水头损失及其分类

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,5,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，方程中有一项为水头损失。,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，认清水头损失的本质。在此基础上， 重点介绍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,5.1,水头损失及其分类,5.2,均匀流沿程水头损失与水流阻力关系,5.3,流动的两种形态与雷诺实验,5.4,层流运动,5.5,紊流运动,5.6,紊流的沿程水头损失,5.7,局部水头损失,5.1,水头损失及其分类,5.2,均匀流沿程水头损失与水流阻力关系,5.3,流动的两种形态与雷诺实验,5.4,层流运动,5.5,紊流运动,5.6,紊流的沿程水头损失,5.7,局部水头损失,5.1,水头损失及其分类,5.1.1,水流阻力与水头损失,5.1.2,横纵断面水力要素对水头损失的影响,5.1,水头损失及其分类,5.1.1,水流阻力与水头损失,5.1.2,横纵断面水力要素对水头损失的影响,5.1,水头损失及其分类,5.1.1,水流阻力与水头损失,水流阻力,水头损失,水头损失分类,两种水头损失比较,总水头损失,5.1,水头损失及其分类,5.1.1,水流阻力与水头损失,水流阻力,水头损失,水头损失分类,两种水头损失比较,总水头损失,理想液体的运动是没有能量损失的，而实际液体流动为什么会产生水头损失,?,理想液体：运动时没有相对运动，流速均匀分布，无流速梯度和粘性切应力。因而，不存在,能量损失 。,流线,流速分布,u,(,y,),实际液体：具有粘性，过水断面上流速分布不均匀，相邻液层间有相对运动，也就存在内摩擦力。液体要运动，就要克服摩擦阻力（水流阻力）做功，消耗一部分液流机械能，转化为热能而散失。,流速分布,切应力分布,u,y,水流阻力就是粘性切应力,流速分布,切应力分布,u,y,5.1,水头损失及其分类,5.1.1,水流阻力与水头损失,水流阻力,水头损失,水头损失分类,两种水头损失比较,总水头损失,用单位液重的能量损失,h,w,表示水流的能量损失,5.1,水头损失及其分类,5.1.1,水流阻力与水头损失,水流阻力,水头损失,水头损失分类,两种水头损失比较,总水头损失,水头损失（依据边界条件以及作用范围）,沿程损失,h,f,局部损失,h,j,h,w,沿程水头损失,h,f,h,f, s,在,平直的固体边界,水道中，单位液重的液体从,一个断面流至另一个断面的机械能损失。 这种水头,损失随沿程长度的增加而增加，故称沿程水头损失。,局部水头损失,h,j,用圆柱体绕流说明局部水头损失,h,j,局部水头损失,h,j,液体绕圆柱体流动,分析通过圆心的一条流线（图中红线）,通过圆心的红线是一条流线,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。,存在驻点,当液体质点流至,A,点，流速降为零，动能转化为压能，使其增加到最大。,A,点,称驻点（毕托管测速原理）。,A,驻点,A,液体质点到达驻点，停滞不前，以后继续流来的,质点就要改变原有流动方向，沿圆柱体两侧继续流动。,A,C,理想液体,沿柱面两侧边壁附近的流动,液体质点运动,A,C,动能增加（液体挤压）,压能减少,压能的减少部分转化为动能,A,C,B,C,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。,A,C,B,C,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。,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,A,C,B,C,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。,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,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。,实际液体绕圆柱流动,A,C,B,C,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,动能还要用于克服能量损失,A,C,B,C,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,能量损失还要消耗动能,A,C,B,C,形成分离点：,D,近壁液体从,C-B,运动时，液体动能一部分用于克服摩擦阻力，另一部分用于转化为压能，越用越少，以至于没有足够动能完全恢复为压能（理想液体全部恢复），在柱面,B,以上的某一位置,D,，流速降低为零，不再继续下行。,A,C,B,C,形成分离点：,D,D,点以上的液体就要改变流向，沿另一条流线运动，使主流脱离圆柱面，形成分离点。,A,C,B,C,D,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。,分离点后形成漩涡区,A,C,B,C,D,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。,分离点后形成漩涡区,漩涡区,A,C,B,C,D,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。,分离点后形成漩涡区,漩涡区,A,C,B,C,D,漩涡区,漩涡体形成、运转，,经过一段时间后，逐渐消失。,漩涡区中产生了较大的能量损失,A,C,B,C,D,流速分布急剧变化,。,漩涡区中产生了较大的能量损失,A,C,B,C,D,漩涡区中产生了较大的能量损失,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，叫局部水头损失,h,j,。,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，这种能量损失称局部水头损失。,局部水头损失,突然管道缩小,漩涡区,管道中的闸门局部开启,漩涡区,弯道转弯,漩涡区,5.1,水头损失及其分类,5.1.1,水流阻力与水头损失,水流阻力,水头损失,水头损失分类,两种水头损失比较,总水头损失,产生漩涡的局部范围,局部水头损失,沿程水头损失,h,f, s,发生边界,平直的固体边界水道中,大小,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,外在原因,液体运动的沿程阻力,边界层分离,5.1,水头损失及其分类,5.1.1,水流阻力与水头损失,水流阻力,水头损失,水头损失分类,两种水头损失比较,总水头损失,水头损失,沿程损失,h,f,局部损失,h,j,液体以下管道时的沿程损失包括四段,h,f,1,h,f,2,h,f,3,h,f,4,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,闸门,5.1,水头损失及其分类,5.1.1,水流阻力与水头损失,水头损失,沿程损失,h,f,局部损失,h,j,5.1,水头损失及其分类,5.1.1,水流阻力与水头损失,5.1.2,横纵断面水力要素对水头损失的影响,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,A,过水断面的面积,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。,A,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,液流过水断面与固体边界接触的周界线，叫,湿周，,是过水断面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，将过水断面的面积和湿周结合起来，用,R,表示，全面反映横向边界对水头损失影响。,R,越大，则水头损失越小。,水力半径,R,:,管 道,d,矩形断面明渠,b,h,梯形断面明渠,b,h,m,液流纵向边界对水头损失的影响,液流纵向边界的水力要素包括：底坡、局部障碍、断面形状沿程发生变化等。这些要素对水头损失的综合效果表现为液流产生渐变流，还是急变流，急变流会增加液流的水头损失。,均匀流： 沿程水头损失,非均匀流渐变流,:,沿程水头损失,非均匀急变流,:,沿程和局部水头损失,均匀流,A,，,R,，,v,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。,l,z,1,P,1,P,2,z,2,v,1,v,2,h,f,p,1,/,p,2,/,1,1,2,2,v,2,2,2g,v,1,2,2g,v,1,v,2,0,0,总水头线,J,测压管水头线,J,p,均匀流,A,，,R,，,v,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。,v,2,1,2,1,2,水面测压管水头线,J,p,v,1,1,v,1,2,2g,2,v,2,2,2g,z,1,z,2,h,f,总水头线,J,P,2,P,1,0,G,l,p,1,p,2,非均匀流,A,、,R,、,v,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。,非均匀渐变流：局部水头损失可忽略,沿程水头损失不可忽略,非均匀急变流：两种水头损失都不可忽略,急变流,总水头线,测压管水头线,h,j,v,1,v,2,v,1,2,2,g,v,2,2,2,g,5.1,水头损失及其分类,5.1.1,水流阻力与水头损失,水头损失,沿程损失,h,f,局部损失,h,j,渐变流，急变流,水力半径,R,5.1.2,横纵断面水力要素对水头损失的影响,