第四章《矿山流体机械》课件

Reading Fun,Sub topics go here,*,第四章 水头损失及管路水力计算,本章学习要点,流体运动的两种状态,流体在管路中的水头损失,管路水力计算,本章小结,第一节 流体运动的两种状态,1883,年，英国物理学家雷诺通过实验证实：流体运动时存在着层流和紊流两种不同的流动状态，且这两种流动状态的能量损失规律不同。,层流,是指流体运动时，各流层间质点不发生混杂，呈现规则的层状运动状态；,紊流,是指流体运动时，各流体质点并不是保持在某一个固定层内，而是有交混和碰撞，呈现无规则的混乱状态。,在层流中，流动阻力是由液体黏性引起的；在紊流中，流动阻力包括液体黏性引起的阻力和流体质点间的动量交换引起的附加阻力。由于两种运动状态的流动阻力不同，因此，其能量损失规律也不同。,一、雷诺实验,如下图所示为雷诺实验装置。在水箱,1,内设有溢水板,5,，以保证水箱中的水位,H,保持不变。在水箱,1,上连接一个玻璃管,2,，在管末端装有阀门,3,，用于调节管内的流量。用供水管,4,向水箱,1,中供水。小水箱,6,内装有带色液体，并用带有开关,8,的细管,7,把带色液体引到玻璃管,2,的入口内，其针状口伸入管内。,实验过程为：首先微开阀门,3,，使少量水流出，这时管中水的平均流速很小，水缓慢地流出。与此同时，打开开关,8,，带色液体通过细管,7,流入玻璃管,2,内，并与玻璃管,2,中的水流一同运动。这时我们可以很清楚地看到，带色液体在玻璃管中形成一条与管轴平行的鲜明细流，其流动非常平稳，如下所示。这说明带色液体质点和周围液体质点不发生混杂，管中液体作层流运动。,如果再把阀门,3,稍微开大一些，玻璃管,2,中水流,还会保持层流运动，但是流速加快。如果继续开大阀门,3,，流速继续增大，当流速增大到某一值时，带色液体细流开始波动，如左图所示。这说明层流运动将要被破坏，此时液流处于过渡状态。如果再继续开大阀门,3,，波动的带色液体细流将会发生破断，进而与水流相互混杂，如右图所示。这说明带色液体质点和周围液体发生交混，管中液体作紊流运动。,反之，把阀门,3,逐渐关小，则带色液体细流又会恢复到过渡状态，再关小，就会恢复到层流状态。,两种状态转换时的流体流速称为临界流速，用符号,表示。其中，由层流转变为紊流时的流速称为上临界流速，用符号,上,表示；由紊流转变为层流时的流速称为下临界流速，用符号,下,表示。实验证明，上临界流速大于下临界流速，即,上,下,。,二、雷诺数及其临界值,雷诺通过大量实验建立了临界流速,、管径,d,、流体密度,和动力黏度,（或运动黏度,v,）的关系，并提出了一个无因次系数，这个系数称为雷诺数，用符号,Re,表示，其表达式为：,流动状态发生变化时的雷诺数称为临界雷诺数。其中，由层流变为紊流时的雷诺数称为上临界雷诺数，用符号,Re,上表示；由紊流变为层流时的雷诺数称为下临界雷诺数，用符号,Re,下表示。,实验证明：对于任何管径和流动介质，其所对应的临界雷诺数是相同的。因此，临界雷诺数可以作为判别流态的标准。对于圆管内流体，其上临界雷诺数,Re,上,13800,；下临界雷诺数,Re,下,2320,。,一般下临界雷诺数比较稳定，对于几何形状相似的一切流体运动，其下临界雷诺数都是相等的；而上临界雷诺数常随试验条件和流动起始状态的不同变化。因此，通常把下临界雷诺数作为层流和紊流的分界。例如，圆管中流体流态的判别条件为：,Re,2320,层流,Re,2320,紊流,第二节 流体在管路中的水头损失,水头损失是指单位重量的流体从一个位置流动到另一个位置时，由于克服各种阻力所消耗的能量。因此，水头损失是由流动阻力引起的。,流体在管路中流动时，将遇到沿程阻力和局部阻力两种阻力，所以，水头损失可分为沿程水头损失和局部水头损失两类。,沿程阻力,是指运动流体层间及流体与固体壁面间所产生的摩擦阻力。单位重量的流体为克服沿程阻力而消耗的能量，称为,沿程水头损失或沿程损失,，用符号,h,f,表示。沿程损失只发生在过流断面无变化的直线段上，而且流程愈长，损失愈大。,局部阻力,是指流体流经扩散管、收缩管、阀门或弯管等局部区域时所产生的阻力。单位重量的流体为克服局部阻力而消耗的能量，称为,局部水头损失或局部损失,，用符号,h,j,表示。,流体动力学伯努利方程中的,h,w,一项，应包括全部沿程水头损失和各种局部水头损失，即,一、沿程水头损失的计算,对于圆管中的流体，沿程水头损失与流体流过的路程,l,和速度水头 成正比，与管路直径,d,成反比，其表达式为：,沿程阻力系数的确定方法如下：,1,在层流运动中（,Re,2320,），不同流体的沿程阻力系数,主要取决于,Re,。其中，对于水：,对于油：,2,在紊流运动中（,Re,2320,），沿程阻力系数,主要取决于,Re,和壁面粗糙度两个因素。但由于紊流运动中，沿程阻力系数,的计算比较复杂，因此，对于工程中常用的管道，其,值可以用下面的经验公式计算。,对于新钢管：,对于新铸铁管：,对于旧钢管和旧铸铁管：,二、局部水头损失的计算,局部水头损失用速度水头的倍数来表示，其计算公式为：,第三节 管路水力计算,在管路的水力计算中，有“长管”与“短管”之分。,长管是指流体在管路中流动时，局部水头损失以及流速水头的总和小于沿程水头损失的,5%,，在水力计算中，可按沿程水头损失的某一百分数估算，甚至可以忽略不计的管路。,短管是指流体在管路中流动时，局部水头损失以及流速水头的总和大于沿程水头损失的,5%,，在水力计算中，不能忽略，必须逐项进行计算的管路。,工程上常用的管路结构类型有简单管路、串联管路、并联管路和管网四大类。现对前三种较为简单的结构类型的水力计算进行介绍。,一、简单管路水力计算,简单管路是一种沿程管径不变，流量也不变的管路，如下图所示。它是组成各种复杂管路的基本单元，是一切复杂管路水力计算的基础。,以断面,00,为基准面，取断面,11,和,22,，列出其伯努利方程：,因,1,0,，取,2,1,，则,上式说明，系统提供的位置水头,H,除一部分用于克服流动阻力损失外，其余全部用于产生管道出口断面上的速度水头。,速度水头和水头损失之和又称为作用水头，用符号,H,e,表示，即,由于简单管路中流速沿流程不变，因此，水头损失,h,w,为：,对于短管,对于长管，可忽略其速度水头和局部水头损失,二、串联管路水力计算,串联管路是由简单管路按顺序首尾相接组成的，如下图所示。,串联管路中，各管段通过的流量相等，即,Q,1,Q,2,Q,n,Q,。,根据阻力相加原理，串联管路系统的总水头损失等于各管段水头损失之和，即,则,因,Q,1,Q,2,Q,n,Q,，故,从上式中可以看出：,三、并联管路水力计算,并联管路是由两节或两节以上的简单管路组成的，如下图所示，其特点是流体从总管段末端分出支管段，这些支管段最后又汇集到另一总管段上。,并联管路中，总管段的流量等于各并联支管段的流量之和，即,Q,Q,1,Q,2,Q,n,。,由于,A,、,B,两点为并联管路三个支管段共有，因此，,A,、,B,两点的测压管液面高差同时表示并联管路三个支管段的水头损失，即并联管路两总管段之间的水头损失等于各支管段的水头损失：,因,Q,Q,1,Q,2,Q,n,，故,故,或,则,本章小结,（一）流体运动的两种状态,流体运动时存在着层流和紊流两种不同的流动状态，其能量损失规律不相同。其中，层流是指流体运动时，各流层间质点不发生混杂，呈现规则的层状运动状态；紊流是指流体运动时，各流体质点并不是保持在某一个固定层内，而是有交混和碰撞，呈现无规则的混乱状态。,下临界雷诺数是判别流态（层流和紊流）的标准。对于圆管内流体，,Re,2320,时为层流；,Re,2320,时为紊流。,（二）流体在管路中的水头损失,沿程水头损失的计算公式为 ；局部水头损失的计算公式为 。,（三）管路的水力计算,简单管路水力计算中，对于短管：,对于长管：,串联管路水力计算中：,并联管路水力计算中：,