水力學(xué)課件 3液流型態(tài)及水頭損失 考研課件

1、水水 力力 學(xué)學(xué) 水力學(xué)水力學(xué)第三章第三章 液流型態(tài)及水頭損失液流型態(tài)及水頭損失 1 水頭損失的分類水頭損失的分類 2 液流邊界幾何條件對(duì)水頭損失的影響液流邊界幾何條件對(duì)水頭損失的影響 3 均勻流沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系均勻流沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系 4 液體運(yùn)動(dòng)的兩種型態(tài)液體運(yùn)動(dòng)的兩種型態(tài) 5 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 7 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 6 湍流的特征湍流的特征 9 局部水頭損失局部水頭損失 8 計(jì)算沿程水頭損失的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算沿程水頭損失的經(jīng)驗(yàn)公式謝齊公式謝齊公式 水力學(xué)水力學(xué) 第三章第三章 液流型態(tài)及水

2、頭損失液流型態(tài)及水頭損失 1 水頭損失的分類水頭損失的分類1 1 水頭損失的分類水頭損失的分類粘滯性粘滯性相對(duì)運(yùn)動(dòng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)物理性質(zhì)物理性質(zhì)固體邊界固體邊界產(chǎn)生水流阻力產(chǎn)生水流阻力損耗機(jī)械能損耗機(jī)械能h hw w 沿沿 程程 阻阻 力力 局局 部部 阻阻 力力 沿程水頭損失沿程水頭損失 局部水頭損失局部水頭損失fhjh 水力學(xué)水力學(xué)1 1 水頭損失的分類水頭損失的分類粘滯性粘滯性相對(duì)運(yùn)動(dòng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)物理性質(zhì)物理性質(zhì)固體邊界固體邊界產(chǎn)生水流阻力產(chǎn)生水流阻力損耗機(jī)械能損耗機(jī)械能h hw w 沿沿 程程 阻阻 力力 局局 部部 阻阻 力力 沿程水頭損失沿程水頭損失 局部水頭損失局部水頭損失某一流段的總水頭

3、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分段的沿程水頭損失的總和各種局部水頭損失的總和各種局部水頭損失的總和 第三章第三章 液流型態(tài)及水頭損失液流型態(tài)及水頭損失 1 水頭損失的分類水頭損失的分類舉例 水力學(xué)水力學(xué)1 1 水頭損失的分類水頭損失的分類 第三章第三章 液流型態(tài)及水頭損失液流型態(tài)及水頭損失 1 水頭損失的分類水頭損失的分類1122l1l2d2d1l1l2d2d11122 水力學(xué)水力學(xué) 第三章第三章 液流型態(tài)及水頭損失液流型態(tài)及水頭損失 2 液流邊界對(duì)水頭損失的影響液流邊界對(duì)水頭損失的影響2 2 液流邊界幾何條件對(duì)水頭損失的影響液流邊界幾何條件對(duì)水頭損失的影

4、響2.1 液流邊界橫向輪廓的形狀和大小對(duì)水頭損失的影響液流邊界橫向輪廓的形狀和大小對(duì)水頭損失的影響過(guò)水?dāng)嗝婷娣e過(guò)水?dāng)嗝婷娣eA 濕濕 周周水力半徑水力半徑RA2m1m1.414m1.414m1.596m 水力學(xué)水力學(xué) 第三章第三章 液流型態(tài)及水頭損失液流型態(tài)及水頭損失 2 液流邊界對(duì)水頭損失的影響液流邊界對(duì)水頭損失的影響2 2 液流邊界幾何條件對(duì)水頭損失的影響液流邊界幾何條件對(duì)水頭損失的影響2.2 液流邊界縱向輪廓對(duì)水頭損失的影響液流邊界縱向輪廓對(duì)水頭損失的影響順直順直 漸擴(kuò)、漸縮、彎曲、彎折等變化漸擴(kuò)、漸縮、彎曲、彎折等變化均勻流均勻流急變流急變流只有沿程只有沿程水頭損失水頭損失沿程、局部水沿

5、程、局部水頭損失都有頭損失都有漸變流漸變流局部水頭損失局部水頭損失可忽略不計(jì)可忽略不計(jì) 水力學(xué)水力學(xué) 第三章第三章 液流型態(tài)及水頭損失液流型態(tài)及水頭損失 2 均勻流均勻流hf的關(guān)系的關(guān)系3 3 均勻流沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系均勻流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整理得：01212()()ppLZZggAg改寫為：0gRJ00fLLhAgRg0fhgRL 水力學(xué)水力學(xué)3 3 均勻流沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系均勻流沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系0gRJ0fhgRL 第三章第三章 液流

6、型態(tài)及水頭損失液流型態(tài)及水頭損失 2 均勻流均勻流hf的關(guān)系的關(guān)系0fLhRg242fL VhRg圓管中圓管中4dR 22fL Vhdg沿程水頭損失的通用公式沿程水頭損失的通用公式（又稱為達(dá)西公式）（又稱為達(dá)西公式）量綱分析量綱分析020( , , , , )8f R VV 沿程阻力系數(shù)(,)V RfR 水力學(xué)水力學(xué) 第三章第三章 液流型態(tài)及水頭損失液流型態(tài)及水頭損失 4 液體運(yùn)動(dòng)的兩種型態(tài)液體運(yùn)動(dòng)的兩種型態(tài)4 4 液體運(yùn)動(dòng)的兩種型態(tài)液體運(yùn)動(dòng)的兩種型態(tài)4.1 雷諾試驗(yàn)雷諾試驗(yàn)hflgVlghfOkVkV12流速由小至大流速由小至大流速由大至小流速由大至小下臨界流速下臨界流速上臨界流速上臨界流速

7、1.0,kfVV hV1.75 2.0,kfVV hV 水力學(xué)水力學(xué) 第三章第三章 液流型態(tài)及水頭損失液流型態(tài)及水頭損失 4 液體運(yùn)動(dòng)的兩種型態(tài)液體運(yùn)動(dòng)的兩種型態(tài)4 4 液體運(yùn)動(dòng)的兩種型態(tài)液體運(yùn)動(dòng)的兩種型態(tài)4.1 雷諾試驗(yàn)雷諾試驗(yàn)lgVlghfOkVkV12流速由小至大流速由小至大流速由大至小流速由大至小下臨界流速下臨界流速上臨界流速上臨界流速hf1.0,kfVV hV1.75 2.0,kfVV hV顏色水 水力學(xué)水力學(xué)4.1 雷諾試驗(yàn)雷諾試驗(yàn)當(dāng)流量（流速）較小時(shí)，各流層的液體質(zhì)點(diǎn)是有條不當(dāng)流量（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)叫做紊地運(yùn)動(dòng)，互不混雜，這

8、種型態(tài)的流動(dòng)叫做層流層流。 當(dāng)流量（流速）較大時(shí)，各流層的液體質(zhì)點(diǎn)形成渦體，當(dāng)流量（流速）較大時(shí)，各流層的液體質(zhì)點(diǎn)形成渦體，在流動(dòng)過(guò)程中，相互混摻，這種型態(tài)的流動(dòng)叫做在流動(dòng)過(guò)程中，相互混摻，這種型態(tài)的流動(dòng)叫做湍流湍流 。 第三章第三章 液流型態(tài)及水頭損失液流型態(tài)及水頭損失 4 液體運(yùn)動(dòng)的兩種型態(tài)液體運(yùn)動(dòng)的兩種型態(tài)4 4 液體運(yùn)動(dòng)的兩種型態(tài)液體運(yùn)動(dòng)的兩種型態(tài)1.0kfVVhV1.75 2.0kfVVhV 水力學(xué)水力學(xué) 第三章第三章 液流型態(tài)及水頭損失液流型態(tài)及水頭損失 4 液體運(yùn)動(dòng)的兩種型態(tài)液體運(yùn)動(dòng)的兩種型態(tài)4 4 液體運(yùn)動(dòng)的兩種型態(tài)液體運(yùn)動(dòng)的兩種型態(tài)RekkV d（下）臨界雷諾數(shù)（下）臨界雷諾

9、數(shù)ReVd雷諾數(shù)雷諾數(shù)或或ReVRRe2000kRe500k若若ReRek，水流為湍流，水流為湍流，1.752.0fhV4.2 層流與湍流的判別層流與湍流的判別表征了慣性力與粘滯力的比值表征了慣性力與粘滯力的比值 水力學(xué)水力學(xué) 第三章第三章 液流型態(tài)及水頭損失液流型態(tài)及水頭損失 4 液體運(yùn)動(dòng)的兩種型態(tài)液體運(yùn)動(dòng)的兩種型態(tài)4 4 液體運(yùn)動(dòng)的兩種型態(tài)液體運(yùn)動(dòng)的兩種型態(tài)4.3 湍流形成過(guò)程的分析湍流形成過(guò)程的分析選定流層y流速分布曲線干擾FFFFFFFFFFFF升力渦 體湍流形成條件湍流形成條件渦體的產(chǎn)生渦體的產(chǎn)生雷諾數(shù)達(dá)到一定的數(shù)值雷諾數(shù)達(dá)到一定的數(shù)值 水力學(xué)水力學(xué) 第三章第三章 液流型態(tài)及水頭損失

10、液流型態(tài)及水頭損失 5 圓管中的層流運(yùn)動(dòng)圓管中的層流運(yùn)動(dòng)5 5 圓管中的層流運(yùn)動(dòng)圓管中的層流運(yùn)動(dòng)5.1 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方式質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方式液體質(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 水力學(xué)水力學(xué) 第三章第三章 液流型態(tài)及水頭損失液流型態(tài)及水頭損失 5 圓管中的層流運(yùn)動(dòng)圓管中的層流運(yùn)動(dòng)5 5 圓管中的層流運(yùn)動(dòng)圓管中的層流運(yùn)動(dòng)5.2 切應(yīng)力切應(yīng)力每一圓筒層表面的切應(yīng)力都可按牛頓內(nèi)摩擦定律計(jì)算每一圓筒層表面的切應(yīng)力都可按牛頓內(nèi)摩擦定律計(jì)算xdudr rur0 水力學(xué)水力學(xué) 第三章第三章 液流型態(tài)及水頭損失液流型態(tài)及水頭損失 5 圓管中的層流運(yùn)動(dòng)圓管中的層流運(yùn)動(dòng)5 5

11、圓管中的層流運(yùn)動(dòng)圓管中的層流運(yùn)動(dòng)5.3 流速分布流速分布按牛頓內(nèi)摩擦定律每一圓筒層表面的切應(yīng)力按牛頓內(nèi)摩擦定律每一圓筒層表面的切應(yīng)力xdudr 另依均勻流沿程水頭損失與切應(yīng)的關(guān)系式有另依均勻流沿程水頭損失與切應(yīng)的關(guān)系式有2rgR JgJ所以有所以有2xdurgJdr 積分整理得積分整理得24xgJurC 當(dāng)當(dāng)r=r0時(shí)，時(shí)，ux=0，代入上式得，代入上式得204gJCr拋物型流速分布拋物型流速分布220()4xgJurr 水力學(xué)水力學(xué)AudAVA 第三章第三章 液流型態(tài)及水頭損失液流型態(tài)及水頭損失 5 圓管中的層流運(yùn)動(dòng)圓管中的層流運(yùn)動(dòng)5 5 圓管中的層流運(yùn)動(dòng)圓管中的層流運(yùn)動(dòng)5.4 斷面平均流速

12、斷面平均流速220()4xgJurr0220020()24rrrrdrgJr00202rxurdrr208gJr232gJVd 水力學(xué)水力學(xué)232fVLhgd2642L VVd dg64Re 第三章第三章 液流型態(tài)及水頭損失液流型態(tài)及水頭損失 5 圓管中的層流運(yùn)動(dòng)圓管中的層流運(yùn)動(dòng)5 5 圓管中的層流運(yùn)動(dòng)圓管中的層流運(yùn)動(dòng)5.5 沿程水頭損失沿程水頭損失232gJVd264Re2L Vdg5.6 沿程阻力系數(shù)沿程阻力系數(shù)22fL Vhdg 水力學(xué)水力學(xué) 第三章第三章 液流型態(tài)及水頭損失液流型態(tài)及水頭損失 6 湍流的特征湍流的特征6 6 湍流的特征湍流的特征6.1 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方式質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方式液體質(zhì)點(diǎn)互

13、相混摻、碰撞，雜亂無(wú)章地運(yùn)動(dòng)著液體質(zhì)點(diǎn)互相混摻、碰撞，雜亂無(wú)章地運(yùn)動(dòng)著運(yùn)動(dòng)要素的脈動(dòng)現(xiàn)象運(yùn)動(dòng)要素的脈動(dòng)現(xiàn)象某一定點(diǎn)瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)要素（如流速、某一定點(diǎn)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)象壓強(qiáng)等）隨時(shí)間發(fā)生波動(dòng)的現(xiàn)象A湍流xu瞬時(shí)流速xu脈動(dòng)流速tuxOtuxOxu時(shí)均流速（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 水力學(xué)水力學(xué) 第三章第三章 液流型態(tài)及水頭損失液流型態(tài)及水頭損失 6 湍流的特征湍流的特征6 6 湍流的特征湍流的特征6.2 湍流產(chǎn)生附加切應(yīng)力湍流產(chǎn)生附加切應(yīng)力層間的時(shí)均相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的粘滯切應(yīng)力層間的時(shí)均相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的粘滯切應(yīng)力1xdudy純粹由脈動(dòng)流速所

14、產(chǎn)生的附加切應(yīng)力純粹由脈動(dòng)流速所產(chǎn)生的附加切應(yīng)力222()xduldy湍流總切應(yīng)力湍流總切應(yīng)力12 水力學(xué)水力學(xué) 第三章第三章 液流型態(tài)及水頭損失液流型態(tài)及水頭損失 6 湍流的特征湍流的特征6 6 湍流的特征湍流的特征6.3 湍流中存在粘性底層湍流中存在粘性底層粘性底層的厚度隨著雷諾數(shù)的增大而減小。粘性底層的厚度隨著雷諾數(shù)的增大而減小。粘性底層粘性底層0湍流湍流粘性底層厚度粘性底層厚度032.8Red 水力學(xué)水力學(xué)當(dāng)當(dāng)Re較小時(shí)，較小時(shí)，水力光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水力過(guò)渡粗糙壁面水力過(guò)渡粗糙壁面 第三章第三章 液流型態(tài)及水頭損失液流型態(tài)及水頭

15、損失 6 湍流的特征湍流的特征6 6 湍流的特征湍流的特征6.3 湍流中存在粘性底層湍流中存在粘性底層 水力學(xué)水力學(xué) 第三章第三章 液流型態(tài)及水頭損失液流型態(tài)及水頭損失 6 湍流的特征湍流的特征6 6 湍流的特征湍流的特征6.4 湍流使流速分布均勻化湍流使流速分布均勻化層流流速分布紊流流速分布流速分布的指數(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：5.75lgxuuyCu摩阻流速摩阻流速 水力學(xué)水力學(xué) 第三章第三章 液流型態(tài)及水頭損失液流型態(tài)及水頭損失 7 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7 7

16、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7.1 尼庫(kù)拉茲試驗(yàn)?zāi)釒?kù)拉茲試驗(yàn)hf22fL Vhdg)Re(d，f相對(duì)粗糙度雷諾數(shù) 水力學(xué)水力學(xué) 第三章第三章 液流型態(tài)及水頭損失液流型態(tài)及水頭損失 7 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7.1 尼庫(kù)拉茲試驗(yàn)?zāi)釒?kù)拉茲試驗(yàn)Lg（100）lgRe層流時(shí),64Re611d301d1201d2521d5041d10141d水力粗糙壁面,稱為紊流粗糙區(qū))(3df過(guò)渡粗糙壁面,稱為率流過(guò)渡粗糙區(qū))(Re,2df水力光滑壁面, 稱為紊流光滑區(qū)(Re)1f7 7 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 水力學(xué)水力學(xué) 第三章第三章 液流型態(tài)及水頭損失

17、液流型態(tài)及水頭損失 7 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7 7 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)律尼庫(kù)拉茲試驗(yàn)結(jié)論：尼庫(kù)拉茲試驗(yàn)結(jié)論：Re2000，層流，層流，64ReRe4000，湍流，湍流，Re(Re)1f紊流光滑區(qū)紊流光滑區(qū)紊流粗糙區(qū)紊流粗糙區(qū))(3df)(Re,2df紊流過(guò)渡粗糙區(qū)紊流過(guò)渡粗糙區(qū) 水力學(xué)水力學(xué)柯列布魯克柯列布魯克-懷特經(jīng)驗(yàn)公式懷特經(jīng)驗(yàn)公式)Re51. 27 . 3lg(21d 第三章第三章 液流型態(tài)及水頭損失液流型態(tài)及水頭損失 7 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7 7 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7.2 經(jīng)驗(yàn)公式經(jīng)驗(yàn)公

18、式7.3 莫迪圖莫迪圖 水力學(xué)水力學(xué) 第三章第三章 液流型態(tài)及水頭損失液流型態(tài)及水頭損失 8 謝齊公式謝齊公式8 8 沿程水頭損失的經(jīng)驗(yàn)公式沿程水頭損失的經(jīng)驗(yàn)公式謝齊公式謝齊公式VCR J斷面平均流速斷面平均流速謝才系數(shù)謝才系數(shù)水力半徑水力半徑水力坡度水力坡度28gC2282fgLVhCdg 水力學(xué)水力學(xué) 第三章第三章 液流型態(tài)及水頭損失液流型態(tài)及水頭損失 8 謝齊公式謝齊公式8 8 沿程水頭損失的經(jīng)驗(yàn)公式沿程水頭損失的經(jīng)驗(yàn)公式謝齊公式謝齊公式u謝才系數(shù)有量綱，單位為謝才系數(shù)有量綱，單位為m1/2/su曼寧公式曼寧公式161CRn n為粗糙系數(shù)，簡(jiǎn)稱糙率為粗糙系數(shù)，簡(jiǎn)稱糙率 水力半徑采用米為單

19、位水力半徑采用米為單位u巴甫洛夫斯基公式巴甫洛夫斯基公式11yCRnVCR J 水力學(xué)水力學(xué) 第三章第三章 液流型態(tài)及水頭損失液流型態(tài)及水頭損失 9 局部水頭損失局部水頭損失9 9 局部水頭損失局部水頭損失9.1 圓管突然擴(kuò)大處的局部水頭損失圓管突然擴(kuò)大處的局部水頭損失d1d2V1V2221133LZ1Z2OOG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1222221cos()p Ap AgA LQ VV整理得整理得1221212()()()

20、ppVV Vzzgggx 水力學(xué)水力學(xué) 第三章第三章 液流型態(tài)及水頭損失液流型態(tài)及水頭損失 9 局部水頭損失局部水頭損失9 9 局部水頭損失局部水頭損失9.1 圓管突然擴(kuò)大處的局部水頭損失圓管突然擴(kuò)大處的局部水頭損失d1d2V1V2221133LZ1Z2OOGx2222121212()()22jVV VVVVVhggg22221(1)2AVAg2212jVhg2122jVhg22112(1)2AVAg局部水頭損失系數(shù)局部水頭損失系數(shù)(又稱局部阻力系數(shù)又稱局部阻力系數(shù)) 水力學(xué)水力學(xué) 第三章第三章 液流型態(tài)及水頭損失液流型態(tài)及水頭損失 9 局部水頭損失局部水頭損失9 9 局部水頭損失局部水頭損失9.2 局部水頭損失的通用計(jì)算公式局部水頭損失的通用計(jì)算公式22jVhg 水力學(xué)水力學(xué) 第三章第三章 液流型態(tài)及水頭損失液流型態(tài)及水頭損失 9 局部水頭損失局部