水力学课件液流形态及水头损失

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,*,水力学,第三章 液流型态及水头损失,前进,1,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,2,粘滞性,相对运动,物理性质,固体边界,产生水流阻力,损耗机械能,h,w,水头损失的物理概念及其分类,图示,图示,水头损失的分类,沿程水头损失,h,f,局部水头损失,h,j,某一流段的总水头损失：,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,3,沿程水头损失与切应力的关系,1,1,2,2,L,O,O,Z,1,Z,2,列流动方向的平衡方程式：,F,P1,=Ap,1,0,0,G=gAL,F,P2,=Ap,2,湿周,整理得：,改写为：,水力半径,过水断面面积与湿周之比，即,A,/,量纲分析,圆管中,沿程阻力系数,返回,4,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,（下）临界雷诺数,雷诺数,或,若,ReRe,k,，水流为紊流，,返回,前进,5,紊流形成过程的分析,返回,选定流层,流速分布曲线,干扰,F,F,F,F,F,F,F,F,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,6,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：,流速分布,（,推演,）,：,断面平均流速：,沿程水头损失：,沿程阻力系数：,返回,7,紊流特征,运动要素的脉动现象,瞬时运动要素（如流速、压强等）随时间发生波动的现象,图示,紊流产生附加切应力,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,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,8,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：,当,Re10,5,时，,流速分布的对数公式：,摩阻流速，,层流流速分布,紊流流速分布,返回,9,沿程阻力系数的变化规律,返回,尼古拉兹实验,或,Lg,（,100,）,lgRe,层流时,水力光滑壁面,称为紊流光滑区,水力粗糙壁面,称为紊流粗糙区,过渡粗糙壁面,称为率流过渡粗糙区,10,计算沿程水头损失的经验公式,谢齐公式,返回,断面平均流速,谢齐系数,水力半径,水力坡度,1.,谢齐系数有量纲，量纲为,L,1/2,T,-1,，单位为,m,1/2,/s,。,2.,谢齐公式可适用于不同流态和流区，既可适用于明渠水流也可应用于管流。,3.,常用计算谢齐系数的经验公式：,曼宁公式,巴甫洛夫斯基公式,这两个公式均依据阻力平方区紊流的实测资料求得，故只能,适用于阻力平方区的紊流,。,或,n,为粗糙系数，简称糙率。水力半径单位均采用米。,例题,11,d,1,d,2,V,1,V,2,2,2,1,1,3,3,L,局部水头损失,前进,Z,1,Z,2,O,O,G,x,对,1-1,、,2-2,断面列能量方程式,列,X,方向的动量方程式,化简整理得：,所以有,12,返回,局部水头损失的通用计算公式：,局部阻力系数,应用举例,13,理想液体,流线,实际液体,流线,流速分布,流速分布,返回,返回,14,水头损失分类举例,返回,15,h,f,雷诺试验,lgV,lgh,f,O,流速由小至大,流速由大至小,1,2,颜色水,颜色水,颜色水,颜色水,返回,16,r,u,r,0,每一圆筒层表面的切应力：,另依均匀流沿程水头损失与切应的关系式有：,所以有,积分整理得,当,r=r,0,时，,u,x,=0,，代入上式得,层流流速分布为,抛物型流速分布,返回,17,A,紊流,紊流的脉动现象,t,u,x,O,t,u,x,O,或,（时均）恒定流,（时均）非恒定流,返回,18,紊流的粘性底层,粘性底层,0,紊流,粘性底层厚度,可见，,0,随雷诺数的增加而减小。,当,Re,较小时，,水力光滑壁面,当,Re,较大时，,0,0,水力粗糙壁面,0,过渡粗糙壁面,返回,19,紊流形成过程的分析,返回,选定流层,流速分布曲线,干扰,F,F,F,F,F,F,F,F,F,F,F,F,F,F,F,F,升力,涡 体,20,h,f,尼古拉兹实验,相对粗糙度 或相对光滑度,雷诺数,Re,返回,21,例题：有一混凝土护面的梯形渠道，底宽,10m,，水深,3m,，两岸边坡为,1,：,1,，粗糙系数为,0.017,，流量为,39m,3,/s,，水流属于阻力平方区的紊流，求每公里渠道上的沿程水头损失。,b,h,1,：,1,1,：,1,解：,B,水面宽,过水断面面积,湿周,水力半径,谢齐系数,沿程水头损失,断面平均流速,返回,22,例题：水从水箱流入一管径不同的管道，管道连接情况如图所示，已知：,（以上,值均采用发生局部水头损失后的流速）,当管道输水流量为,25l/s,时，求所需要的水头,H,。,l,1,l,2,V,0,0,d,2,d,1,H,分析：用能量方程式，三选定，,列能量方程：,1,1,2,2,0,0,前进,23,l,1,l,2,V,0,0,d,2,d,1,H,1,1,2,2,0,0,解：,代入数据，解得：,故所需水头为,2.011m,。,返回,24,