第4章--流动形态与水头损失定稿.pptx

1 前一章讨论了实际液体的能量方程，方前一章讨论了实际液体的能量方程，方程中有一项为能量损失。程中有一项为能量损失。当水流运动时，会产生粘性阻力，水流当水流运动时，会产生粘性阻力，水流克服阻力就要消耗一部分机械能，转化为热克服阻力就要消耗一部分机械能，转化为热能，造成能量损失。能，造成能量损失。产生能量损失的原因在于：产生能量损失的原因在于：水流有粘滞性水流有粘滞性4 4流动型态和水头损失流动型态和水头损失2水头损失与液流的物理性质和边界特征密切相关。水头损失与液流的物理性质和边界特征密切相关。本章首先对理想液体和实际液体，在不同边界条件本章首先对理想液体和实际液体，在不同边界条件下的液流特征进行剖析，认清水头损失的物理概念。下的液流特征进行剖析，认清水头损失的物理概念。在此基础上，在此基础上，介绍水头损失变化规律及其计算方法。介绍水头损失变化规律及其计算方法。液流型态及其特征液流型态及其特征 水头损失变化规律及其计算方法水头损失变化规律及其计算方法 3 34.1 4.1 水头损失及其分类水头损失及其分类4.3 4.3 均匀流沿程水头损失与水流阻力关系均匀流沿程水头损失与水流阻力关系4.2 4.2 流动的两种形态流动的两种形态4.4 4.4 层流运动层流运动4.5 4.5 紊流运动紊流运动4.6 4.6 紊流的沿程水头损失紊流的沿程水头损失4.7 4.7 局部水头损失局部水头损失4 4 流动型态和水头损失流动型态和水头损失返回目录返回目录4.8 4.8 边界层理论简介边界层理论简介4.9 4.9 绕流阻力绕流阻力4 44.1 4.1 水头损失及其分类水头损失及其分类4.3 4.3 均匀流沿程水头损失与水流阻力关系均匀流沿程水头损失与水流阻力关系4.2 4.2 流动的两种形态流动的两种形态4.4 4.4 层流运动层流运动4.5 4.5 紊流运动紊流运动4.6 4.6 紊流的沿程水头损失紊流的沿程水头损失4.7 4.7 局部水头损失局部水头损失4 4 流动型态和水头损失流动型态和水头损失4.1 4.1 水头损失及其分类水头损失及其分类返回目录返回目录4.8 4.8 边界层理论简介边界层理论简介4.9 4.9 绕流阻力绕流阻力54.1 4.1 水头损失及其分类水头损失及其分类 4.1.1 4.1.1 水流阻力与水头损失水流阻力与水头损失 理想液体的运动是没有能量损失的，而理想液体的运动是没有能量损失的，而实际液体在流动的中为什么会产生水头损失实际液体在流动的中为什么会产生水头损失?6理想液体：理想液体：运动时没有相对运动，流速是均匀分布，无流速运动时没有相对运动，流速是均匀分布，无流速梯度和粘性切应力，因而，也不存在能量损失梯度和粘性切应力，因而，也不存在能量损失 。流线流线流速分布流速分布u(y)4.1.1 4.1.1 水流阻力与水头损失水流阻力与水头损失7 7实际液体实际液体:其有粘性，过水断面上流速分布不均匀。因此，其有粘性，过水断面上流速分布不均匀。因此，相邻液层间有相对运动，两流层间存在内摩擦力。液相邻液层间有相对运动，两流层间存在内摩擦力。液体运动中，要克服摩擦阻力（水流阻力）做功，消耗体运动中，要克服摩擦阻力（水流阻力）做功，消耗一部分液流机械能，转化为热能而散失。一部分液流机械能，转化为热能而散失。流速分布流速分布切切应应力力分分布布uy y4.1.1 4.1.1 水流阻力与水头损失水流阻力与水头损失8水头损失（依据边界条件以及作用范围）水头损失（依据边界条件以及作用范围）沿程损失沿程损失hf局部损失局部损失hjhw4.1.14.1.1水流阻力与水头损失水流阻力与水头损失用单位重量用单位重量液体的能量损失液体的能量损失hw表示水流的能量损失表示水流的能量损失9沿程水头损失沿程水头损失hf hf s在平直的固体边界水道中，单位重量在平直的固体边界水道中，单位重量的液体从一个断面流至另一个断面的机械的液体从一个断面流至另一个断面的机械能损失。能损失。这种水头损失随沿程长度增加而这种水头损失随沿程长度增加而增加，称沿程水头损失。增加，称沿程水头损失。4.1.1 4.1.1 水流阻力与水头损失水流阻力与水头损失10局部水头损失局部水头损失hj用圆柱体绕流说明局部水头损失用圆柱体绕流说明局部水头损失hj 4.1.1 4.1.1 水流阻力与水头损失水流阻力与水头损失11AC理想液体理想液体分析沿柱面两侧边壁附近的流动分析沿柱面两侧边壁附近的流动液体质点运动液体质点运动 A AC C 动能增加（液体挤压），压能减少动能增加（液体挤压），压能减少压能的减少部分转化为动能压能的减少部分转化为动能12ACBC 液体质点运动液体质点运动 CCB B 动能减少（液体扩散），压能增加动能减少（液体扩散），压能增加减少的动能完全转化为压能。减少的动能完全转化为压能。13ACBC液体质点运动液体质点运动 A AC C 动能增加（液体挤压），压能减少动能增加（液体挤压），压能减少减少的压能补充为动能减少的压能补充为动能液体质点运动液体质点运动 C CB B动能减少（液体扩散），压能增加动能减少（液体扩散），压能增加 减少的动能减少的动能完全补充完全补充为压能。为压能。14ACBC 由于液体绕流运动无能量损失，因此，液体从由于液体绕流运动无能量损失，因此，液体从A AB B 时，时，A A和和B B点的流速和压强相同。其他流线情况类似。点的流速和压强相同。其他流线情况类似。液体质点运动液体质点运动 A AC C 动能增加（液体挤压），压能减少动能增加（液体挤压），压能减少减少的压能补充为动能减少的压能补充为动能液体质点运动液体质点运动 C CB B动能减少（液体扩散），压能增加动能减少（液体扩散），压能增加 减少的动能减少的动能完全补充完全补充为压能。为压能。15ACBC实际液体绕圆柱流动实际液体绕圆柱流动 液体质点运动液体质点运动AC，动能增加，动能增加，压能减少，压能减少，减少的压能转化为动能，并用于克服能量损失减少的压能转化为动能，并用于克服能量损失16ACBC液体质点运动液体质点运动CB，动能减小，动能减小，压能增加，压能增加，减少的动能转化为压能，并用于克服能量损失减少的动能转化为压能，并用于克服能量损失17ACBC形成分离点：形成分离点：D 近壁液体从近壁液体从C-BC-B运动时，液体的动能一部分用于克服摩运动时，液体的动能一部分用于克服摩擦阻力，另一部分用于转化为压能。因此液体没有足够动能擦阻力，另一部分用于转化为压能。因此液体没有足够动能完全恢复为压能（理想液体全部恢复）。在柱面某一位置，完全恢复为压能（理想液体全部恢复）。在柱面某一位置，例如例如D D 处，流速降低为零，不再继续下行。处，流速降低为零，不再继续下行。18ACBC形成分离点：形成分离点：D D D点以后的液体就要改变流向，沿另一条流线点以后的液体就要改变流向，沿另一条流线运动，这样就使主流脱离了圆柱面，形成分离点。运动，这样就使主流脱离了圆柱面，形成分离点。19ACBCD 沿圆柱面，分离点下游压强大于分离处压强，在压差沿圆柱面，分离点下游压强大于分离处压强，在压差作用下，圆柱下游液体立即填补主流所空出的区域，形作用下，圆柱下游液体立即填补主流所空出的区域，形成了漩涡。漩涡随流带走，经过一段时间后，逐渐消失。成了漩涡。漩涡随流带走，经过一段时间后，逐渐消失。分离点后形成漩涡区分离点后形成漩涡区漩涡区漩涡区20ACBCD漩涡区漩涡区 漩涡体形成、运转和分裂漩涡体形成、运转和分裂漩涡区中产生了较大的能量损失漩涡区中产生了较大的能量损失21ACBCD 流速分布急剧变化流速分布急剧变化漩涡区中产生了较大的能量损失漩涡区中产生了较大的能量损失22ACBCD 漩涡的形成，运转和分裂；流速分布急剧变化，都使漩涡的形成，运转和分裂；流速分布急剧变化，都使液体产生较大的能量损失。液体产生较大的能量损失。这种能量损失产生在局部范围之内，叫做局部水头损这种能量损失产生在局部范围之内，叫做局部水头损失失hj。漩涡区中产生了较大的能量损失漩涡区中产生了较大的能量损失23 当液体运动时，由于局部边界形状和大小当液体运动时，由于局部边界形状和大小的改变、局部障碍，液体产生漩涡，使得液体的改变、局部障碍，液体产生漩涡，使得液体在局部范围内产生了较大的能量损失，这种能在局部范围内产生了较大的能量损失，这种能量损失称为局部水头损失。量损失称为局部水头损失。局部水头损失局部水头损失4.1.1 4.1.1 水流阻力与水头损失水流阻力与水头损失2424管道突然缩小管道突然缩小漩涡区漩涡区局部水头损失发生的位置局部水头损失发生的位置4.1.1 4.1.1 水流阻力与水头损失水流阻力与水头损失2525 管道中的闸门局部开启管道中的闸门局部开启漩涡区漩涡区局部水头损失发生的位置局部水头损失发生的位置4.1.1 4.1.1 水流阻力与水头损失水流阻力与水头损失2626 弯道水流弯道水流漩涡区漩涡区局部水头损失发生的位置局部水头损失发生的位置4.1.1 4.1.1 水流阻力与水头损失水流阻力与水头损失2727通过液体粘性将其能量耗散通过液体粘性将其能量耗散 产生漩涡的局部范围产生漩涡的局部范围局部水头损失局部水头损失沿程水头损失沿程水头损失 hf s发生边界发生边界 平直的固体边界水道中平直的固体边界水道中大小大小 与漩涡尺度、强度与漩涡尺度、强度,边界形边界形状等因素相关状等因素相关耗能方式耗能方式外在原因外在原因 液体运动的摩擦阻力液体运动的摩擦阻力 边界层分离或形状阻力边界层分离或形状阻力28水头损失水头损失沿程损失沿程损失hf局部损失局部损失hj4.1.1 4.1.1 水流阻力与水头损失水流阻力与水头损失29液体在下列管道的沿程损失包括四段：液体在下列管道的沿程损失包括四段：hf 1hf 2hf 3hf 44.1.1 4.1.1 水流阻力与水头损失水流阻力与水头损失30 液体经过时的局部损失包括五段：液体经过时的局部损失包括五段：进口、突然放大、突然缩小、弯管和闸门。进口、突然放大、突然缩小、弯管和闸门。进口进口突然放大突然放大突然缩小突然缩小弯管弯管闸闸门门31314.1.2 4.1.2 过流断面的水力要素过流断面的水力要素4.1.1 4.1.1 水流阻力与水头损失水流阻力与水头损失4.1 4.1 水头损失及其分类水头损失及其分类 32324.1.2 4.1.2 过流断面的水力要素过流断面的水力要素液流边界几何条件对水头损失的影响液流边界几何条件对水头损失的影响 产生水头损失的根源是实际液体本身具有粘滞产生水头损失的根源是实际液体本身具有粘滞性，而固体边界的几何条件（轮廓形状和大小）对性，而固体边界的几何条件（轮廓形状和大小）对水头损失也有很大的影响。水头损失也有很大的影响。3333l液流液流横向边界横向边界对水头损失的影响对水头损失的影响A A过水断面的面积过水断面的面积 过水断面的面积是一个因素，但仅靠过过水断面的面积是一个因素，但仅靠过水断面面积尚不足表征过水断面几何形状和水断面面积尚不足表征过水断面几何形状和大小对水流的影响。大小对水流的影响。3434A A过水断面的面积过水断面的面积 例如，两个过水断面面积相同的断面，一个正方例如，两个过水断面面积相同的断面，一个正方形，一个是圆形。显然，前者对水流运动的阻力大，形，一个是圆形。显然，前者对水流运动的阻力大，水头损失要大。水头损失要大。原因：方形断面中液流与固体边界接触周界长。原因：方形断面中液流与固体边界接触周界长。l液流液流横向边界横向边界对水头损失的影响对水头损失的影响3535 液流过水断面与固体边界接触的周界液流过水断面与固体边界接触的周界线，是过水断面的重要的水力要素之一。线，是过水断面的重要的水力要素之一。其值越大，对水流的阻力越大，水头损失其值越大，对水流的阻力越大，水头损失越大。越大。湿周湿周l液流液流横向边界横向边界对水头损失的影响对水头损失的影响3636 即使通过相同的流量，面积较小的过水断面，液即使通过相同的流量，面积较小的过水断面，液流通过的流速较大，水流的阻力及水头损失也大。因流通过的流速较大，水流的阻力及水头损失也大。因此，仅靠湿周也不能表征断面几何形状的影响。此，仅靠湿周也不能表征断面几何形状的影响。两个过水断面的湿周相同，形状不同，过水断面面两个过水断面的湿周相同，形状不同，过水断面面积一般不相同，水头损失也就不同。积一般不相同，水头损失也就不同。l液流液流横向边界横向边界对水头损失的影响对水头损失的影响37 由于两个因素都不能完全反映横向边界对水头损失由于两个因素都不能完全反映横向边界对水头损失的影响，因此，将过水断面的面积和湿周结合起来，全的影响，因此，将过水断面的面积和湿周结合起来，全面反映横向边界对水头损失影响。面反映横向边界对水头损失影响。水力半径水力半径Rl液流液流横向边界横向边界对水头损失的影响对水头损失的影响38管管 道道dl液流液流横向边界横向边界对水头损失的影响对水头损失的影响39矩形断面明渠矩形断面明渠bhl液流液流横向边界横向边界对水头损失的影响对水头损失的影响40梯形断面明渠梯形断面明渠bhml液流液流横向边界横向边界对水头损失的影响对水头损失的影响4141l 液流液流纵向边界纵向边界对水头损失的影响对水头损失的影响 液流纵向边界包括：底坡、局部障碍、断面形状液流纵向边界包括：底坡、局部障碍、断面形状沿程发生变化等。这些因素归结为液体是均匀流还是沿程发生变化等。这些因素归结为液体是均匀流还是非均匀流。非均匀流。均匀流：产生沿程水头损失均匀流：产生沿程水头损失 非均匀流渐变流非均匀流渐变流:产生沿程水头损失产生沿程水头损失 非均匀急变流非均匀急变流:产生沿程和局部水头损失产生沿程和局部水头损失 4242 均匀流均匀流 A A，R R，v v 沿程不变，液流只有沿程水头损沿程不变，液流只有沿程水头损失。测压管水头线和总水头线是平行的。失。测压管水头线和总水头线是平行的。l 液流液流纵向边界纵向边界对水头损失的影响对水头损失的影响43lz1P1z2v1v2hfp1/p2/1122v222gv122gv1v200总水头线总水头线 J J测压管水头线测压管水头线J Jp p 均匀流均匀流 A A，R R，v v 沿程不变，液流只有沿程水头损失。沿程不变，液流只有沿程水头损失。测压管水头线和总水头线是平行的。测压管水头线和总水头线是平行的。P244v21212水面测压管水头线水面测压管水头线Jpv11v122g2v222gz1z2hf总水头线总水头线JP2P10Gl p1 p24545非均匀流非均匀流 A A、R R、v v 沿程改变，液流有沿程和局部水头损失。沿程改变，液流有沿程和局部水头损失。测压管水头线和总水头线是不平行的曲线。测压管水头线和总水头线是不平行的曲线。非均匀渐变流：局部水头损失可忽略非均匀渐变流：局部水头损失可忽略,沿程水头损沿程水头损失不可忽略。失不可忽略。非均匀急变流：两种水头损失都不可忽略。非均匀急变流：两种水头损失都不可忽略。46非均匀急变流非均匀急变流 总水头线总水头线hjv1v2v122gv222g 测压管水头线测压管水头线47474.3 4.3 均匀流沿程水头损失与水流阻力关系均匀流沿程水头损失与水流阻力关系4.2 4.2 流动的两种形态流动的两种形态4.4 4.4 层流运动层流运动4.5 4.5 紊流运动紊流运动4.6 4.6 紊流的沿程水头损失紊流的沿程水头损失4.7 4.7 局部水头损失局部水头损失4 4 流动型态和水头损失流动型态和水头损失4.1 4.1 水头损失及其分类水头损失及其分类返回目录返回目录4.8 4.8 边界层理论简介边界层理论简介4.7 4.7 绕流阻力绕流阻力4848问 题为什么要区分水流的两种流动型态？为什么要区分水流的两种流动型态？实际流体有哪两种流动型态？实际流体有哪两种流动型态？这两种流动型态有什么不同？这两种流动型态有什么不同？怎样区分这两种流动型态？怎样区分这两种流动型态？4.2 4.2 流动的两种形态流动的两种形态4949为什么要区分水流的两种流动型态？为什么要区分水流的两种流动型态？实际流体恒定总流的能量方程实际流体恒定总流的能量方程：单位重量液体所具有的单位重量液体所具有的动能动能（流速水头）（流速水头）单位重量液体所具有的单位重量液体所具有的压强势能压强势能（压强水头）（压强水头）单位重量液体所具有的单位重量液体所具有的位置势能位置势能（位置水头）（位置水头）单位重量液体从单位重量液体从1断面到断面到2断面的断面的 能量损失能量损失（水头损失水头损失）。）。?5050对水头损失的研究对水头损失的研究：早在19世纪初，水力学家发现：圆管中液体流动的流速不同，液流的水头损失规律也不相同。1883年，英国科学家雷诺(O.Reynolds)做了著名的雷诺实验，试图找到流动中由于粘性存在而产生的能量损失规律。雷诺实验水头损失水流速度水头损失流动型态为什么要区分水流的两种流动型态？为什么要区分水流的两种流动型态？5151雷诺：雷诺：O.Reynolds(1842O.Reynolds(18421912)1912)英国力学家、物理学家和工程师，杰出实验科学家英国力学家、物理学家和工程师，杰出实验科学家 18671867年年-剑桥大学王后学院毕业剑桥大学王后学院毕业 18681868年年-曼彻斯特欧文学院工程学教授曼彻斯特欧文学院工程学教授 18771877年年-皇家学会会员皇家学会会员 18881888年年-获皇家勋章获皇家勋章 19051905年年-因健康原因退休因健康原因退休5252 雷诺兴趣广泛，一生著述很多，近雷诺兴趣广泛，一生著述很多，近7070篇论文都有很深远的影响。论文内容包篇论文都有很深远的影响。论文内容包括括 力学力学 热力学热力学 电学电学 航空学航空学 蒸汽机特性蒸汽机特性等等5353 在流体力学方面最重要的贡献：在流体力学方面最重要的贡献：l 18831883年年 发现液流两种流态：发现液流两种流态：层流和紊流层流和紊流，提出以，提出以雷诺数判别雷诺数判别流态。流态。l 18831883年年 发现发现流动相似律流动相似律 对于几何条件相似的流动，即使其尺寸、速度、流体对于几何条件相似的流动，即使其尺寸、速度、流体不同不同,只要雷诺数相同只要雷诺数相同,则流动是动力相似。则流动是动力相似。5454实际流体有哪两种流动型态？实际流体有哪两种流动型态？雷诺试验雷诺试验试验装置试验装置观察管内观察管内流动现象流动现象5555层流层流过渡段过渡段紊流紊流（b）振荡摇摆的波形色线）振荡摇摆的波形色线（c）色线破裂扩散）色线破裂扩散（a）平稳而鲜明的细色线）平稳而鲜明的细色线 层流层流 紊流：紊流：上临界流上临界流速速 紊流紊流 层流：层流：下临界流下临界流速速 实际流体有哪两种流动型态？实际流体有哪两种流动型态？玻璃管内的水流现象玻璃管内的水流现象：实验录像实验录像5656层流层流（Laminar Flow）亦称片流，是指在流速较小时，液体质点作有条不紊的有序的直线运动，水流各层或各微小流束上的质点彼此互不掺混的流动。过渡段过渡段（Transitional flowTransitional flow）是层流与紊流之间的过渡阶段。是层流与紊流之间的过渡阶段。例：毛细血管中血液流动例：毛细血管中血液流动,流速很小的细直管道流动。流速很小的细直管道流动。例：动脉中血液流动，输油管道，天然河道，大气环流，洋流。例：动脉中血液流动，输油管道，天然河道，大气环流，洋流。实际流体有哪两种流动型态？实际流体有哪两种流动型态？紊流紊流（Turbulent FlowTurbulent Flow）亦称湍流，是指随流速增大，流层逐渐不稳定，液亦称湍流，是指随流速增大，流层逐渐不稳定，液体质点相互混掺，质点运动轨迹极不规则的流动。体质点相互混掺，质点运动轨迹极不规则的流动。两种流态的定义两种流态的定义5757这两种流动型态有什么不同？这两种流动型态有什么不同？层流与紊流的层流与紊流的水头损失规律水头损失规律不同不同建立水头损失建立水头损失h hf f与流速大小与流速大小v v的关系的关系1 12 25858EBDAC这两种流动型态有什么不同这两种流动型态有什么不同？建立水头损失建立水头损失hf与流速大小与流速大小v的关系的关系0流速减小流速减小流速增大流速增大ABCDDCEBAAB和和CD段都为直线段段都为直线段层流层流：CD段段,1=45,m=1紊流紊流：AB段段,2=6015 6326,m=1.752.0125959 临界流速临界流速 与与 有关有关怎样区分这两种流动型态？怎样区分这两种流动型态？流动型态判别流动型态判别：用颜色水观察水流型态（可操作性差）用颜色水观察水流型态（可操作性差）用临界流速判断（缺乏普适性）用临界流速判断（缺乏普适性）试验发现：试验发现：=ReC临界雷诺数临界雷诺数ReC上临界雷诺数上临界雷诺数下下6060怎样区分这两种流动型态？怎样区分这两种流动型态？由于下临界雷诺数比较稳定，因此以下临界雷诺数由于下临界雷诺数比较稳定，因此以下临界雷诺数作为判断液流型态的依据，称为作为判断液流型态的依据，称为临界雷诺数临界雷诺数。临界雷诺数：临界雷诺数：对于圆管：对于圆管：雷诺数雷诺数紊流紊流层流层流判别方法：判别方法：6161雷诺数的物理意义雷诺数的物理意义粘性力粘性力抑止小扰动，促使液流趋于稳定。抑止小扰动，促使液流趋于稳定。惯性力惯性力使小扰动的作用保持和强化，促使液流趋使小扰动的作用保持和强化，促使液流趋 于紊动。于紊动。雷诺数表征了液流的雷诺数表征了液流的惯性力惯性力与与粘性力粘性力的比值。的比值。流速较小（流速较小（ReRe较小）较小）粘性力起主导作用粘性力起主导作用层流层流流速较大（流速较大（ReRe较大）较大）惯性力起主导作用惯性力起主导作用紊流紊流惯6262（1 1）实际液体流动可分为实际液体流动可分为层流层流和和紊流紊流两种流态两种流态（2 2）雷诺数雷诺数 临界雷诺数临界雷诺数ReC（3 3）不同流态下的能量（水头）损失规律不同流态下的能量（水头）损失规律不同，确定水头损失必须确定不同，确定水头损失必须确定流态流态。（4 4）层流层流紊流紊流小小 结结63634.3 4.3 均匀流沿程水头损失与水流阻力关系均匀流沿程水头损失与水流阻力关系4.2 4.2 流动的两种形态流动的两种形态4.4 4.4 层流运动层流运动4.5 4.5 紊流运动紊流运动4.6 4.6 紊流的沿程水头损失紊流的沿程水头损失4.7 4.7 局部水头损失局部水头损失4 4 流动型态和水头损失流动型态和水头损失4.1 4.1 水头损失及其分类水头损失及其分类返回目录返回目录4.8 4.8 紊边界层理论简介紊边界层理论简介4.9 4.9 绕流阻力绕流阻力6464 4.3.1 4.3.1 均匀流的沿程水头损失均匀流的沿程水头损失 4.3 4.3 均匀流沿程水头损失与水流阻力关系均匀流沿程水头损失与水流阻力关系65lz1P1P2z2v1v2hfp1/p2/1122v222gv122gv1v200总水头线总水头线 J J测压管水头线测压管水头线J Jp p 均匀流均匀流 A A，R R，v v 沿程不变，液流只有沿程水头损失。沿程不变，液流只有沿程水头损失。测压管水头线和总水头线是平行的。测压管水头线和总水头线是平行的。66 4.3.1 4.3.1 均匀流的沿程水头损失均匀流的沿程水头损失 4.3 4.3 均匀流沿程水头损失与水流阻力关系均匀流沿程水头损失与水流阻力关系 均匀流的沿程水头损失等于两过水断面的测压均匀流的沿程水头损失等于两过水断面的测压管水头差。管水头差。流动过程中动能不变，沿程阻力消耗能量由势能流动过程中动能不变，沿程阻力消耗能量由势能提供。提供。67 4.3.2 4.3.2 均匀流基本方程均匀流基本方程 4.3 4.3 均匀流沿程水头损失与水流阻力关系均匀流沿程水头损失与水流阻力关系均匀流的水流阻力？均匀流的水流阻力？6868lv1v21122P1P200z1z2研究对象：圆管均匀流，研究对象：圆管均匀流，1-2断面间脱离体断面间脱离体 长度为长度为l，面积，面积 A，湿周，湿周受力分析：受力分析：水流方向上受力平衡：水流方向上受力平衡：动水压力动水压力 重力重力边界阻力边界阻力v69lv1v21122P1P200z1z2v边壁上的切应力边壁上的切应力70 4.3.2 4.3.2 均匀流基本方程均匀流基本方程J J水力坡度（单位长度上的水头损失）水力坡度（单位长度上的水头损失）令令71 4.3.3 4.3.3 均匀流过水断面切应力分布均匀流过水断面切应力分布 沿程水头损失和边壁切应力的关系式沿程水头损失和边壁切应力的关系式 公式适用于均匀流公式适用于均匀流 对均匀层流、紊流、有压流和无压流均适用对均匀层流、紊流、有压流和无压流均适用7272分析分析断面上断面上的切应力分布问题的切应力分布问题 4.3.3 4.3.3 均匀流过水断面切应力分布均匀流过水断面切应力分布 73P11122u1u2P2 液流各层之间存在内摩擦力，在均匀流中液流各层之间存在内摩擦力，在均匀流中（管流）半径为（管流）半径为r r 处，任取一流束，按照同样处，任取一流束，按照同样的方法可得：的方法可得：式中，式中，为半径为半径r r 处液流切应力；处液流切应力；RR为为r r 处水力半径处水力半径A dA Rr 1-1剖面图剖面图r0 74 4.3.3 4.3.3 均匀流过水断面切应力分布均匀流过水断面切应力分布 75对于圆管对于圆管 0uA dA Rr 1-1剖面图剖面图r0 4.3.3 4.3.3 均匀流过水断面切应力分布均匀流过水断面切应力分布 76圆管均匀流过水断面上切应力呈直线分布，管壁圆管均匀流过水断面上切应力呈直线分布，管壁处切应力最大，管轴处为零处切应力最大，管轴处为零 0yu(y)4.3.3 4.3.3 均匀流过水断面切应力分布均匀流过水断面切应力分布 77对于明渠对于明渠yy0u(y)hbyy 4.3.3 4.3.3 均匀流过水断面切应力分布均匀流过水断面切应力分布 78对于明渠对于明渠yy0u(y)hbyy 4.3.3 4.3.3 均匀流过水断面切应力分布均匀流过水断面切应力分布 79 因此，切应力分布和水头损失有关，欲求水因此，切应力分布和水头损失有关，欲求水头损失，必须先知道边壁切应力，问题关键归结头损失，必须先知道边壁切应力，问题关键归结到液流阻力问题。到液流阻力问题。4.3.3 4.3.3 均匀流过水断面切应力分布均匀流过水断面切应力分布 80804.3 4.3 均匀流沿程水头损失与水流阻力关系均匀流沿程水头损失与水流阻力关系4.2 4.2 流动的两种形态流动的两种形态4.4 4.4 层流运动层流运动4.5 4.5 紊流运动紊流运动4.6 4.6 紊流的沿程水头损失紊流的沿程水头损失4.7 4.7 局部水头损失局部水头损失5 5 流动型态和水头损失流动型态和水头损失4.1 4.1 水头损失及其分类水头损失及其分类返回目录返回目录4.8 4.8 边界层理论简介边界层理论简介4.9 4.9 绕流阻力绕流阻力814.4.1 4.4.1 圆管层流运动圆管层流运动 4.4.2 4.4.2 明渠层流运动明渠层流运动 4.4 4.4 层流运动层流运动82将圆管中层流可看作许多无限薄同心圆筒层一个套一个地运动将圆管中层流可看作许多无限薄同心圆筒层一个套一个地运动uxrr0管壁管壁半径为半径为r r 的同心圆筒的同心圆筒 4.4.1 4.4.1 圆管层流运动圆管层流运动830u过水断面切应力分布过水断面切应力分布过水断面流速分布过水断面流速分布?4.4.1 4.4.1 圆管层流运动圆管层流运动84ruxrr0管壁管壁半径为半径为r r 的同心圆筒的同心圆筒uxrr0rOu按照牛顿内摩擦定律，每一层的按照牛顿内摩擦定律，每一层的切应力可表示为切应力可表示为 牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律液液体流层间的内摩擦力与体流层间的内摩擦力与液体相对运动的速度梯液体相对运动的速度梯度成正比度成正比 854.4.1.14.4.1.1过水断面流速分布过水断面流速分布积分积分:求求C:4.4.1 4.4.1 圆管层流运动圆管层流运动86旋转抛旋转抛物面物面圆管层流过水断面上流速分布是一个圆管层流过水断面上流速分布是一个旋转抛物面旋转抛物面，流速最大值位于管轴上，边壁最小。流速最大值位于管轴上，边壁最小。4.4.1.14.4.1.1过水断面流速分布过水断面流速分布 4.4.1 4.4.1 圆管层流运动圆管层流运动870ru(r)r 4.4.1 4.4.1 圆管层流运动圆管层流运动88在分析圆管流动中常常用到在分析圆管流动中常常用到断面平均流速断面平均流速 4.4.1 4.4.1 圆管层流运动圆管层流运动894.4.1.2 4.4.1.2 断面平均流速断面平均流速ru(r)vr0 dAdr 4.4.1 4.4.1 圆管层流运动圆管层流运动90圆管层流的断面平均流速圆管层流的断面平均流速为最大流速的一半为最大流速的一半4.4.1.2 4.4.1.2 断面平均流速断面平均流速 4.4.1 4.4.1 圆管层流运动圆管层流运动91914.4.1.3 4.4.1.3 圆管层流的沿程水头损失圆管层流的沿程水头损失沿程水头损失和边壁切应力的关系式沿程水头损失和边壁切应力的关系式 采用平均流速的函数表示沿程水头损失采用平均流速的函数表示沿程水头损失 层流的水头损失和流速的一次方成正比层流的水头损失和流速的一次方成正比 4.4.1 4.4.1 圆管层流运动圆管层流运动9292实际流体恒定总流的能量方程实际流体恒定总流的能量方程：水头损失计算公式不实用，故采用速度水头形式表示水头损失计算公式不实用，故采用速度水头形式表示h hf f圆管层流的水头损失计算公式圆管层流的水头损失计算公式 圆管层流的水头损圆管层流的水头损失计算公式失计算公式 4.4.1.3 4.4.1.3 圆管层流的沿程水头损失圆管层流的沿程水头损失 4.4.1 4.4.1 圆管层流运动圆管层流运动9393圆管层流的水头损失计算公式圆管层流的水头损失计算公式 令令 魏斯巴赫魏斯巴赫-达西公式达西公式 沿程水头损失系数沿程水头损失系数 公式应用于层流、紊流中公式应用于层流、紊流中 沿程水头损失计算的基本公式。沿程水头损失计算的基本公式。不同流态下沿程水头损失系数不同。不同流态下沿程水头损失系数不同。4.4.1.3 4.4.1.3 圆管层流的沿程水头损失圆管层流的沿程水头损失 4.4.1 4.4.1 圆管层流运动圆管层流运动9494总结总结 过水断面切应力分布过水断面切应力分布 r ru u(r r)r r 过水断面流速分布过水断面流速分布 断面平均流速断面平均流速 沿程水头损失计算公式沿程水头损失计算公式 4.4.1 4.4.1 圆管层流运动圆管层流运动954.4.1 4.4.1 圆管层流运动圆管层流运动 4.4.2 4.4.2 明渠层流运动明渠层流运动 4.4 4.4 层流运动层流运动964.4.2 4.4.2 明渠层流运动明渠层流运动 宽矩形明渠的层流运动宽矩形明渠的层流运动 从流速分布，切应力分布，断面平均流速，从流速分布，切应力分布，断面平均流速，断面最大流速，动能修正系数，沿程水头断面最大流速，动能修正系数，沿程水头损失系数，沿程水头损失公式损失系数，沿程水头损失公式 等方面，自等方面，自己推导并总结。己推导并总结。实践实践97974.3 均匀流沿程水头损失与水流阻力关系均匀流沿程水头损失与水流阻力关系4.2 流动的两种形态流动的两种形态4.4 层流运动层流运动4.5 紊流运动紊流运动4.6 紊流的沿程水头损失紊流的沿程水头损失4.7 局部水头损失局部水头损失4 流动型态和水头损失流动型态和水头损失4.1 水头损失及其分类水头损失及其分类返回目录返回目录4.8 边界层理论简介边界层理论简介4.9 绕流阻力绕流阻力984.5 4.5 紊流运动紊流运动 自然界和工程界的大多数流动都是紊流。自然界和工程界的大多数流动都是紊流。流体质点在运动中不断的相互掺混，流场中的各流体质点在运动中不断的相互掺混，流场中的各种物理量（如流速、压强、温度、浓度等）在时间种物理量（如流速、压强、温度、浓度等）在时间上和空间上均作随机变化，因此紊流又是十分复杂上和空间上均作随机变化，因此紊流又是十分复杂的流体运动状态。的流体运动状态。从统计平均的意义上各物理量可以表示为时间和从统计平均的意义上各物理量可以表示为时间和空间的确定性函数，因此采用统计学方法研究。空间的确定性函数，因此采用统计学方法研究。99994.5.2 4.5.2 紊流的特征与处理方法紊流的特征与处理方法4.5.3 4.5.3 紊流切应力紊流切应力4.5.4 4.5.4 紊流流核与粘性底层紊流流核与粘性底层 4.5.5 4.5.5 水力光滑和水力粗糙水力光滑和水力粗糙4.5.6 4.5.6 紊流流速分布紊流流速分布4.5 4.5 紊流运动紊流运动4.5.1 4.5.1 紊流的形成紊流的形成1004.5.1 4.5.1 紊流的形成紊流的形成层流转化成紊流的两个条件：层流转化成紊流的两个条件：涡体的形成；涡体的形成；形成的涡体脱离原来的流层或者流束，形成的涡体脱离原来的流层或者流束，掺入临近的流层或者流束。掺入临近的流层或者流束。101 涡体的形成涡体的形成涡体的形成以流体具有涡体的形成以流体具有粘滞性粘滞性为基本前提。为基本前提。由于流体的粘滞性和边界的滞水由于流体的粘滞性和边界的滞水作用，液流过水断面上的流速分布作用，液流过水断面上的流速分布不均匀。不同流速间的流层承受的不均匀。不同流速间的流层承受的切应力有构成切应力有构成力偶力偶并促使并促使涡体产生涡体产生的倾向。的倾向。u1u2124.5.1 4.5.1 紊流的形成紊流的形成102 涡体的形成涡体的形成 流体受外界的扰动而发生轻微波动，使流层的流速和流体受外界的扰动而发生轻微波动，使流层的流速和压强发生相应的变化。动水压力和切力产生的力偶，将压强发生相应的变化。动水压力和切力产生的力偶，将促使涡体形成。促使涡体形成。u1u2+扰动引起压强变化扰动引起压强变化u1u2u1u2力偶的形成力偶的形成涡体的形成涡体的形成4.5.1 4.5.1 紊流的形成紊流的形成103 涡体的脱离涡体的脱离u1u2+涡体形成以后，涡体旋涡体形成以后，涡体旋转方向和水流流速方向一转方向和水流流速方向一致的一边流速增大，相反致的一边流速增大，相反的一边流速减小，两边的的一边流速减小，两边的压强变化形成压强差，形压强变化形成压强差，形成涡体的升力或降力。成涡体的升力或降力。增加增加减小减小减小减小增加增加4.5.1 4.5.1 紊流的形成紊流的形成104涡体的运动惯性力涡体的运动惯性力液体的粘性粘滞阻力液体的粘性粘滞阻力涡体能否脱离原流层取决于惯性力和粘性力的对比。涡体能否脱离原流层取决于惯性力和粘性力的对比。雷诺数小到一定程度（临界雷诺数），粘滞力起主导作用，涡体雷诺数小到一定程度（临界雷诺数），粘滞力起主导作用，涡体存在但是不能发展和跳动，不能形成紊流。雷诺数大到一定程度，存在但是不能发展和跳动，不能形成紊流。雷诺数大到一定程度，涡体获得能量增加，旋转增强，不断的跳动、碰撞、合并或者分涡体获得能量增加，旋转增强，不断的跳动、碰撞、合并或者分裂，形成大小尺寸不等的许多涡体，做无规则的随机运动，形成裂，形成大小尺寸不等的许多涡体，做无规则的随机运动，形成紊流。紊流在本质上属于带随机性的非恒定流紊流。紊流在本质上属于带随机性的非恒定流4.5.1 4.5.1 紊流的形成紊流的形成1051054.5.2 4.5.2 紊流的特征与处理方法紊流的特征与处理方法4.5.3 4.5.3 紊流切应力紊流切应力4.5.4 4.5.4 紊流流核与粘性底层紊流流核与粘性底层 4.5.5 4.5.5 水力光滑和水力粗糙水力光滑和水力粗糙4.5.6 4.5.6 紊流流速分布紊流流速分布4.