《水力学》课程PPT教学课件（讲义）第三章 液流型态及水头损失

水力学 第三章液流型态及水头损失 前进

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主要内容: 水头损失的物理概念及其分类 沿程水头损失与切应力的关系 液体运动的两种流态 圆管中的层流运动及其沿程水头损失的计算 紊流特征 沿程阻力系数的变化规律 计算沿程水头损失的经验公式谢齐公式 局部水头损失 结束

主要内容： 水头损失的物理概念及其分类 沿程水头损失与切应力的关系 液体运动的两种流态 圆管中的层流运动及其沿程水头损失的计算 紊流特征 沿程阻力系数的变化规律 计算沿程水头损失的经验公式——谢齐公式 局部水头损失 结束

水头损失的物理概念及其分类 物理性质——粘滞性 产生水损耗机 固体边界相对运动办∫流阻力械能hn 图示 沿程水头损失hr 水头损失的分类 图示 局部各种局部水头损失的总和 某一流段的总水头损失:h=∑h+∑h 举例 各分段的沿程水头损失的总和 返回

粘滞性 相对运动 du dy 物理性质—— 固体边界—— 产生水 流阻力 损耗机 械能hw 水头损失的物理概念及其分类 图示 水头损失的分类 图示 沿程水头损失hf 局部水头损失hj 某一流段的总水头损失： w f j h h h = +   各分段的沿程水头损失的总和 各种局部水头损失的总和 举例 返回

沿程水头损失与切应力的关系 F=LXTO FIAP F 湿 a 周 ZI G=PgAL 列流动方向的平衡方程式:A-A2+ PgAL sina-Lo=0 整理得:(Z+B )2/水力半径过水断面积与 湿周之比,即A L 改写为: 沿程阻力系数=f(.合D 量纲分 员管中 LV2 h,=元 RP8=f(B,P,n,△) 4R28R A28 返回

沿程水头损失与切应力的关系 1 1 2 2 L α O O Z1 Z2 列流动方向的平衡方程式： 1 2 0 Ap Ap gAL L − + − =    sin 0 FP1=Ap1 τ0 τ0 G=ρgAL FP2=Ap2 F L =  0 湿 周 整理得： 1 2 0 1 2 ( ) ( ) p p L Z Z g g A g      + − + =  改写为： 0 0 f L L h A g R g      =  =  0 f h gR L   =  水力半径——过水断面面积与 湿周之比，即A/χ 0   = gRJ 0 f L h R g   =  量纲分析 0 2 0 ( , , , , ) 8 f R V V       =  = 2 4 2 f L V h R g =  圆管中 4 d R = 2 2 f L V h d g =  沿程阻力系数 ( , ) VR f R    = 返回

液体运动的两种流态 雷诺试验—揭示了水流运动具有层流与紊流两种流态。 当流速较小时,各流层的液体质点是有条不紊地 运动,互不混杂,这种型态的流动叫做层流。 当流速较大,各流层的液体质点形成涡体,在流 动过程中,互相混掺,这种型态的流动叫做紊流。 层流与紊流的判别雷诺数Re=l或Re=R (下)临界雷诺数Rek Re,≈2000 Re,≈500 若ReRe,水流为紊流,h∝V20 前进返回

液体运动的两种流态 雷诺试验 ——揭示了水流运动具有层流与紊流两种流态。 当流速较小时，各流层的液体质点是有条不紊地 运动，互不混杂，这种型态的流动叫做层流。 当流速较大，各流层的液体质点形成涡体，在流 动过程中，互相混掺，这种型态的流动叫做紊流。 层流与紊流的判别 Re k k V d  （下）临界雷诺数 = Re Vd  雷诺数 = 或 Re VR  = Re 2000 k  Re 500 k  若ReRek，水流为紊流， 1.75~2.0 f h V  前进 返回

紊流形成过程的分析 流速分布曲线 F 干扰 已二古选定流层 升力 涡体的产生 紊流形成条件 雷诺数达到一定的数值 返回

紊流形成过程的分析 返回 选定流层 y 流速分布曲线 τ τ 干扰 F F F F 升力 涡 体 紊流形成条件 涡体的产生 雷诺数达到一定的数值

圆管中的层流运动及其沿程水头损失的计算 质点运动特征(图示):液体质点是分层有条不紊、互不混杂地运动着 切应力:r=-n 流速分布(:n=P8(-2) udA 断面平均流速 pg. A32 沿程水头损失 32nlL 64nL v 64 L v pga oVa d 2 g Re d2. g 沿程阻力系数: 64 Re 返回

圆管中的层流运动及其沿程水头损失的计算 质点运动特征（图示）：液体质点是分层有条不紊、互不混杂地运动着 切应力： x du dr   = − 流速分布（推演）： 2 2 0 ( ) 4 x gJ u r r   = − 断面平均流速： 2 32 A udA gJ V d A   = =  沿程水头损失： 2 32 f VL h gd   = 2 2 64 64 2 Re 2 L V L V Vd d g d g   =   =   沿程阻力系数： 64 Re  = 返回

紊流特征 液体质点互相混掺、碰撞,杂乱无章 质点运动特征:地运动着 运动要素的脉动现象—瞬时运动要素(如流速、压 图示 强等)随时间发生波动的现象 紊流产生附加切应力z=z+21=7-2+P() 由相邻两流层间时间平均流速相对 纯粹由脉动流速所产生 运动所产生的粘滞切应力 的附加切应力 紊流粘性底层在紊流中紧靠固体边界附近,有 极薄的层流层,其中粘滞切应力起主导 图示作用,而由脉动引起的附加切应力很小, 该层流叫做粘性底层。 粘性底层虽然很薄,但对紊流的流动有很大的影响。所 以,粘性底层对紊流沿程阻力规律的研究有重大意义。 前进

紊流特征 运动要素的脉动现象 ——瞬时运动要素（如流速、压 图示 强等）随时间发生波动的现象 紊流产生附加切应力 1 2    = + 由相邻两流层间时间平均流速相对 运动所产生的粘滞切应力 纯粹由脉动流速所产生 的附加切应力 2 2 ( ) x x du du l dy dy = +   紊流粘性底层 ——在紊流中紧靠固体边界附近，有一 极薄的层流层，其中粘滞切应力起主导 作用，而由脉动引起的附加切应力很小， 该层流叫做粘性底层。 图示 粘性底层虽然很薄，但对紊流的流动有很大的影响。所 以，粘性底层对紊流沿程阻力规律的研究有重大意义。 质点运动特征：液体质点互相混掺、碰撞，杂乱无章 地运动着 前进

紊动使流速分布均匀化 紊流中由于液体质点相互混掺, 紊流流速分布 互相碰撞,因而产生了液体内部各 质点间的动量传递,动量大的质点 将动量传给动量小的质点,动量小 的质点影响动量大的质点,结果造 层流流速分布 成断面流速分布的均匀化。 流速分布的指数公式: 当Re<105时,n 7 Re摩阻流速, 流速分布的对数公式:l1=575gy+C 返回

紊动使流速分布均匀化 紊流中由于液体质点相互混掺， 互相碰撞，因而产生了液体内部各 质点间的动量传递，动量大的质点 将动量传给动量小的质点，动量小 的质点影响动量大的质点，结果造 成断面流速分布的均匀化。 流速分布的指数公式： 0 ( ) x n m u y u r = 当Re105时， 1 1 1 8 9 10 n采用 或 或 流速分布的对数公式： 5.75 lg x u u y C = +  摩阻流速， u    = 层流流速分布 紊流流速分布 返回

沿程阻力系数的变化规律h1=2或 L g h=naRa 尼古拉兹实验 过渡粗糙壁面,A=f(Re 称为率流过渡粗糙区 0AAA 层流时,x= 15 0△ =15 水力光滑壁面,A=f(Re) 称为紊流光滑区 水力粗糙壁面,2=f 称为紊流粗糙区 返回

沿程阻力系数的变化规律 返回 2 2 f L V h d g =  尼古拉兹实验 或 2 4 2 f L V h R g =  Lg（100 λ） lgRe 0 15 r =  0 15 r =  0 15 r =  0 15 r =  0 15 r =  0 15 r =  层流时, 64 Re  = 水力光滑壁面, 称为紊流光滑区  = f (Re) 水力粗糙壁面, 称为紊流粗糙区 0 ( ) r  = f  过渡粗糙壁面, 称为率流过渡粗糙区 0 (Re, ) r  = f 