第4章水流阻力和水頭損失.ppt

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1、水力學(xué)第3章水流阻力和水頭損失主講：馬金花主要內(nèi)容：水頭損失的物理概念及其分類沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系液體運(yùn)動(dòng)的兩種流態(tài)圓管中的層流運(yùn)動(dòng)及其沿程水頭損失的計(jì)算紊流特征沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律計(jì)算沿程水頭損失的經(jīng)驗(yàn)公式——謝才公式局部水頭損失邊界層的概念粘滯性和慣性物理性質(zhì)——固體邊界—固壁對(duì)流動(dòng)的阻滯和擾動(dòng)產(chǎn)生水流阻力損耗機(jī)械能hw水頭損失的物理概念及其分類產(chǎn)生損失的內(nèi)因產(chǎn)生損失的外因§4.1沿程水頭損失和局部水頭損失實(shí)際流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于粘性的存在，總要產(chǎn)生能量損失。產(chǎn)生能量損失的原因和影響因素

2、很復(fù)雜，通常可包括粘性阻力造成的粘性損失一、沿程阻力與沿程損失粘性流體在管道中流動(dòng)時(shí)，流體與管壁面以及流體之間存在摩擦力，所以沿著流動(dòng)路程，流體流動(dòng)時(shí)總是受到摩擦力的阻滯，這種沿流程的摩擦阻力，稱為沿程阻力。流體流動(dòng)克服沿程阻力而損失的能量，就稱為沿程損失。沿程損失是發(fā)生在緩變流整個(gè)流程中的能量損失，它的大小與流過的管道長(zhǎng)度成正比。造成沿程損失的原因是流體的粘性，因而這種損失的大小與流體的流動(dòng)狀態(tài)（層流或紊流）有密切關(guān)系。兩部分。和局部阻力造成的局部損失單位重量流體的沿程損失稱為沿程水頭損失，以表示，

3、單位體積流體的沿程損失，又稱為沿程壓強(qiáng)損失，以表示。在管道流動(dòng)中的沿程損失可用下式求得(4-1)達(dá)西公式(4-1a)式中—沿程阻力系數(shù)，它與雷諾數(shù)和管壁粗糙度有關(guān)，是一個(gè)無量綱的系數(shù)，將在本章后面進(jìn)行討論；—管道長(zhǎng)度，m；—管道內(nèi)徑，m；—管道中有效截面上的平均流速，m/s。二、局部阻力與局部損失在管道系統(tǒng)中通常裝有閥門、彎管、變截面管等局部裝置。流體流經(jīng)這些局部裝置時(shí)流速將重新分布，流體質(zhì)點(diǎn)與質(zhì)點(diǎn)及與局部裝置之間發(fā)生碰撞、產(chǎn)生漩渦，使流體的流動(dòng)受到阻礙，由于這種阻礙是發(fā)生在局部的急變流動(dòng)區(qū)段，所以稱

4、為局部阻力。流體為克服局部阻力所損失的能量，稱為局部損失。單位重量流體的局部損失稱為局部水頭損失，以表示，單位體積流體的局部損失，又稱為局部壓強(qiáng)損失，以表示。在管道流動(dòng)中局部損失可用下式求得(4-2)(4-2a)式中—局部阻力系數(shù)。局部阻力系數(shù)是一個(gè)無量綱的系數(shù)，根據(jù)不同的局部裝置由實(shí)驗(yàn)確定。在本章后面進(jìn)行討論。三、總阻力與總能量損失在工程實(shí)際中，絕大多數(shù)管道系統(tǒng)是由許多等直管段和一些管道附件連接在一起所組成的，所以在一個(gè)管道系統(tǒng)中，既有沿程損失又有局部損失。我們把沿程阻力和局部阻力二者之和稱為總阻力

5、，沿程損失和局部損失二者之和稱為總能量損失?？偰芰繐p失應(yīng)等于各段沿程損失和局部損失的總和，即(4-3)(4-3a)上述公式稱為能量損失的疊加原理。沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系1122LαOOZ1Z2列流動(dòng)方向的平衡方程式：FP1=Ap1τ0τ0G=ρgALFP2=Ap2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/χ量綱分析圓管中沿程阻力系數(shù)§4.1實(shí)際液體運(yùn)動(dòng)的兩種形態(tài)如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置，主要由恒水位水箱A和玻璃管B等組成。玻璃管入口部分用光滑喇叭口連接，管中的流量用閥門C調(diào)節(jié)。(a)

6、(b)(c)雷諾實(shí)驗(yàn)裝置圖一、沿程水頭損失和平均流速的關(guān)系在所實(shí)驗(yàn)的管段上，因?yàn)樗街惫苈分辛黧w作穩(wěn)定流時(shí)，根據(jù)能量方程可以寫出其沿程水頭損失就等于兩斷面間的壓力水頭差，即改變流量，將與對(duì)應(yīng)關(guān)系繪于雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上，得到結(jié)果表明：式中—直線的截距；—直線的斜率，且(為直線與水平線的交角）。大量實(shí)驗(yàn)證明：沿程水頭損失與平均流速成正比。紊流時(shí)：沿程水頭損失與平均流速的1.75—2次方成正比。無論是層流狀態(tài)還是紊流狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)都分別集中在不同斜率的直線上，方程式為層流時(shí)：二、兩種流態(tài)雷諾試驗(yàn)——揭示了水流運(yùn)動(dòng)

7、具有層流與紊流兩種流態(tài)。當(dāng)流速較小時(shí)，各流層的液體質(zhì)點(diǎn)是有條不紊地運(yùn)動(dòng)，互不混雜，這種型態(tài)的流動(dòng)叫做層流。當(dāng)流速較大，各流層的液體質(zhì)點(diǎn)形成渦體，在流動(dòng)過程中，互相混摻，這種型態(tài)的流動(dòng)叫做紊流。層流與紊流的判別（下）臨界雷諾數(shù)雷諾數(shù)或若ReRek，水流為紊流，雷諾實(shí)驗(yàn)演示雷諾數(shù)可理解為水流慣性力和粘滯力量級(jí)之比慣性力ma粘滯力量綱為量綱為粘滯力濕周水力半徑對(duì)于圓管水力半徑【例題】管道直徑100mm，輸送水的流量m3/s，水的運(yùn)動(dòng)粘度m2/s，求水在管中的流動(dòng)狀態(tài)？若輸送m2

8、/s的石油，保持前一種情況下的流速不變，流動(dòng)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)。（2）故油在管中是層流狀態(tài)。紊流形成過程的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)值層流底層和紊流核心§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(dòng)水壓力為p1A?和p2A?（2）側(cè)面上的動(dòng)水壓力，垂直于流速（3）側(cè)面上的切力（4）重力流束的受力平衡