水流形態(tài)與水頭損失

1、第四章 水流形態(tài)與水頭損失第一節(jié) 水頭損失及其分類一 、產(chǎn)生的原因 實際液體在流動過程中,有能量損失,主要是由于水流與邊界面接觸的液體質(zhì)點黏附于固體表面,為零,在邊界面的法線方向上從零迅速增大,在水?dāng)嗝嫔狭魉俜植继幱诓痪鶆驙顟B(tài),這樣流層之間存在相對運動,實際液體又有黏滯性,有相對運動的兩相鄰流層間就產(chǎn)生內(nèi)摩擦力,水流在流動過程中,要克服這種摩擦阻力消耗一部分機械能,轉(zhuǎn)化為熱能而損失.所以,單位重量水體從一斷面流至另一斷面所損失的機械能為兩斷面間的學(xué)位能量損失,也叫水頭損失.由黏滯性產(chǎn)生的根本原因這是內(nèi)因.的外因:1橫向固體邊界的形狀和小的變化。即形狀不同，大小不同，可用的水?dāng)嗝婷娣e不同，與水流

2、接觸的長度的濕周不同，產(chǎn)生的水流阻力及不同。如：兩個不同形狀的斷面，一正方行，二扁長矩形，兩者的相同，水流條件相同，但扁長矩形渠槽的較大，所受阻力大，所以，大，所以,也大，及阻力大。如果兩者水?dāng)嗝娴南嗤?，但不同，通過同樣的，水流阻力及也不相等。所以，較小，通過的較大，相應(yīng)的水流阻力及也大。所以用或來表示水力特征卻又不全面，只有將兩者結(jié)合起來才較全面，即水力半經(jīng) 主要的水力要素， , 。2水流邊界縱向輪廓對的影響，輪廓不同的水流可能發(fā)生均勻流與非均勻流。均勻流中沿水流（程）各個水?dāng)嗝娴乃σ丶癡均不變，所以：均勻流時產(chǎn)生的原因只有黏滯性。非均勻流時,邊界界條件不同改變所以黏滯性及邊齊形條件卻(

3、 )水流產(chǎn)生。因此, 的類型.二 、 的分類. 為便于計算將分為.:1、 沿程水頭損失,在均勻漸變流中,由各流層間的相對運動而產(chǎn)生的阻力.為內(nèi)摩擦阻力.,由于均勻地分布在水流的整個過程中,所以叫沿程阻力.沿程 ,為克服沿程阻力而產(chǎn)生的單位重量水體在運動過程中的能量損失-沿程水頭損失2、局部水頭損失: 水流流動的過界急劇變化,在局部段內(nèi)水流產(chǎn)生附加阻力,額外消耗了大量機械能. 這種阻隔力叫局部阻力.局部，為克服局部阻力而產(chǎn)生的單位重量水體的機械能量損失.注意產(chǎn)生在一個局部段內(nèi),為便于分析轉(zhuǎn)化為一個斷面,總水頭損失. 、 第二節(jié) 均勻流沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系在管運式明渠均勻流里,任取一段總流來

4、分析.管運軸線與水平面的夾角為,流段長為L,過水?dāng)嗝婷娣e為A.為1-1.2-2.的動水壓強. Z1 Z2為1-1.2-2形心距0-0的距離高度.作用在上的外力.1.動水壓力.P1 = PC1A1 P2 = PC2A22.重力 3.摩阻力 T=C0. C0 固體邊界作用水流上的平均切應(yīng)力.注意T與水流切應(yīng)力方向相反.均勻流是處于平衡狀態(tài). 所以F=0即： 各項除以 所以 即的關(guān)系式。第三節(jié) 液流體運動的兩種型態(tài)在自然界的條件下，水流運動時，內(nèi)部存在著兩種流動型態(tài)，不同的水流型態(tài)下，水流的運動方式，斷面流速分布規(guī)律，水頭損失各不相同，英國物理學(xué)家雷諾在1883年通過大量的試驗，證明并解決了判斷方法

5、。一、雷諾試驗在黑板上畫圖（雷諾試驗裝置）層流-流線為互相平行的直線，水質(zhì)點做著有規(guī)律的直線運動。紊流-流線為互不平行的直線，水質(zhì)點做著規(guī)律的曲線運動。試驗以相反方向關(guān)閉閥門，水流則由紊流轉(zhuǎn)化為層流。二、 層流，紊流的判斷1> 臨界流速的型判 斷層流紊流 紊流層流 且 > 較穩(wěn)定但不宜確定.2> 臨界雷諾數(shù)雷諾在試驗的過程中不斷地改變水溫,管徑和液體的種類的變化較大, 判斷非常的不方便,雷諾發(fā)現(xiàn)不同的液體,溫度,管徑的情況下,液體在流動型態(tài)轉(zhuǎn)時,的數(shù)值不變,即水流型態(tài)的轉(zhuǎn)變與液體運動的速度,及有關(guān).所以叫雷諾數(shù)即 且在液體運動的型態(tài)轉(zhuǎn)變時,當(dāng)斷面型狀不變時為常數(shù),為臨界雷諾數(shù)

6、表示. 實際液體 < 時為層流 >時為紊流 注意:同一種形狀不同的液體和溫度及不同的邊界尺寸=常數(shù),不同的形狀常數(shù). 圓管 2320 明渠 (300500)例1:判別液流的型態(tài)1>輸入管徑,通過的流量,水溫 2>輸油管徑,通過的流量,已知油的粘滯性系數(shù). 解:1>輸水管 則 所以為紊流.2>輸油管 層流.例2:某試驗室的矩形試驗明槽,底寬,水深,測得其斷面平均流速,室,人的水溫為,判別槽內(nèi)的水流流態(tài)? 解: 為紊流. 在明渠和天然河道中,大多都為紊流. 三. 的意義,為什么能判斷流態(tài) 量綱分析 慣性力 量綱粘滯力 量綱所以 由此可見與的量綱相同,注意L為特征

7、長度,在管流中用管徑,在明渠中用水力半徑.第四節(jié) 紊流運動一 、紊流的形成過程由前述可見, 表示了液體的慣性力與粘滯力的對比關(guān)系,當(dāng)大力大，當(dāng)小力較大, 在,慣性力起控制作用.當(dāng)大時,慣性力較小, 小,粘滯力起控制作用等時水流為層流運動.當(dāng)增大,實際施加外來干擾,其過水?dāng)嗝嫔系牧魉俜植加胁痪鶆虺潭燃哟?相鄰各流層間的液體質(zhì)點由于相對運動而產(chǎn)生的,人摩擦力,增大較小時,對水流擾動影響不大,當(dāng)繼續(xù)增大,則層流產(chǎn)生波動. 波谷 波峰 上下產(chǎn)生一個模向壓力.,形成一對力偶,使波峰與波谷重疊,形成渦體, 渦體形成后,開始旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)方向與水流一致的一邊, ,另一邊 .渦體兩邊的壓強差較大開力,粘滯力對的渦

8、體的控制力削減, 渦體在模向壓力的作用下,擺脫粘滯力的控制而進(jìn)入另一新流層,產(chǎn)生了質(zhì)點間的混摻而形成的紊流.形成條件:1)渦體產(chǎn)生 2)渦體脫離原流層進(jìn)入新流層二、 紊流的特征1> 紊流運動的基本特征-脈動現(xiàn)象紊流由流場大小不同的溜體組成,在向前運動的同時,不停地旋轉(zhuǎn),震蕩,混摻,相互碰撞,分解又重新組合,因此各點的運動要素( )的大小,方向就水?dāng)嗟刈兓? 任一瞬時的運動要素有兩部分組成,一是時均值,二是脈動值. 脈動值有大,有小,有正,有負(fù).但當(dāng)T有足夠長時,在下時段內(nèi)脈動值為0. 時均值的大小與所取時間有關(guān)，T太短，不穩(wěn)定，所以水文測驗中，用流速儀測定時間有一定的要求，。紊流運動要素

9、時均值概念的提出，給我們研究帶來方便，如果從瞬時的概念看紊流，恒定流是不是不存在的，但從時均運動上看，就有了時均流線和時均恒定流。 即：當(dāng)運動要素時均值不隨時間變化為恒定流。 當(dāng)運動要素時均值隨時間變化為非恒定流。恒定流與非恒定流的提出為時均的概念。脈動現(xiàn)象的存在，使得水流對邊壁的影響變得復(fù)雜。例如：由于脈動現(xiàn)象的存在，脈動壓強不但會增加建筑物有所承受的瞬時荷載，而且會引起建筑物的振動及產(chǎn)生空蝕現(xiàn)象。河床底部受水流的強烈脈動，能使水流挾帶三、 紊流的流速分布1、層流時 水流的流速分布呈拋物線分布明渠時 圓管時 紊流時 對數(shù)公式明渠時 圓管時 而紊流中流速分布呈對數(shù)分布 比層流時要均勻多式中 積

10、分常數(shù)c 主要根據(jù)邊界條件和水流的流動情況來確定如在水文測驗中 要實測某明渠均勻過水?dāng)嗝嫔先我淮咕€流速分布任一點為y(管底部)水深當(dāng)y=H 代入公式 則 垂線上任意點流速與表面流速的關(guān)系。 沿垂線對u 積分可以得單位寬度上的過流量 如果深H可得 令 或者上式為垂線平均流速與表面流速的關(guān)系 將代如可得到發(fā)生的位置即 即可以得到 在水面以下 0.633H 處的點流速為垂線平均流速實際工作中 水文測驗中常數(shù)水位以下0.6H處的點流速近似代替垂線平均流速 第五節(jié) 的分析與計算一、 的經(jīng)驗公式 謝才公式人類在生產(chǎn)實踐中總結(jié)出一套計算的公式，在理論上不夠完善。但在生產(chǎn)實踐中廣泛應(yīng)用 并在一定程度上能滿足需

11、要需用的是1769年謝才總結(jié)了名渠水流的實測資料后的公式 叫謝才公式式中v-斷口平均流速 A-過水?dāng)嗝婷娣e X-濕周水流與固邊界接觸的周長 c-謝才系數(shù) 計算公式有 （1）曼寧公式 n-糙 粗糙系數(shù) 反映邊壁曼寧公式形式簡單 計算方便 阻力影響的綜合系數(shù) 參數(shù)表4-2在管道及較小河渠中應(yīng)用較廣（2）巴甫洛夫斯基公式 y可近似計算 R適用范圍n值的選定 在實際工程中往往較復(fù)雜 像管道有新有舊，有生銹 ，有清潔的 ，天然河道中，糙率更復(fù)雜。例題：有一矩形斷面渠道Q=25 底寬b=6m 水深 h=3m 求渠道中發(fā)生均勻流時每公里渠道中的解： 混凝土砌面的渠道 n=0.014曼寧公式L=1公里=100

12、0m二 、的理論公式 達(dá)西 ？斯巴羅公式 前面我們導(dǎo)出了均勻流切應(yīng)力的關(guān)系式 而與v. R . u. 有關(guān).-由量綱分析和定理知道-比例系數(shù)代入 適當(dāng)處理 -反映固體邊界的平均切應(yīng)力對的影響叫沿程阻力系數(shù)令上式在均勻流條件下建立起來 適用均勻流的層流與紊流三、的測定與分析1、測定的圓管為例 畫圖分析講解 由能量方程推導(dǎo)所以 Q由稱重法得 出介紹測Q的幾種方法。2的變化規(guī)律為了研究探討的變化規(guī)律，尼古拉用不同的粒徑的人工砂貼在管壁上表示不同的粗糙度進(jìn)行一系列的實驗，將試驗結(jié)果繪制成反映的變化規(guī)律餓關(guān)系曲線 以后葵士格又進(jìn)行同方法在明渠中進(jìn)行試驗也得到了相同曲線在1944年，摩迪在總結(jié)前人的經(jīng)驗的

13、基礎(chǔ)上，對工業(yè)管道進(jìn)行實驗并繪制不同相對粗糙度的管道與Re的關(guān)系曲線摩迪圖，此圖反映了、Re、的相互關(guān)系以為縱坐標(biāo)、Re為橫坐標(biāo)，參變量用相對粗糙度表示，在此圖中顯示Re分有四個流區(qū)，不同流區(qū)中，遵循不同的規(guī)律1、近壁層流區(qū)（Re<2320），緊靠近邊壁上，整個水流為層流，總之，無論在管流式明渠中，都存在兩種流動形態(tài)層流與紊流，紊流中又分為三個流區(qū)，有著不同的規(guī)律。所以計算要先區(qū)分流態(tài)和流區(qū)對于工業(yè)管采用摩迪圖查得計算結(jié)果與實際情況較符合，工業(yè)管采用公式計算，但水利工程中一般采用經(jīng)驗公式計算，我們掌握第六節(jié) 邊界層概念及邊界層的分離現(xiàn)象一、 邊界層概念這一理論在1904年有普朗特提出，出

14、發(fā)點為 ：與實際液體與固體邊界接觸時 液體質(zhì)點必然粘附邊界上，與邊界沒有相對運動，u=0 在邊界的法線方向水流的u從0 增大。在邊界附近存在較大的橫向的流速梯度。在這個區(qū)內(nèi)，粘滯性作用不能忽視，邊界附近的流區(qū)既為邊界層。邊界層以外的流動橫向流速剃度較小，可以粘滯性的作用。按理想液體處理。邊界層的范圍一般是指層流間存在摩阻力的范圍 即邊界層的厚度 一般規(guī)定 u=0.99u處的垂直距離為邊界層厚度，沿水流方向增加 =f（x）邊界層現(xiàn)象在工程中經(jīng)常遇到二、 邊界層的分離現(xiàn)象 邊界層流動在一定條件下，將產(chǎn)生邊界層的分離現(xiàn)象。如圖所示 與水流沿柱流動時 v 越接近圓柱越小p越大，達(dá)到a點時 u=0 稱為駐點 液體質(zhì)點達(dá)到停滯點后便停滯不前 且知道液體為不可壓縮 在后面流來的液體質(zhì)點的作用下，使流質(zhì)點改變運動方向 沿圓柱發(fā)生側(cè)向流動，同時將壓能轉(zhuǎn)化為動能當(dāng)水流有a點到b點。 由于圓柱的滯水作用形成邊界層 且 流線趨于集中 此時水流加速減壓。但過b點后流線擴散。水流減速加壓，到一定點，例如 e點的斷面 u=0 有出現(xiàn)新的停滯點。同樣由于液體的不可壓縮。繼續(xù)流來的質(zhì)點改變流動方向 脫離邊界，向外側(cè)流動 ，這種現(xiàn)象為邊界層分離現(xiàn)象。E點為分離點 ，水流脫離