武汉大学：《水力学 hydraulics》课程教学资源（PPT课件）第四章 水流阻力和水头损失

第四章水沉阻力和水头损失 41流边界层及分离现象 42水流阻力与水流能量损失的物理概念 地4,3水流内部能量的传递和转化 4.4均匀沿程水头损失计算的一般表达式 4.5沿程阻力系数和谢才系数的确定 46局部水头损失的计算

第四章 水流阻力和水头损失 4.1 液流边界层及分离现象 4.2 水流阻力与水流能量损失的物理概念 4.3 水流内部能量的传递和转化 4.4 均匀沿程水头损失计算的一般表达式 4.5 沿程阻力系数和谢才系数的确定 4.6 局部水头损失的计算

4流边界层及分离现象 液流边界层( Liquid boundary layer 1904年,普朗特提出:=09 层流边界层过渡区素流边界层 粘性底层 图4-3-2

4.1 液流边界层及分离现象 一、液流边界层(Liquid boundary layer) 1904年，普朗特提出： 99 0 u = 0. u

两个区域 不部势流( Potential0o)区:理想流体的无旋运动,园=0 固体边界很薄的区域剪切层,流动有旋⑦≠0实际流体 很大,需考虑液体的粘滞性,边界层厚度δ=(x) O很薄, s,t=20,L=1m,6毫米数量级 定义:Re lox u x Re 3.0*103~30*10 层流 x e rex 理论分析与实验 紊流:2=035理论分析与实验 x(Re) 1/5

两个区域： 外部势流(Potential flow)区：理想流体的无旋运动， 固体边界很薄的区域：剪切层，流动有旋， 实际流体 很大，需考虑液体的粘滞性，边界层厚度 很薄， 定义： 层流： 理论分析与实验 紊流： 理论分析与实验  u0 =1m /s,t = 200 , L =1m, L毫米数量级 0 5 6 Re = ,Re = = 3.0*10 ~ 3.0*10   c c x c u x u x x x Re 5 =  ( ) 1/5 Re 0.35 x x =   = 0    0  dy dux  =  (x)

二边界层的分离现象 E B 旋涡区 E C 图4-3-1 AC段,顺压区;CB段,逆压区,粘性力与压 差力的双重作用,液体倒流

二、边界层的分离现象 AC段，顺压区；CB段，逆压区，粘性力与压 差力的双重作用，液体倒流

ac段:压能转化为动育 部分克服精性切力所做 的功,不产生回流。 D c段:动能转化压力势能, 克服精性切力做的功,不 是以维持达到b点,粘性是 产生水头损失的根源。 在分离点:a y=0 返回

能量： ac段：压能转化为动能， 一部分克服粘性切力所做 的功，不产生回流。 cb段：动能转化压力势能， 克服粘性切力做的功，不 足以维持达到 b点，粘性是 产生水头损失的根源。 在分离点： 0 0 =    y= yu 返回

42水流阻为与水流能量损失的物理 概 仵用于物体边界上的力 d F=t sin dedA-P cos edA y, d F=「aF=「sm4- j cosa ∫ma4--摩擦阻力 图4-3-4 7=mosa4--压强阻力(形状阻力 onu 阻力系数一升力 2 A—物体在来流方向垂直的投影面积

4.2 水流阻力与水流能量损失的物理 概念 一、作用于物体边界上的力 ——阻力系数 ——升力 ——物体在来流方向垂直的投影面积 dFx = T0 sin ddA−0 cosdA F dF dA dA A A x x  0 sin  0 cos    = = −  F dA— —摩擦阻力 A f  0 sin   =  = − A FP p0 cosdA— —压强阻力（形状阻力） x Ay u F C 2 2 0  = Ay C0 Fy

二、水头损失的物理概念、水头损 失的分类 b程水头损dds ④)边界对水流的摩擦阻力损失一部分机械能 ②流层之间的相互摩擦力损失一部分机械能 ③紊流、大小尺度不同的旋涡 局部水头损失 Local head loss),边界层的分离产 生旋涡要产生额外的水头损失,由于边界形状突然改 变而产生的

二、水头损失的物理概念、水头损 失的分类 ——沿程水头损失(Friction head loss) ① 边界对水流的摩擦阻力损失一部分机械能 ② 流层之间的相互摩擦力损失一部分机械能 ③ 紊流、大小尺度不同的旋涡 ——局部水头损失(Local head loss)，边界层的分离产 生旋涡要产生额外的水头损失，由于边界形状突然改 变而产生的 。 f h hj hj

h=∑h+h 返回

返回 w f j h = h + h

44均匀滑程水头损失计算的一般表 达西测斯巴哈公式:h=2 4R2 g 圆管:h= 一沿程阻力系数 d 2g =J=R",量向分析:石=1P2,h=R fplv R =√fv =8f 1969年,谢才公式v=c√R/c一谢才系数,以m计 h,=a I CR/ g →C 4R2 返回 g g

4.4 均匀沿程水头损失计算的一般表 达式 达西-魏斯巴哈公式： 圆管： ——沿程阻力系数 1969年，谢才公式： c——谢才系数，以m计 R g l hf 4 2 2  =  d g l hf 2 2  =   R f l h R f R l h RJ R e f f         2 2 0 0 ,  , =       = = ，量向分析： = u f , 8 f 8 * 0 = = =   =      = c RJ    g c g c h g c RJ R l h f f 8 4 2 8 2 2 = =  = 返回

45滑程M力系数 friction veloo 和谢才系数( Chezy's coefficient)的 确定 1933年,尼古拉兹进行了试验 lg100 20 3.0 3.5 4.0 4.5 图4-6-4

4.5 沿程阻力系数(friction velocity) 和谢才系数(Chézy’s coefficient)的 确定 1933年，尼古拉兹进行了试验