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第四章 液流形态与水头损失 前一章讨论了理想液体和实际液体的能量方程，方程中有一项为能量损失。产生能量损失的原因在于：水流有粘滞性。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，转化为热能，造成能量损失。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， 介绍水头损失变化规律及其计算方法。 第一节 水头损失的分类及水流边界对水头损失的影响 一、水头损失及其分类 1.1水流阻力与水头损失 理想液体的运动是没有能量损失的，而实际液体在流动的中为什么会产生水头 理想液体：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 。 实际液体: 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。 用单位重量液体的能量损失 hw 表示水流的能量损失 ?水头损失hw （依据边界条件以及作用范围） 包括：沿程损失 hf ；局部损失 hj 沿程水头损失hf：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能损失。 这种水头损失随沿程长度增加而增加，称沿程水头损失。 hf ∝ s 局部水头损失hj，（用圆柱体绕流说明局部水头损失hj） 分析通过圆心的一条流线（图中红线所示） 通过圆心的一条流线 液体质点流向圆柱体时，流线间距逐渐增大，流速逐渐降低，由能量方程可知，压强必然逐渐增加。 液体质点运动 C—B， 动能减少（液体扩散）压能增加，减少的动能完全转化为压能。 液体质点运动 A－C，动能增加（液体挤压），压能减少，减少的压能补充为动能 液体质点运动 C—B，动能减少（液体扩散），压能增加，减少的动能完全补充为压能。 由于液体绕流运动无能量损失，因此，液体从A－B 时，A和B点的流速和压强相同。其他流线情况类似。 液体质点运动 A－C，动能增加，压能减少，减少的压能转化为动能，并用于克服能量损失 液体质点运动 C－B，动能减少，压能增加，减少的动能转化为压能，并用于克服能量损失 近壁液体从C-B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，液体没有足够动能完全恢复为压能（理想液体全部恢复）。在柱面某一位置，例如 D 处，流速降低为零，不再继续下行。 D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。 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，形成了漩涡。漩涡随流带走，经过一段时间后，逐渐消失。 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。这种能量损失产生在局部范围之内，叫做局部水头损失hj 。 局部水头损失：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，使得液体在局部范围内产生了较大的能量损失，这种能量损失称作局部水头损失。例如：管道突然缩小、管道中的闸门局部开启、弯道转弯等。 沿程水头损失 局部水头损失 发生边界 平直的固体边界水道中 产生漩涡的局部范围 外在原因 液体运动的摩擦阻力 边界层分离或形状阻力 大小 hf ∝ s 与漩涡尺度、强度, 边界形状等因素相关 耗能方式 通过液体粘性将其能量耗散 水头 水头损失 局部损失hj +沿程水头损失hf；即 二、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 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）对水头损失也有很大的影响。 液流横向边界对水头损失的影响。 过水断面的面积 A：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大小对水流的影响。例如，两个过水断面面积相同的断面，一个正方形，一个是扁长方形。显然，后者对水流运动的阻力大，水头损失要大。原因：扁长方形明渠中液流与固体边界接触周界长。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。 湿周χ：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。其值越大，对水流的阻力越大，水头损失越大。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。因此，仅靠湿周也不能表征断面几何形状的影响。 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，全面反映横向边界对水头损失影响。水流半径R: 液流纵向边界对水头损失的影响 液流纵向边界包括：底坡、局部障碍、断面形状沿程发生变化等。这些因素归结为液体是均匀流