水流型態(tài)與水頭損失PPT課件

1、水力學(xué) 1.水流阻力是由于液體的粘滯性作用和固體邊界的影響，使液體與固體之間、液體內(nèi)部有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的各液層之間存在的摩擦阻力的合力，水流阻力必然與水流的運(yùn)動(dòng)方向相反。 2.水流在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中克服水流阻力而消耗的能量稱為水頭損失。其中邊界對(duì)水流的阻力是產(chǎn)生水頭損失的外因，液體的粘滯性是產(chǎn)生水頭損失的內(nèi)因，也是主要原因。 一. 水頭損失產(chǎn)生的原因第1頁(yè)/共35頁(yè)3.水頭損失的概念： 總流單位重量液體的平均機(jī)械能損失二. 水頭損失的類型 根據(jù)邊界條件的不同，可以把水頭損失分為兩類：1.沿程水頭損失 ：對(duì)于平順的邊界，水頭損失與流程成正比；fh第2頁(yè)/共35頁(yè)水力學(xué)2.局部水頭損失 ：由于局部邊界急劇改變

2、，導(dǎo)致水流結(jié)構(gòu)改變、流速分布調(diào)整并產(chǎn)生旋渦區(qū)，從而引起的水頭損失 3.特征：（1）沿程水頭損失：均勻分布在流段與流段長(zhǎng)度成正比。（2）局部水頭損失：僅存在于局部區(qū)域與邊界變化程度（形狀）有關(guān)。jh第3頁(yè)/共35頁(yè) 4.對(duì)于在某個(gè)流程上運(yùn)動(dòng)的液體，它的總水頭損失hw遵循疊加原理即 5.為了反映過(guò)流斷面面積和濕周對(duì)水流阻力和水頭損失的綜合影響，我們引入水力半徑的概念，即水力半徑是水力學(xué)中應(yīng)用廣泛的重要的水力要素。 水力學(xué)wfjhhh AR第4頁(yè)/共35頁(yè)圖2-局部水頭損失第5頁(yè)/共35頁(yè)水力學(xué)圖1-水頭損失第6頁(yè)/共35頁(yè) 三.均勻流沿程水頭損失的基本公式達(dá)西公式水力學(xué)1.均勻流中只存在沿程水頭損

3、失，它有兩個(gè)特點(diǎn)：一是所消耗的能量全部由勢(shì)能轉(zhuǎn)化來(lái)的，二是每單位長(zhǎng)度上的水頭損失J（也稱為水力坡度J=hf/l）是沿程不變的。2.均勻流的切應(yīng)力分布規(guī)律： 液體內(nèi)部切應(yīng)力 =RJ 邊界上切應(yīng)力 0=RJ 第7頁(yè)/共35頁(yè)式當(dāng)、J為定值，切應(yīng)力與R成正比，也就是說(shuō)邊界上的切應(yīng)力為最大。管壁處的切應(yīng)力為 20g3.均勻流沿程水頭損失的計(jì)算基本公式為達(dá)西公式242flhRg第8頁(yè)/共35頁(yè)畢業(yè)答辯水力學(xué)對(duì)于圓管 ，則 4dR 22flhdg上式建立了沿程水頭損失hf與流速、流段長(zhǎng)、邊界幾何特征R和沿程阻力系數(shù)之間的關(guān)系。是計(jì)算沿程水頭損失重要的參數(shù)。沿程水頭損失系數(shù)與液體的流動(dòng)型態(tài)和邊界的粗糙程度密

4、切相關(guān)。第9頁(yè)/共35頁(yè)水力學(xué) 五.液體流動(dòng)的兩種型態(tài)和流態(tài)的判別1.雷諾實(shí)驗(yàn) 1883年英國(guó)科學(xué)家雷諾，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)液體在流動(dòng)中存在兩種內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全不同的流態(tài)：層流和紊流。 （1）層流 當(dāng)流速較小時(shí)，各流層質(zhì)點(diǎn)互不混雜，這種型態(tài)的流動(dòng)叫層流。第10頁(yè)/共35頁(yè) 水力學(xué)（2）紊流 當(dāng)流速較大時(shí)，各流層質(zhì)點(diǎn)形成渦體互相混摻，這種型態(tài)的流動(dòng)叫做紊流。第11頁(yè)/共35頁(yè)水力學(xué)2.水流流動(dòng)型態(tài)的判別雷諾數(shù)Re作為判據(jù)的 同時(shí)發(fā)現(xiàn)，層流的沿程水頭損失hf與流速一次方成正比，紊流的hf與流速的1.752.0次方成正比；在層流與紊流之間存在過(guò)渡區(qū)，hf與流速的變化規(guī)律不明確。對(duì)于明渠水流ReRv 第12頁(yè)/

5、共35頁(yè)明渠水流臨界雷諾數(shù)Rek=500。當(dāng)Re500為層流， Re500為紊流。對(duì)于圓管水流Redv 圓管水流臨界雷諾數(shù)Rek=2000。當(dāng)Re2000為層流， Re2000為紊流。3.雷諾 數(shù)的實(shí)質(zhì) 從力學(xué)的角度看，雷諾數(shù)就是慣性力作用與粘滯力作用的對(duì)比關(guān)系。當(dāng)Re較小時(shí)，第13頁(yè)/共35頁(yè)水力學(xué)說(shuō)明粘滯力占主導(dǎo)，液體為層流；反之則為紊流。例題1管道直徑 d = 10 mm，通過(guò)流量 Q = 20 cm3/s，運(yùn)動(dòng)粘度 = 0.0101cm2/s。問(wèn)管中水流流態(tài)屬層流還是紊流？若將直徑改為 d = 30 mm，水溫、流量不變，問(wèn)管中水流屬何種流態(tài)？ 解：（1）2025.480.785 1

6、1QcmsA 第14頁(yè)/共35頁(yè)水力學(xué)紊流200025230101. 0148.25dRescmAQ83. 23785. 0202層流200059.8400101. 0383. 2dRe（2）當(dāng)直徑改為30mm時(shí)第15頁(yè)/共35頁(yè)水力學(xué) 五. 圓管層流運(yùn)動(dòng)和沿程水頭損失 圓管層流運(yùn)動(dòng)可以應(yīng)用牛頓內(nèi)摩擦定律表達(dá)式和均勻流內(nèi)切應(yīng)力表達(dá)式，通過(guò)積分求出過(guò)水?dāng)嗝嫔系牧魉俜植紴閽佄镄头植肌?204rrJu最大流速在管軸線處204maxrJu第16頁(yè)/共35頁(yè)斷面平均流速max21232208udJrJ沿程水頭損失232dlfh沿程阻力系數(shù)Re64水力學(xué)第17頁(yè)/共35頁(yè)水力學(xué) 六. 沿程水頭損失系數(shù)的變

7、化規(guī)律 尼庫(kù)拉茲為探討紊流沿程阻力的計(jì)算公式，用不同粒徑的人工砂粘貼在不同直徑的管道的內(nèi)壁上，用不同的流速進(jìn)行一系列試驗(yàn)。尼古拉茲通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)沿程阻力系數(shù)在層流和紊流三個(gè)不同流區(qū)內(nèi)的變化規(guī)律，從而為確定值，進(jìn)而計(jì)算紊流各流區(qū)的沿程水頭損失hf提供了可應(yīng)用的方法。1.層流狀態(tài)時(shí)，圓管的 與理論公式相一致，說(shuō)明層流的僅是Re的函數(shù)，而且水頭64Re第18頁(yè)/共35頁(yè)水力學(xué)圖3-尼古拉茲沿程阻力系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系曲線第19頁(yè)/共35頁(yè)損失hf與流速v的一次方成正比，與雷諾實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相一致。2.當(dāng)2000Re4000時(shí)，過(guò)渡區(qū)僅與Re有關(guān)，而與相對(duì)光滑度無(wú)關(guān)。 3.紊流狀態(tài)：（1）紊流光滑區(qū)：類似

8、于層流，只與Re有關(guān)而與相對(duì)粗糙度/r0無(wú)關(guān)， 。75. 1fh第20頁(yè)/共35頁(yè)水力學(xué) （2）紊流粗糙區(qū)：與Re無(wú)關(guān)，只與相對(duì)粗糙度/r0有關(guān) ， ，所以紊流粗糙又稱為阻力平方區(qū)。 2 0fh.（3）紊流過(guò)渡區(qū) ：既與Re有關(guān)，也與有關(guān)， 。 0275. 1。fh七. 沿程水頭損失經(jīng)驗(yàn)公式謝才公式C RJ第21頁(yè)/共35頁(yè)水力學(xué) C是反映邊界對(duì)液體運(yùn)動(dòng)影響的綜合系數(shù)，稱為舍齊系數(shù)，單位：m1/2/s 。曼寧公式 謝才公式適用紊流阻力平方區(qū)。第22頁(yè)/共35頁(yè)水力學(xué)七. 局部水頭損失的計(jì)算1.局部水頭損失產(chǎn)生的原因 局部水頭損失產(chǎn)生于邊界發(fā)生明顯改變的地方，使水流形態(tài)發(fā)生了很大的變化。其特點(diǎn)為

9、能耗大、能耗集中而且主要為旋渦紊動(dòng)損失。 2.局部水頭損失計(jì)算公式22hjg第23頁(yè)/共35頁(yè)突然擴(kuò)大突然縮小閘閥三通匯流管道彎頭管道進(jìn)口分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)分離區(qū)第24頁(yè)/共35頁(yè)水力學(xué) 局部水頭損失的計(jì)算在于正確選擇局部水頭損失系數(shù)，但注意對(duì)應(yīng)的流速水頭。 例題2 測(cè)定90彎管局部水頭損失系數(shù)的試驗(yàn)裝置如圖示。已知AB段 長(zhǎng)10 m ，管徑d0.05m，彎管曲率半徑Rd，管段沿程水力摩擦系數(shù)0.0264，實(shí)測(cè)AB管段兩端測(cè)壓管水頭差h0.63m，100秒鐘流入量水箱的水體積為0.28m3，試求彎管內(nèi)的流速、沿程水頭損失和局部水頭損失系數(shù)。 第25頁(yè)/共35頁(yè)水力學(xué)解：（1）

10、先求彎管內(nèi)的流速： 水h A B 20.280.0510041.43QVAtAm s第26頁(yè)/共35頁(yè)水力學(xué)（2）再求沿程水頭損失，由達(dá)西公式得：mgdlhf55. 08 . 9243. 105. 0100264. 0222（3）最后求局部水頭損失系數(shù)： mhhhhjfw63.0mhhhfj08. 055. 063. 0第27頁(yè)/共35頁(yè)水力學(xué)22jhg2222 9.8 0.080.771.43jgh因?yàn)樗岳}3 如圖所示，水從A池流入B池，管道長(zhǎng)L=25m，管徑d=2.5cm，管道的沿程水頭損失系數(shù)=0.03，當(dāng)兩水池的水位差H=2m， 第28頁(yè)/共35頁(yè)管道的流量是多少？管道內(nèi)的糙率n是

11、多少？ 9010.5)aaRd彎管（），閘板式閘門(mén)（第29頁(yè)/共35頁(yè)解：“三選”如圖所示。列AA和BB斷面的能量方程， 0.50.82.061.0進(jìn)出彎閥，wBBBAAAhgpzgpz22222222225(0.030.50.82.06)0.252LHdggg 第30頁(yè)/共35頁(yè)2231211662 6.362.4820.785 0.25 2.48 0.1288 9.851.120.03110.25()0.012351.124msgQ Am sgCm snRC則 流 量 為第31頁(yè)/共35頁(yè)本章小結(jié) 1產(chǎn)生水頭損失的原因有兩個(gè)方面：一是水流邊界的幾何條件，叫外因；二是水流自身具有黏滯性，叫內(nèi)因，但產(chǎn)生水流的根本原因是水流具有黏滯性。 2水流型態(tài)的判別用和