分布 42P11122u1u2P2 液流各層之間存

12、在內(nèi)摩擦力，在均勻流中（管流）半徑為r 處，任取一流束，按照同樣的方法可得： 式中，為半徑r 處液流切應(yīng)力； R=r/2為r 處水力半徑A dA Rr 1-1 剖面圖r0 43 4.3.3 均勻流過(guò)水?dāng)嗝媲袘?yīng)力分布 P11122u1u244對(duì)于圓管 0uA r 1-1 剖面圖r0 4.3.3 均勻流過(guò)水?dāng)嗝媲袘?yīng)力分布 圓管均勻流過(guò)水?dāng)嗝嫔锨袘?yīng)力呈直線(xiàn)分布，管壁處切應(yīng)力最大，管軸處為零 45對(duì)于寬淺明渠 hbyy 4.3.3 均勻流過(guò)水?dāng)嗝媲袘?yīng)力分布 yy0u(y)46 因此，水頭損失和切應(yīng)力有關(guān)，欲求水頭損失，必須先知道邊壁切應(yīng)力，切應(yīng)力與流態(tài)有關(guān)，下面分不同流態(tài)討論。 4.3.3 均勻流過(guò)水

13、斷面切應(yīng)力分布 474.3 均勻流沿程水頭損失與水流阻力關(guān)系4.2 流動(dòng)的兩種形態(tài)4.4 層流運(yùn)動(dòng)4.5 紊流運(yùn)動(dòng)4.6 紊流的沿程水頭損失4.7 局部水頭損失5 流動(dòng)型態(tài)和水頭損失4.1 水頭損失及其分類(lèi)返回目錄4.8 邊界層理論簡(jiǎn)介4.9 繞流阻力484.4.1 圓管層流運(yùn)動(dòng) 4.4.2 明渠層流運(yùn)動(dòng) 4.4 層流運(yùn)動(dòng)490u過(guò)水?dāng)嗝媲袘?yīng)力分布過(guò)水?dāng)嗝媪魉俜植? 4.4.1 圓管層流運(yùn)動(dòng)牛頓內(nèi)摩擦定律:ruxrr0Oumaxr50過(guò)水?dāng)嗝媪魉俜植?4.4.1 圓管層流運(yùn)動(dòng)uxr0Oumaxr51旋轉(zhuǎn)拋物面 圓管層流過(guò)水?dāng)嗝嫔狭魉俜植际且粋€(gè)旋轉(zhuǎn)拋物面，流速最大值位于管軸上，邊壁最小。過(guò)水?dāng)嗝媪魉俜植?4.4.1 圓管層流運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)拋物面ur0Oumaxr520ru(r)r 4.4.1 圓管層流運(yùn)動(dòng)53 斷面平均流速ru(r)vr0 dAdr 4.4.1 圓管層流運(yùn)動(dòng)54圓管層流的斷面平均流速為最大流速的一半 斷面平均流速 4.4.1 圓管層流運(yùn)動(dòng)55 圓管層流