水力學(xué)課件液流形態(tài)及水頭損失ppt課件

1、前進(jìn)主要內(nèi)容：水頭損失的物理概念及其分類(lèi)水頭損失的物理概念及其分類(lèi)沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系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)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)算紊流特征紊流特征沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律計(jì)算沿程水頭損失的閱歷公式計(jì)算沿程水頭損失的閱歷公式謝齊公式謝齊公式部分水頭損失部分水頭損失終了粘滯性粘滯性相對(duì)運(yùn)動(dòng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)dudy物理性質(zhì)物理性質(zhì)固體邊境固體邊境產(chǎn)生水產(chǎn)生水流阻力流阻力損耗機(jī)損耗機(jī)械能械能hwhw水頭損失的物理概念及其分類(lèi)水頭損失的物理概念及其分類(lèi)圖示圖示水頭損失的分類(lèi)水頭損失的分類(lèi)沿程水

2、頭損失沿程水頭損失hf部分水頭損失部分水頭損失hj某一流段的總水頭損失：某一流段的總水頭損失：wfjhhh各分段的沿程水頭損失的總和各種部分水頭損失的總和舉例前往沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系1122LOOZ1Z2列流動(dòng)方向的平衡方程式：120sin0ApApgALLFP1=Ap100G=gALFP2=Ap20FL濕周整理得：01212()()ppLZZggAg改寫(xiě)為：00fLLhAgRg0fhgRL水力半徑過(guò)水?dāng)嗝婷娣e與濕周之比，即A/0gRJ0fLhRg量綱分析020( , , , , )8f R VV 242fL VhRg圓管中4dR 22fL Vhdg沿程阻力系數(shù)

3、(,)V RfR前往液體運(yùn)動(dòng)的兩種流態(tài)液體運(yùn)動(dòng)的兩種流態(tài)雷諾實(shí)驗(yàn)雷諾實(shí)驗(yàn)提示了水流運(yùn)動(dòng)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)構(gòu)成渦體，在流動(dòng)過(guò)程中，相互混摻，這種型態(tài)的流動(dòng)叫做紊流。層流與紊流的判別層流與紊流的判別RekkV d下臨界雷諾數(shù)下臨界雷諾數(shù)ReVd雷諾數(shù)雷諾數(shù)或或ReVRRe2000kRe500k假設(shè)假設(shè)ReRek，水流為紊流，水流為紊流，1.752.0fhV前往前進(jìn)紊流構(gòu)成過(guò)程的分析紊流構(gòu)成過(guò)程的分析前往選定流層y流速分布曲線干擾FFFFFFFFFFFF升力渦 體紊流構(gòu)成條件渦體的

4、產(chǎn)生雷諾數(shù)到達(dá)一定的數(shù)值圓管中的層流運(yùn)動(dòng)及其沿程水頭損失的計(jì)算圓管中的層流運(yùn)動(dòng)及其沿程水頭損失的計(jì)算質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)特征圖示：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：切應(yīng)力：xdudr 流速分布推演：流速分布推演：220()4xgJurr斷面平均流速：斷面平均流速：232AudAgJVdA沿程水頭損失：沿程水頭損失：232fVLhgd2264642Re2L VL VVd dgdg沿程阻力系數(shù)：沿程阻力系數(shù)：64Re前往紊流特征紊流特征運(yùn)動(dòng)要素的脈動(dòng)景象運(yùn)動(dòng)要素的脈動(dòng)景象瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)要素如流速、壓強(qiáng)等隨時(shí)間發(fā)生動(dòng)搖的景象圖示圖示紊流產(chǎn)生附加切

5、應(yīng)力紊流產(chǎn)生附加切應(yīng)力12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22()xxduduldydy紊流粘性底層紊流粘性底層在紊流中緊靠固體邊境附近，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，該層流叫做粘性底層。圖示圖示 粘性底層雖然很薄，但對(duì)紊流的流動(dòng)有很大的影響。所粘性底層雖然很薄，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)律的研討有艱苦意義。以，粘性底層對(duì)紊流沿程阻力規(guī)律的研討有艱苦意義。質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)特征：質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)特征：液體質(zhì)點(diǎn)相互混摻、碰撞，雜亂無(wú)章液體質(zhì)點(diǎn)相互混摻、碰撞，雜亂無(wú)章地運(yùn)動(dòng)著地運(yùn)動(dòng)著前進(jìn)紊

6、動(dòng)使流速分布均勻化紊動(dòng)使流速分布均勻化 紊流中由于液體質(zhì)點(diǎn)相互混摻，相互碰撞，因此產(chǎn)生了液體內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)間的動(dòng)量傳送，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)果呵斥斷面流速分布的均勻化。流速分布的指數(shù)公式：流速分布的指數(shù)公式：0()nxmuyur當(dāng)Re105時(shí)，1118910n采用 或或流速分布的對(duì)數(shù)公式：流速分布的對(duì)數(shù)公式：5.75lgxuuyC摩阻流速，u層流流速分布紊流流速分布前往沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律前往22fL Vhdg尼古拉茲實(shí)驗(yàn)?zāi)峁爬潓?shí)驗(yàn)或242fL VhRgLg100lgRe015r015r015r015r015r015r層流時(shí)

7、,64Re水力光滑壁面, 稱(chēng)為紊流光滑區(qū)(Re)f水力粗糙壁面,稱(chēng)為紊流粗糙區(qū)0()rf過(guò)渡粗糙壁面,稱(chēng)為率流過(guò)渡粗糙區(qū)0(Re,)rf計(jì)算沿程水頭損失的閱歷公式計(jì)算沿程水頭損失的閱歷公式謝齊公式謝齊公式前往VCR J斷面平均流速斷面平均流速謝齊系數(shù)謝齊系數(shù)水力半徑水力半徑水力坡度水力坡度1.謝齊系數(shù)有量綱，量綱為謝齊系數(shù)有量綱，量綱為L(zhǎng)1/2T-1，單位為單位為m1/2/s。2.謝齊公式可適用于不同流態(tài)和流區(qū)，謝齊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運(yùn)用于管流。既可適用于明渠水流也可運(yùn)用于管流。3.常用計(jì)算謝齊系數(shù)的閱歷公式：常用計(jì)算謝齊系數(shù)的閱歷公式：曼寧公式曼寧公式巴甫洛夫

8、斯基公式巴甫洛夫斯基公式161CRn11yCRn這兩個(gè)公式均根據(jù)阻力平方區(qū)紊流的實(shí)測(cè)資料求得，故只這兩個(gè)公式均根據(jù)阻力平方區(qū)紊流的實(shí)測(cè)資料求得，故只能適用于阻力平方區(qū)的紊流。能適用于阻力平方區(qū)的紊流。8gC28gC或或n為粗糙系數(shù)，簡(jiǎn)為粗糙系數(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)糙率。水力半徑稱(chēng)糙率。水力半徑單位均采用米。單位均采用米。例題例題d1d2V1V2221133L部分水頭損失部分水頭損失前進(jìn)Z1Z2OOGx對(duì)對(duì)1-1、2-2斷面列能量方程式斷面列能量方程式221112221222wpVpVZZhgggg2212211212()()()22jppVVhZZgggg列列X方向的動(dòng)量方程式方向的動(dòng)量方程式1222221

9、cos()p Ap AgA LQ VV化簡(jiǎn)整理得：化簡(jiǎn)整理得：1221212()ppVV Vzzggg所以有所以有2222121212()()22jVV VVVVVhggg2222221112(1)(1)22AVAVAgAg2212jVhg2122jVhg前往部分水頭損失的通用計(jì)算公式：部分水頭損失的通用計(jì)算公式：22jVhg部分阻力系數(shù)運(yùn)用舉例理想液體流線實(shí)踐液體流線流速分布流速分布前往前往水頭損失分類(lèi)舉例前往hf雷諾實(shí)驗(yàn)lgVlghfO流速由小至大流速由大至小kVkV121.0,kfVV hV1.75 2.0,kfVV hV顏色水顏色水顏色水顏色水前往rur0每一圓筒層外表的切應(yīng)力：xdu

10、dr 另依均勻流沿程水頭損失與切應(yīng)的關(guān)系式有：0gRJgR J或所以有2xdurgJdr 積分整理得24xgJurC 當(dāng)r=r0時(shí)，ux=0，代入上式得204gJCr層流流速分布為220()4xgJurr拋物型流速分布前往A紊流紊流的脈動(dòng)景象紊流的脈動(dòng)景象xu瞬時(shí)流速xu脈動(dòng)流速tuxOtuxOxu時(shí)均流速xxxuuu 或xxxuuu01Txxuu dtT010Txxuu dtT時(shí)均恒定流時(shí)均恒定流時(shí)均非恒定流時(shí)均非恒定流前往紊流的粘性底層紊流的粘性底層粘性底層0紊流粘性底層厚度粘性底層厚度032.8Red可見(jiàn)，可見(jiàn)，0隨雷諾數(shù)的添加而減小。隨雷諾數(shù)的添加而減小。當(dāng)當(dāng)Re較小時(shí)，較小時(shí)，水力光

11、滑壁面水力光滑壁面當(dāng)當(dāng)Re較大時(shí)，較大時(shí)，00水力粗糙壁面水力粗糙壁面0過(guò)渡粗糙壁面過(guò)渡粗糙壁面前往紊流構(gòu)成過(guò)程的分析紊流構(gòu)成過(guò)程的分析前往選定流層y流速分布曲線干擾FFFFFFFFFFFFFFFF升力渦 體hf尼古拉茲實(shí)驗(yàn)?zāi)峁爬潓?shí)驗(yàn)相對(duì)粗糙度相對(duì)粗糙度 或相對(duì)光滑度或相對(duì)光滑度0r0r22fL Vhdg雷諾數(shù)雷諾數(shù)Re前往例題：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216Bbmhm2392bBAhm過(guò)水?dāng)嗝婷娣e濕周22118.5bhmm水

12、力半徑2.11ARm謝齊系數(shù)121166112.1166.5/0.017CRmsn沿程水頭損失220.11fV LhmC R斷面平均流速1/QVm sA前往例題：水從水箱流入一管徑不同的管道，管道銜接情況如下圖，知：111211150,25,0.037125,10,0.0390.5,0.15,2.0dmm lmdmm lm進(jìn)口收縮閥門(mén)以上值均采用發(fā)生部分水頭損失后的流速當(dāng)管道輸水流量為25l/s時(shí)，求所需求的水頭H。l1l2V00d2d1H分析：用能量方程式，三選定，列能量方程：2200002wVHhg11220012wfjffjjjhhhhhhhh進(jìn)口收縮閥門(mén)2222211221221212222