水流阻力和水頭損失

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1、水力學(xué)第4章水流阻力和水頭損失主講：劉海芳§4.1沿程水頭損失和局部水頭損失4.1.1沿程水頭損失1、沿程阻力：在邊壁沿程不變的管段上，流動(dòng)阻力沿程也基本不變，稱這類阻力為沿程阻力。2、沿程損失克服沿程阻力引起的能量損失由于沿程損失沿管段均布，即與管段的長(zhǎng)度成正比，所以也稱為長(zhǎng)度損失。3、沿程損失的經(jīng)驗(yàn)公式4.1.2局部水頭損失1、局部阻力在邊界急劇變化的區(qū)域，阻力主要地集中在該區(qū)域內(nèi)及其附近，這種集中分布的阻力稱為局部阻力2、局部損失克服局部阻力的能量損失3、局部損失的經(jīng)驗(yàn)公式4.1.3水頭損失疊加原理上述公式稱為能量損失的疊加原理。§4.2實(shí)際液

2、體運(yùn)動(dòng)的兩種形態(tài)4.2.1沿程水頭損失和平均流速的關(guān)系沿程水頭損失實(shí)驗(yàn)改變流量，將與對(duì)應(yīng)關(guān)系繪于雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上，得到lgVlghfO流速由小至大流速由大至小θ2θ14.2.2兩種流態(tài)1、雷諾試驗(yàn)雷諾實(shí)驗(yàn)裝置圖層流：分層有規(guī)則的流動(dòng)狀態(tài)稱為層流。紊流：流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是極不規(guī)則的，各部分流體互相劇烈摻混，這種流動(dòng)狀態(tài)稱為紊流。2、臨界流速上臨界流速：受環(huán)境和初始條件的影響而變化下臨界流速vk：不受環(huán)境和初始條件的變化而變化4.2.3流態(tài)的判別準(zhǔn)則－臨界雷諾數(shù)雷諾等人進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明：流動(dòng)狀態(tài)不僅和流速v有關(guān)，還和管徑d、流體的動(dòng)力粘滯系數(shù)μ和密度ρ有

3、關(guān)。以上四個(gè)參數(shù)可組合成一個(gè)無(wú)因次數(shù)，叫做雷諾數(shù)，用Re表示。若ReRek，水流為紊流，公式只適用于圓管，對(duì)于非圓管用當(dāng)量直徑來(lái)實(shí)現(xiàn)，如下：非圓管濕周：過水?dāng)嗝嬷幸后w與固體接觸的邊界長(zhǎng)度當(dāng)量直徑：非圓管的水力半徑和圓管的水力半徑d/4相等的非圓管的當(dāng)量直徑。水力半徑：對(duì)于圓管水力半徑4.2.4流態(tài)分析選定流層流速分布曲線ττ干擾FFFFFFFFFFFF升力渦體紊流形成條件渦體的產(chǎn)生雷諾數(shù)達(dá)到一定的數(shù)值用雷諾數(shù)判斷流態(tài)的原因雷諾數(shù)可理解為水流慣性力和粘滯力量綱之比量綱：稱為因次，指物理量的性質(zhì)和類別，例如長(zhǎng)度和質(zhì)量，分別用

4、[L]和[M]表達(dá)量綱為層流底層、過渡層和紊流核心幾個(gè)基本概念§4.3均勻流基本方程列1-1、2-2斷面伯努利方程式：1、沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系面積1O列流動(dòng)方向的平衡方程式：濕周整理得：改寫為：水力半徑——過水?dāng)嗝婷娣e與濕周之比，即A/χτ0τ0G=ρgAL122LOZ1Z22、切應(yīng)力的分布建立和之間的關(guān)系，可得：——阻力速度§4.4圓管層流的沿程阻力系數(shù)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)特征（圖示）：液體質(zhì)點(diǎn)是分層有條不紊、互不混雜地運(yùn)動(dòng)著切應(yīng)力：4.4.1流速分布（推演）：斷面平均流速：沿程水頭損失：4.4.2圓管層流沿程阻力系數(shù)：【例題】輸送潤(rùn)滑油的管子直徑8mm

5、，管長(zhǎng)15m，如圖6-12所示。油的運(yùn)動(dòng)粘度m2/s，流量12cm3/s，求油箱的水頭（不計(jì)局部損失）。圖示潤(rùn)滑油管路（m/s）雷諾數(shù)為層流列截面1-1和2-2的伯努利方程解：認(rèn)為油箱面積足夠大，取(m)，則運(yùn)動(dòng)要素的脈動(dòng)現(xiàn)象——瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)要素（如流速、壓強(qiáng)等）隨時(shí)間發(fā)生波動(dòng)的現(xiàn)象圖示由相鄰兩流層間時(shí)間平均流速相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的粘滯切應(yīng)力純粹由脈動(dòng)流速所產(chǎn)生的附加切應(yīng)力（2）紊流切應(yīng)力（1）紊流的脈動(dòng)與時(shí)均化質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)特征：液體質(zhì)點(diǎn)互相混摻、碰撞，雜亂無(wú)章地運(yùn)動(dòng)著4.5.1紊流特征§4.5圓管紊流的沿程阻力系數(shù)（3）紊動(dòng)流速分布紊流中由于液體質(zhì)點(diǎn)相互混摻，

6、互相碰撞，因而產(chǎn)生了液體內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)間的動(dòng)量傳遞，動(dòng)量大的質(zhì)點(diǎn)將動(dòng)量傳給動(dòng)量小的質(zhì)點(diǎn)，動(dòng)量小的質(zhì)點(diǎn)影響動(dòng)量大的質(zhì)點(diǎn)，結(jié)果造成斷面流速分布的均勻化。流速分布的對(duì)數(shù)公式：層流流速分布紊流流速分布4.5.2尼古拉茲實(shí)驗(yàn)（1）沿程阻力系數(shù)及其影響因素的分析層流：圓管層流的沿程阻力系數(shù)與Re成反比，和管壁粗糙度無(wú)關(guān)。紊流：其能量損失取決于兩個(gè)方面：1）Re；粗糙的突起高度2）壁面的粗糙糙粒的形狀糙粒的排列疏密尼古拉茲粗糙把大小基本相同，形狀近似球體的砂粒用漆汁均勻而稠密地粘附于管壁上。（2）沿程阻力系數(shù)的測(cè)定和阻力分區(qū)圖相對(duì)粗糙的變化范圍為實(shí)測(cè)不同流量時(shí)均v和h

7、f算出λ和Re沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律尼古拉茲實(shí)驗(yàn)Lg（100λ）lgRe層流時(shí),紊流光滑區(qū)稱為紊流過渡區(qū)稱為紊流粗糙區(qū)又稱為阻力平方區(qū)臨界過渡區(qū),阻力分區(qū)層流底層在紊流中緊靠固體邊界附近，有一極薄的層流層，其中粘滯切應(yīng)力起主導(dǎo)作用，而由脈動(dòng)引起的附加切應(yīng)力很小，該流層叫做層流底層。圖示粘性（層流）底層雖然很薄，但對(duì)紊流的流動(dòng)有很大的影響。所以，粘性底層對(duì)紊流沿程阻力規(guī)律的研究有重大意義。（3）斷面流速分布測(cè)定①紊流光滑區(qū)的流速分布紊流核心區(qū)：層流底層：②紊流粗糙區(qū)的流速分布2、普朗特－卡門流速分布的指數(shù)公式3、流速分布的七分之一次方定律1、尼古拉茲粗

8、糙區(qū)流速分布（4）紊流沿程阻力系數(shù)的半經(jīng)驗(yàn)公式①光滑區(qū)沿程阻力系數(shù)半經(jīng)驗(yàn)公式②粗糙區(qū)沿程阻力系數(shù)半經(jīng)驗(yàn)公式4