水流形态与水头损失.ppt

* 第四章 水流型态与水头损失 水力学 水力学 本章的学习重点 1.两种流态的特点、判别方法、雷诺数的物理意义。 2.沿程水头损失系数的变化规律与计算。 3.达西公式。 4. 局部水头损失计算。 5.局部水头损失计算。 水力学 1.水流阻力是由于液体的粘滞性作用和固体边界的影响，使液体与固体之间、液体内部有相对运动的各液层之间存在的摩擦阻力的合力，水流阻力必然与水流的运动方向相反。 2.水流在运动过程中克服水流阻力而消耗的能量称为水头损失。其中边界对水流的阻力是产生水头损失的外因，液体的粘滞性是产生水头损失的内因，也是主要原因。 ?一. 水头损失产生的原因 3.水头损失的概念： 总流单位重量液体的平均机械能损失 ?二. 水头损失的类型 根据边界条件的不同，可以把水头损失分为两类： 1.沿程水头损失 ：对于平顺的边界，水头损失与流程成正比； 水力学 2.局部水头损失 ：由于局部边界急剧改变，导致水流结构改变、流速分布调整并产生旋涡区，从而引起的水头损失 3.特征： （1）沿程水头损失：均匀分布在流段与流段长度成正比。 （2）局部水头损失：仅存在于局部区域与边界变化程度（形状）有关。 4.对于在某个流程上运动的液体，它的总水头损失hw遵循叠加原理即 5.为了反映过流断面面积和湿周对水流阻力和水头损失的综合影响，我们引入水力半径的概念，即 水力半径是水力学中应用广泛的重要的水力要素。 水力学 图2-局部水头损失 水力学 图1-水头损失 ?三.均匀流沿程水头损失的基本公式——达西公式 水力学 1.均匀流中只存在沿程水头损失，它有两个特点：一是所消耗的能量全部由势能转化来的，二是每单位长度上的水头损失J（也称为水力坡度J=hf/l）是沿程不变的。 2.均匀流的切应力分布规律： 液体内部切应力 τ=γR＇J 边界上切应力 τ0=γRJ 式当γ、J为定值，切应力与R＇成正比，也就是说边界上的切应力为最大。 管壁处的切应力为 3.均匀流沿程水头损失的计算基本公式为达西公式 毕业答辩 水力学 对于圆管 ，则 上式建立了沿程水头损失hf与流速、流段长、边界几何特征R和沿程阻力系数λ之间的关系。λ是计算沿程水头损失重要的参数。沿程水头损失系数λ与液体的流动型态和边界的粗糙程度密切相关。 水力学 ?五.液体流动的两种型态和流态的判别 1.雷诺实验 1883年英国科学家雷诺，通过实验发现液体在流动中存在两种内部结构完全不同的流态：层流和紊流。 （1）层流 当流速较小时，各流层质点互不混杂，这种型态的流动叫层流。 水力学 （2）紊流 当流速较大时，各流层质点形成涡体互相混掺，这种型态的流动叫做紊流。 水力学 2.水流流动型态的判别—雷诺数Re作为判据的 同时发现，层流的沿程水头损失hf与流速一次方成正比，紊流的hf与流速的1.75～2.0次方成正比；在层流与紊流之间存在过渡区，hf与流速的变化规律不明确。 对于明渠水流 明渠水流临界雷诺数Rek=500。当Re＜500为层流， Re＞500为紊流。 对于圆管水流 圆管水流临界雷诺数Rek=2000。当Re＜2000为层流， Re＞2000为紊流。 3.雷诺 数的实质 从力学的角度看，雷诺数就是惯性力作用与粘滞力作用的对比关系。当Re较小时， 水力学 说明粘滞力占主导，液体为层流；反之则为紊流。 例题1管道直径 d = 10 mm，通过流量 Q = 20 cm3/s，运动粘度? = 0.0101cm2/s。问管中水流流态属层流还是紊流？若将直径改为 d = 30 mm，水温、流量不变，问管中水流属何种流态？ 解：（1） 水力学 （2）当直径改为30mm时 水力学 五. 圆管层流运动和沿程水头损失 圆管层流运动可以应用牛顿内摩擦定律表达式和均匀流内切应力表达式，通过积分求出过水断面上的流速分布为抛物型分布。 最大流速在管轴线处 断面平均流速 沿程水头损失 沿程阻力系数 水力学 水力学 六. 沿程水头损失系数的变化规律 尼库拉兹为探讨紊流沿程阻力的计算公式，用不同粒径的人工砂粘贴在不同直径的管道的内壁上，用不同的流速进行一系列试验。尼古拉兹通过大量实验，发现沿程阻力系数λ在层流和紊流三个不同流区内的变化规律，从而为确定λ值，进而计算紊流各流区的沿程水头损失hf提供了可应用的方法。 1.层流状态时，圆管的 与理论公式相一致，说明层流