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

第五章流流動形形態(tài)及水水頭損失失流動阻力力和水頭頭損失的的分類流動阻力力內(nèi)摩擦阻阻力：流體有粘粘滯性和和橫向流流速梯度度，產(chǎn)生生摩擦阻阻力。壓差阻力力：局部地區(qū)區(qū)固體邊邊界的形形狀或大大小有急急劇改變變，或有有局部障障礙，液液流內(nèi)部部結(jié)構(gòu)產(chǎn)產(chǎn)生離解解和漩渦渦，流線線彎曲，，流速分分布改變變，增加加了液流流的相對對運動，，產(chǎn)生壓壓差阻力力。摩擦阻力力滯止離解解壓差阻力力慣性離解解壓差阻力力水頭損失失沿程水頭頭損失hf：邊壁無變變化的均均勻流中中，水流流產(chǎn)生的的阻力為為摩擦阻阻力，能能量損失失為沿程程水頭損損失hf。沿程水水頭損失失均勻分分布在整整個流段段上，與與流段的的長度成成比例，，又稱為為長度損損失。局部水頭頭損失hm：邊壁沿程程急劇變變化的非非均勻流流中，水水流產(chǎn)生生的阻力力為摩擦擦阻力和和壓差阻阻力，其其產(chǎn)生的的能量損損失為局局部水頭頭損失hm?？偹^損損失：hw=hf+hm水頭損失失的疊加加原理工程上為為了便于于計算，，假定沿沿程水頭頭損失和和局部水水頭損失失時單獨發(fā)生生作用的的，互不不影響，，兩者可可以疊加加。注意：(1)局部水頭頭損失實實際上是是在一定定長度內(nèi)內(nèi)發(fā)生的的，為了了處理方便便工程上上把局部部水頭損損失發(fā)生生的地點點認(rèn)為是是集中發(fā)發(fā)生在邊界突突變的斷斷面上。。(2)把實際發(fā)發(fā)生局部部水頭損損失的流流程中的的沿程水水頭損失失，看作是未未受局部部水頭損損失而單單獨發(fā)生生的。(3)若兩局部部水頭損損失距離離很近，，用疊加加法計算算出的局局部水頭損失失會偏大大，應(yīng)作作為整體體進(jìn)行試試驗確定定hj。(4)通常以流流速水頭頭的某一一倍數(shù)表表示水頭頭損失。。u1u2abcdhfa-bhmbhmahfb-chmchfc-dv22/(2g)hw=hf+hmv12/(2g)水頭損失失的計算算公式1.沿程水頭頭損失：：達(dá)西—魏斯巴赫赫公式式中：：—沿程阻力系數(shù)數(shù)(無量綱)—斷面平均均流速L—管道的長長度d—管道的直直徑2.局部水頭頭損失：：—局部損失失系數(shù)(無量綱)一般由實實驗測定定實際液體體流動的的兩種形形態(tài)雷諾試驗驗實驗條件件：1.液面高度度恒定；；2.水溫恒定定。層流：各層質(zhì)點點互不混混摻紊流：各層質(zhì)點點相互混混摻過渡階段段：流速達(dá)臨臨界值層流：流流體質(zhì)點點平穩(wěn)地地沿管軸軸線方向向運動，，而無橫橫向運動動，流體體就象分分層流動動一樣，，這種流流動狀態(tài)態(tài)稱為層層流。紊流：流流體質(zhì)點點不僅有有縱向運運動，而而且有橫橫向運動動，處于于雜亂亂無章章的不規(guī)規(guī)則運動動狀態(tài)，，這種流流動狀態(tài)態(tài)稱為紊紊流。液體形態(tài)態(tài)的判別別：雷諾從一一系列試試驗中發(fā)發(fā)現(xiàn)：1）不同種類類液體在相同直徑徑的管中進(jìn)進(jìn)行實驗驗，所測測得的臨臨界速度度是各不不相同的的；2）同種種液液體體在不同同直直徑徑的管管中中實實驗驗，，所所得得的的臨臨界界速速度度也也不不同同。。故判判定定臨臨界界速速度度是是液液體體的的物物理理性性質(zhì)質(zhì)(，)和管管徑徑(d)的函函數(shù)數(shù)。。液體體形形態(tài)態(tài)的的判判別別：：對圓圓管管：：雷諾諾數(shù)數(shù)臨界界雷雷諾諾數(shù)數(shù)（（液流流型型態(tài)態(tài)開開始始轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變變時時的的雷雷諾諾數(shù)數(shù)））管流流下下臨臨界界雷雷諾諾數(shù)數(shù)：：Rec=2300管流流上上臨臨界界雷雷諾諾數(shù)數(shù)：：Rec=1200040000雷諾諾實實驗驗是是在在環(huán)環(huán)境境的的干干擾擾極極小小，，實實驗驗前前水水箱箱中中的的水水體體經(jīng)經(jīng)長長時時間間的的穩(wěn)穩(wěn)定定情情況況下下，，經(jīng)反反復(fù)復(fù)多多次次測測量量得得到到的的。。后后人人的的大大量量實實驗驗很很難難重重復(fù)復(fù)得得到到雷雷諾諾數(shù)數(shù)的的準(zhǔn)準(zhǔn)確確數(shù)數(shù)值值，，通常常在在2000-2300之間間。。對明明渠渠及及天天然然河河道道：：雷諾諾數(shù)數(shù)臨界界雷雷諾諾數(shù)數(shù)其中中R–水力力半半徑徑；；A–過流流斷斷面面面面積積；；-過流流斷斷面面上上流流體體與與固固體體壁壁面面接接觸觸的的周周界界，，稱稱為為濕濕周周。。（1）矩形形斷斷面面渠渠道道水力力半半徑徑：：（2）圓管管流流水力力半半徑徑：：有一一圓圓形形輸輸水水管管，，直直徑徑d為2.0cm，管中中水水流流的的斷斷面面平平均均流流速速為為1m/s，水溫溫t=15℃，試判判別別管管中中水水流流的的型型態(tài)態(tài)。。當(dāng)當(dāng)通通過過石石油油時時，，若若其其他他條條件件相相同同，，問問流流態(tài)態(tài)是是層層流流還還是是紊紊流流？？(t=15℃時，，石油油=0.6cm2/s,水=0.0114cm2/s)解：：管中中為為石石油油時時層流流管中中為為水水時時紊流流作業(yè)業(yè)1、2均勻勻流流沿沿程程水水頭頭損損失失與與切切應(yīng)應(yīng)力力的的關(guān)關(guān)系系沿程程水水頭頭損損失失與與切切應(yīng)應(yīng)力力的的關(guān)關(guān)系系在管管道道恒恒定定均均勻勻流流中中，，取取總總流流流流段段1-1到2-2，各作作用用力力處處于于平平衡衡狀狀態(tài)態(tài)：：F=0。OOz2z11122P1P200G作用用于于該該總總流流流流段段上上的的外外力力有有：：①動動水水壓壓力力：P1=p1AP2=p2A②重力力：：G=V=AL，在流流動動方方向向上上的的投投影影Gx=ALsin③摩擦擦阻阻力力：：T=0A'=0LOOz2z11122P1P200Gx寫出出管管軸軸方方向向的的平平衡衡方方程程：：OOz2z11122P1P200GxOOz2z11122P1P200Gx恒定定均均勻勻流流基基本本方方程程列1-2兩斷斷面面間間的的伯伯努努利利方方程程與前前式式合合并并得得對于于同同樣樣的的過過水水?dāng)鄶嗝婷鍭，濕濕周周最小小的的斷斷面面形形狀狀是是圓圓形形。。工工程程上上將將水水管管做做成成圓圓形形，，渠渠道道做做成成與與圓圓形形接接近近的的梯梯形形，，就就是是為為了了盡盡量量減減小小沿沿程程水水頭頭損損失失均勻勻流流過過水水?dāng)鄶嗝婷嫔仙锨星袘?yīng)應(yīng)力力的的分分布布00r0r00r0ryu圓管管中中的的層層流流運運動動圓管管均均勻勻?qū)訉恿髁鞯牡臄鄶嗝婷媪髁魉偎俜址植疾紙A管管均均勻勻?qū)訉恿髁鞯牡难匮爻坛趟^頭損損失失達(dá)西西-魏斯斯巴巴赫赫公公式式通用用公公式式—層流流紊紊流流均均適適用用哈根根-泊肅肅葉葉公公式式例：：利利用用管管徑徑d=75mm的管管道道輸輸送送重重油油，，如如圖圖所所示示，，已已知知重重油油的的重重度度油=8.83KN/m3，運動動粘粘性性系系數(shù)數(shù)油=0.9cm2/s，管軸軸上上裝裝有有畢畢托托管管，，水水銀銀面面高高差差hp=20mm，求重重油油每每小小時時流流量量及及每每米米長長的的沿沿程程水水頭頭損損失失。。假設(shè)設(shè)重重油油的的流流動動為為層層流流：：2、求求沿沿程程水水頭頭損損失失<2300層流流應(yīng)用用細(xì)細(xì)管管式式粘粘度度計計測測定定油油的的粘粘度度，，已已知知細(xì)細(xì)管管直直徑徑d=6mm，測量量段段長長l=2m，實實測測油油的的流流量量Q=77cm3/s，水水銀銀壓壓差差計計的的讀值值hp=30cm，油油的的密密度度=900kg/m3。試求求油油的的運運動動粘粘度度和和動動力力粘粘度度。。解:列細(xì)細(xì)管管測測量量段段前前、、后后斷斷面面能能量量方方程程設(shè)流流動動為為層層流流校核核<2300層流流液體體的的紊紊流流運運動動紊流流的的形形成成條條件件①渦渦體體的的形形成成；；②形形成成后后的的渦渦體體，，脫脫離離原原來來的的流流層層或或流流束束，，摻摻入入鄰鄰近近的的流流層層或或流流束束。。層流流與與紊紊流流的的根根本本區(qū)區(qū)別別在在于于：：層流流中中各流流層層的的流流體體質(zhì)質(zhì)點點，，互互不不摻摻混混，，有有比比較較規(guī)規(guī)則則的的““瞬瞬時時流流線線””存存在在；；紊流流中中有大大小小不不等等的的渦渦體體震震蕩蕩于于各各流流層層之之間間，，互互相相摻摻混混液體體的的紊紊流流運運動動紊流流脈脈動動現(xiàn)現(xiàn)象象與與時時均均化化概概念念運動動要要素素的的脈動動現(xiàn)現(xiàn)象象：：紊流流中中存存在在大大量量渦渦體體，，渦渦體體沿沿各各方方向向進(jìn)進(jìn)行行混混摻摻、、碰碰撞撞，，使使紊紊流流中中任任何何一一個個空空間間點點上上的的運動動要要素素（（流流速速、、壓壓強(qiáng)強(qiáng)等等））隨隨時時間間不不斷斷在在變變化化---紊流流運運動動要要素素脈脈動動。。運動動要要素素的的時時均均化化處處理理：T:一般般取取100個以以上上波波形形的的時時間間間間隔隔脈動動值值說說明明：：①脈動動值值不不能能當(dāng)當(dāng)作作微微量量處處理理，，有有時時可可達(dá)達(dá)到到時時均均值值的的三三分分之之一一。。②脈動動總總是是三三維維的的，，雖雖然然主主流流是是一一維維或或二二維維的的，，但但均均產(chǎn)產(chǎn)生生三三個個方方向向的的脈脈動動速速度度。。③脈動動是是渦渦體體互互相相摻摻混混、、交交換換的的結(jié)結(jié)果果，，不不是是流流體體分分子子的的運運動動。。注意意：：紊流流恒恒定定流流—指時時間間平平均均的的運運動動要要素素不不隨隨時時間間而而變變化化的的流流動動。。紊流流非非恒恒定定流流—指時時間間平平均均的的運運動動要要素素隨隨時時間間而而變變化化的的流流動動。。之前前研研究究總總流流時時提提到到的的恒恒定定流流、、非非恒恒定定流流、、流流線線、、流流束束、、總總流流等等都都是是對對時時均均值值而而言言。。？？由于于紊紊流流的的質(zhì)質(zhì)點點摻摻混混與與參參數(shù)數(shù)脈脈動動，，除除質(zhì)質(zhì)點點間間相相互互摩摩擦擦引引起起的切切應(yīng)應(yīng)力力（（牛牛頓頓應(yīng)應(yīng)力力））外外，，還還存存在在由由于于質(zhì)質(zhì)點點摻摻混混引引起起的的紊紊流流附附加切切應(yīng)應(yīng)力力（（雷雷諾諾應(yīng)應(yīng)力力）），，即即式中中1925年，，德德國國力力學(xué)學(xué)家家普普朗朗特特（（Prandtl)根據(jù)據(jù)氣氣體體分分子子自自由由程的的概概念念，，提提出出了了計計算算紊紊流流附附加加切切應(yīng)應(yīng)力力的的混混合合長長度度理理論論。。為牛頓頓應(yīng)應(yīng)力力；為雷諾諾應(yīng)應(yīng)力力；式中中l(wèi)為混混合合長長度度。。普普朗朗特特假假設(shè)設(shè)l=Ky，K為待待定定系系數(shù)數(shù)，，又又稱稱為卡卡門門通通用用常常數(shù)數(shù)，，一一般般取取K=0.4，y為流流體體質(zhì)質(zhì)點點到到壁壁面面的的距距離離紊流流的的切切應(yīng)應(yīng)力力與與流流速速分分布布根據(jù)據(jù)普普朗朗特特的的混混合合長長度度理理論論進(jìn)進(jìn)行行積積分分，，可可得得紊紊流流的的流流速速分布布上式式為為紊紊流流速速度度分分布布公公式式，，又又稱稱普普朗朗特特—卡門門(Karmen)對數(shù)數(shù)分布布律律。。式中中稱為為阻阻力力速速度度，，是是一一常常數(shù)數(shù)，，0為壁壁面面切切應(yīng)應(yīng)力力。。紊流流中中的的層層流流底底層層與與紊紊流流區(qū)區(qū)層流流底底層層（（粘粘性性底底層層））：：緊靠靠固固體體邊邊界界的的地地方方，，由由于于管管壁壁及及流流體體粘粘性性的的影影響響，，流流體體質(zhì)質(zhì)點點流流速速小小，，流流態(tài)態(tài)屬屬于于層層流流的的流流體體層層。。層流底底層厚厚度一般只只有百百分之之幾毫毫米，，最大大只有有幾毫毫米。。粘性底底層速速度分分布：：紊流區(qū)區(qū)：粘性底底層以以外為為紊流流區(qū)，，包括括紊動動充分分發(fā)展展的紊紊流流流核區(qū)區(qū)和紊紊流處處于發(fā)發(fā)展?fàn)顮顟B(tài)的的過渡渡層（（厚度度僅百百分之之幾厘厘米））。作業(yè)3、4紊流的的沿程程水頭頭損失失尼古拉拉茲阻阻力實實驗1933年，德德國力力學(xué)家家尼古古拉茲茲（Nikuradse）進(jìn)行了了管流沿程程阻力力系數(shù)數(shù)的實實驗研研究。。實驗證證明：：沿程程阻力力系數(shù)數(shù)的影影響因因素主主要有有雷諾諾數(shù)與與管壁的相相對粗粗糙度度，即即式中的的e為管壁壁的絕對粗粗糙度度。作為為已知知條件件，尼尼古拉拉茲采采用人工粗糙糙—均勻沙沙粒。。將已已知粒粒徑的的沙粒粒粘貼貼在管管道壁壁面上，沙沙粒的的粒徑徑e與管道道直徑徑D之比即即為該該管的的相對粗粗糙度度。在雷諾諾實驗驗裝置置的基基礎(chǔ)上上，尼尼古拉拉茲采采用不不同相相對粗粗糙的的實驗管段段，對對每根根管實實測不不同流流量下下的流流速v與沿程程水頭頭損失失hf。將實測測數(shù)據(jù)據(jù)分別別由公公式計算出出相應(yīng)應(yīng)的雷雷諾數(shù)數(shù)Re與沿程程阻力力系數(shù)數(shù)，點繪繪到對對數(shù)坐坐標(biāo)上上和lglgReabcdef尼古拉拉茲實實驗（（實驗驗曲線線）—人工粗粗糙度度根據(jù)沿沿程阻阻力系系數(shù)的的變化化規(guī)律律，實實驗曲曲線分分為5個區(qū)：：（1）層流區(qū)區(qū)（ab線，lgRe＜3.3，Re＜2300）不同相相對粗粗糙的的實驗驗點都都在同同一根根線上上，說說明沿沿程阻阻力系數(shù)與與相對對粗糙糙無關(guān)關(guān)，只只是雷雷諾數(shù)數(shù)的函函數(shù)，，并符符合前前面的的理論結(jié)果果。（2）過渡區(qū)區(qū)（bc線，lgRe=3.3-3.6，Re=2300-4000）不同相相對粗粗糙的的實驗驗點都都在同同一根根線上上，說說明沿沿程阻阻力系數(shù)與與相對對粗糙糙無關(guān)關(guān)，也也只是是雷諾諾數(shù)的的函數(shù)數(shù)，但但關(guān)系系不確確切，，層流向向紊流流過渡渡的臨臨界區(qū)區(qū)域，，實用用意義義不大大。（3）紊流光光滑區(qū)區(qū)（cd線，lgRe＞3.6，Re＞4000）不同相相對粗粗糙的的實驗驗點都都在同同一根根線上上，說說明沿沿程阻阻力系數(shù)與與相對對粗糙糙無關(guān)關(guān)，也也只是是雷諾諾數(shù)的的函數(shù)數(shù)。但但隨雷雷諾數(shù)數(shù)的增大，，不同同相對對粗糙糙的實實驗點點相繼繼離開開此線線，粗粗糙越越小，，離開的越越晚。。這一一現(xiàn)象象為““水力力光滑滑”。?！八α饣薄?dāng)壁面面的絕絕對粗粗糙度度小于于層流流底層層厚度度時，壁壁面粗粗糙對對紊流流核心心沒有有影響響，沿沿程阻阻力系系數(shù)與與相對對粗糙無關(guān)關(guān)，只只與雷雷諾數(shù)數(shù)有關(guān)關(guān)。流流動表表現(xiàn)為為“水水力光光滑””狀態(tài)態(tài)。（4）紊流過過渡區(qū)區(qū)（cd與ef之間的的曲線線）不同的的相對對粗糙糙的實實驗點點分別別落在在不同同的曲曲線上上。說說明本區(qū)區(qū)內(nèi)沿沿程阻阻力系系數(shù)既既與雷雷諾數(shù)數(shù)有關(guān)關(guān)又與與相對對粗糙糙有關(guān)關(guān)。（5）紊流粗粗糙區(qū)區(qū)（ef右側(cè)的的水平平直線線）不同的的相對對粗糙糙的實實驗點點分別別落在在不同同的直直線上上。所所有直線線均平平行橫橫坐標(biāo)標(biāo)，說說明沿沿程阻阻力系系數(shù)與與雷諾諾數(shù)無無關(guān)。。于是，，沿程程水頭頭損失失與流流速的的平方方成正正比，，本區(qū)區(qū)又稱稱阻力力平方區(qū)區(qū)。流流動在在本區(qū)區(qū)內(nèi)的的層流流底層層遠(yuǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于于壁面面粗糙糙，粗粗糙是影影響流流動的的主要要因素素，這這一現(xiàn)現(xiàn)象稱稱為““水力力粗糙糙”。。尼古拉拉茲實實驗（（實驗驗曲線線）—人工粗粗糙度度紊流流流速分分布尼古拉拉茲通通過實實測流流速，，完善善了由由混合合長度度理論論得到到的紊流流流速分分布的的一般般式。。（2）在紊紊流粗粗糙區(qū)區(qū)在紊流流核心心（1）在紊紊流光光滑區(qū)區(qū)黏性底底層部部分為為沿程阻阻力系系數(shù)λ的半經(jīng)經(jīng)驗公公式根據(jù)均均勻流流基本本方程程與達(dá)達(dá)西公公式（2）紊流粗粗糙區(qū)區(qū)公式式（1）紊流流光滑滑區(qū)公公式紊流流流速分分布，，可導(dǎo)導(dǎo)出沿沿程阻阻力系系數(shù)λ的計算算公式式。實際工工程管管的沿沿程阻阻力系系數(shù)半半經(jīng)驗驗公式式由于尼尼古拉拉茲采采用的的是均均勻的的人工工粗糙糙，與與實際際工程程管的的情況相相差較較大。。如何何建立立兩種種粗糙糙的關(guān)關(guān)系，，是將將尼古古拉茲茲公式式用于實實際工工程管管的關(guān)關(guān)鍵。。在紊流流光滑滑區(qū)，，雖然然兩種種粗糙糙不同同，但但沿程程阻力力系數(shù)數(shù)與粗糙無無關(guān)，，故尼尼古拉拉茲公公式可可直接接使用用。在紊流流粗糙糙區(qū)，，兩種種粗糙糙對流流動的的影響響有相相同的的規(guī)律律。故引入入當(dāng)量量粗糙糙的概概念后后，即即可可將尼尼古拉拉茲公公式用用于實實際工工程管。。在紊流流過渡渡區(qū)，，由于于兩種種粗糙糙在過過渡時時對流流動的的影響響完全不同同，故故兩者者的沿沿程阻阻力系系數(shù)變變化規(guī)規(guī)律相相差較較大。。直到1939年，美美國工工程師師柯列列勃洛洛克（（Colebrook）給出了適合合于實實際工工程管管過渡渡區(qū)的的計算算公式式式中e為實際際工程程管的