水力學(xué)系統(tǒng)講義課件第五章(1)-流動(dòng)形態(tài)及水頭損失

1、第五章 液體的流動(dòng)型態(tài)及水頭損失 5-1 水頭損失產(chǎn)生的原因及分類(lèi) 5-2 均勻流中沿程水頭損失的計(jì)算公式 5-3 液體流動(dòng)的兩種型態(tài)輸水管路系統(tǒng) 5-1 水頭損失產(chǎn)生的原因及分類(lèi)產(chǎn)生原因：液體的粘滯性和液體質(zhì)點(diǎn)間的動(dòng)量交換而引起的。 沿程水頭損失：在管徑沿程不變的直管段內(nèi)產(chǎn)生，記為hf，其大小和管長(zhǎng)成比例。 產(chǎn)生原因：局部地區(qū)產(chǎn)生漩渦。漩渦的產(chǎn)生及維持，漩渦水體與主流之間的動(dòng)量交換，漩渦間的碰撞與摩擦均需消耗能量而引起水頭損失。 局部水頭損失：在水流方向、斷面形狀和尺寸改變以及障礙處產(chǎn)生，記為hj。 過(guò)水?dāng)嗝娴男螤詈统叽鐚?duì)沿程水頭損失的影響 濕周：過(guò)水?dāng)嗝嫔媳灰后w濕潤(rùn)的固體周界長(zhǎng)度，記為。

2、結(jié)論：在同樣的流量，同樣的管材、管長(zhǎng)、過(guò)水?dāng)嗝娣e的前提下，濕周越小，沿程水頭損失越小。 過(guò)水?dāng)嗝娴男螤詈统叽鐚?duì)沿程水頭損失的影響 結(jié)論：不能單純用過(guò)水?dāng)嗝娣e和濕周的大小反映過(guò)水?dāng)嗝娴男螤詈统叽鐚?duì)沿程水頭損失的影響。 水力半徑 過(guò)水?dāng)嗝娣eA與濕周之比定義為水力半徑： 其他條件相同：水力半徑大者沿程水頭損失小。對(duì)于半徑為r或者直徑為d的圓形過(guò)水?dāng)嗝?，水力半徑?綜合反映過(guò)水?dāng)嗝娣e和濕周對(duì)沿程水頭損失的影響。對(duì)于底寬為b，水深為h，邊坡系數(shù)為m的梯形過(guò)水?dāng)嗝媲赖乃Π霃綖?矩形過(guò)水?dāng)嗝媲赖乃Π霃剑頼=0，則對(duì)于h/b1/10的寬矩形過(guò)水?dāng)嗝媲赖乃Π霃?5-2 均勻流中沿程水頭損失的計(jì)算公

3、式 圓管總流中取出長(zhǎng)度為s的一段作為控制體，研究其平衡。假設(shè)流動(dòng)是恒定的均勻流，且液體是不可壓縮的。 恒定流，沒(méi)有時(shí)間加速度；均勻流，沒(méi)有位移加速度，故該流動(dòng)液體的全部加速度為零。 控制體上的表面力：動(dòng)水總壓力；摩擦力 控制體上的質(zhì)量力：重力分量 動(dòng)水總壓力摩擦力 重力分量 寫(xiě)11和22斷面的能量方程式 圓管均勻流過(guò)水?dāng)嗝嫔系那袘?yīng)力按直線(xiàn)規(guī)律分布，管壁處最大，管軸線(xiàn)處為零。 對(duì)于水力半徑為R的同心圓筒式元流，其元流表面的切應(yīng)力為 由量綱分析我們可以得到切應(yīng)力0為 均勻流情況下的沿程水頭損失公式 對(duì)于圓管 達(dá)西-威斯巴赫（Darcy-Weisbach）公式 例5.2.1 水流在直徑d=30cm的

4、圓管中流動(dòng)時(shí)，在l=100管長(zhǎng)上測(cè)得水頭損失hf=2m。試求：（1）管壁上的切應(yīng)力0； （2）當(dāng)沿程水頭損失系數(shù)=0.025時(shí)的斷面平均流 速v。 解：（1）0計(jì)算 （2）斷面平均流速計(jì)算 5-3 液體流動(dòng)的兩種型態(tài) 雷諾實(shí)驗(yàn)液流型態(tài)的判別雷諾數(shù)的物理意義5.3.1 雷諾實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)裝置上游是一個(gè)保持恒定水位的水箱，由側(cè)壁引出一根平直的玻璃管。水箱頂部放有一盛紅顏色水的容器，在其下用細(xì)管引入到水平玻璃管的入口處。兩個(gè)測(cè)壓管是為了測(cè)量沿程水頭損失。通過(guò)閥門(mén)K可以調(diào)節(jié)管中的流速。下游設(shè)有接水容器。 實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象先將閥門(mén)K微微打開(kāi)，在玻璃管中有一條平直的色線(xiàn)。再將閥門(mén)K逐漸開(kāi)大，玻璃管中的流速就逐漸

5、增大，管中的色線(xiàn)開(kāi)始顫動(dòng)并彎曲，有波狀外形。當(dāng)流速達(dá)到一定值時(shí)，色線(xiàn)完全破裂形成許許多多的小旋渦充滿(mǎn)整個(gè)玻璃管。當(dāng)實(shí)驗(yàn)以相反的程序進(jìn)行時(shí)，則流動(dòng)從紊流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿?。由紊流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鲿r(shí)的流速比由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鲿r(shí)的流速小。實(shí)驗(yàn)結(jié)論1.同一種液體在同一個(gè)管道中流動(dòng)，當(dāng)流速不同時(shí)液體有兩種不同的運(yùn)動(dòng)型態(tài)：（1）層流：是指在流速較小時(shí)，液體質(zhì)點(diǎn)作有條不紊的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，水流各層上的質(zhì)點(diǎn)互不摻混。（2）紊流（湍流）：是指在流速較大時(shí)，流層逐漸不穩(wěn)定，質(zhì)點(diǎn)相互摻混，液體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡極不規(guī)則的流動(dòng)。2.沿程水頭損失hf與平均流速的關(guān)系。 沿程水頭損失hf與平均流速的關(guān)系由1-1，2-2斷面的能量方程兩根測(cè)壓管中的水

6、位差就是1-1，2-2斷面間的水頭損失；通過(guò)下游容器可測(cè)量流量，進(jìn)而可計(jì)算管中的斷面平均流速v。以lgv為橫坐標(biāo)軸，以lghf為縱坐標(biāo)軸。線(xiàn)段AC與水平軸的夾角為45；線(xiàn)段DE與水平軸的夾角在60156326之間。5.3.2 液流型態(tài)的判別 用顏色水觀察水流型態(tài)（可操作性差）用臨界流速判斷（缺乏普適性）實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用無(wú)量綱雷諾數(shù)判斷液流型態(tài)更適合相應(yīng)于下臨界流速 的雷諾數(shù)為下臨界雷諾數(shù) ；相應(yīng)于上臨界流速 的雷諾數(shù)為上臨界雷諾數(shù) 。臨界雷諾數(shù)由于下臨界雷諾數(shù)比較穩(wěn)定，因此用下臨界雷諾數(shù)作為判斷液流型態(tài)的依據(jù)。下臨界雷諾數(shù)以上的液流總是紊流，下臨界雷諾數(shù)以下的液流總是層流。對(duì)于圓管中的流動(dòng)，臨界雷諾數(shù)為對(duì)于明渠及天然河道中的流動(dòng)，臨界雷諾數(shù)為5.3.3 雷諾數(shù)的物理意義 雷諾數(shù)表示作用在液流上的慣性力與粘性力的比值。紊流：雷諾數(shù)較大，作用在液流上的慣性力起主導(dǎo)作用，粘性力約束不住液流的質(zhì)點(diǎn)，液體質(zhì)點(diǎn)在慣性力的作用下互相摻混而呈紊流型態(tài)。層流：雷諾數(shù)較小，作用在液流上的粘性力起主導(dǎo)作用，粘性力約