《水力学 HYDRAULICS》课程教学资源（PPT课件讲稿）第三章 液流形态及水头损失

第三章液流形态及水头损失 学习重点 1、两种流态的特点、判别方法、雷诺数的物理 意义。 水2.沿程水头损失系数的变化规律与计算。 力3、达西公式。 学 4、谢才公式、曼宁公式、糙率n。 讲 义5、局部水头损失计算

第三章 液流形态及水头损失 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、谢才公式、曼宁公式、糙率n。 5、局部水头损失计算。 水 力 学 讲 义

第三章液流形态及水头损失 31水流阻力与水头损失 1、水流阻力:液体与固体之间、液体內部有相对运动的 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。 水 2、水头损失: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。其中边界是外因,粘滞性是内因 力 3、根据边界条件的不同,水头损失分两类:对于平顺的 学边界,水头损失与流程成正比,称为造程水头损类,用h 讲表示;由于局部边界急剧改变,导致水流结构改变、流速 义分布调整拄产生旋涡区,从而起的水头损失称为后部水

第三章 液流形态及水头损失 3.1 水流阻力与水头损失 1、水流阻力：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、水头损失：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。其中边界是外因，粘滞性是内因。 3、根据边界条件的不同，水头损失分两类：对于平顺的 边界，水头损失与流程成正比，称为沿程水头损失，用hf 表示；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称为局部水 头损失，用hj表示。 水 力 学 讲 义

第三章液流形态及水头损失 4、对于在某个流程上运动的液体,它的总水头损失hW 要遵循叠加原理即: hw=h+eh 5、为了反映过流断面面积和湿周对水流阻力和水头损 水失的综合影响,我们引入水力半径的概念,即: 力 R=A/X 学 讲>水力半径是水力学中应用广泛的重要的 义水力要素

第三章 液流形态及水头损失 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： hw=∑hf+∑hj 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： R=A/χ ➢水力半径是水力学中应用广泛的重要的 水力要素。 水 力 学 讲 义

第三章液流形态及水头损失 ,3.3均匀流沿程水头损失与切应力的关系 均匀流基本方程 在均匀流中,任意取出一段总流来分析。 如图,对1-1,2-2写能量方 d⊥ 均匀流基本方程 程h+=(z1+p1/r)-(z2+p2/r) 水 通过力的平衡分析可得: 力 PA-p2A-to2To/+yAsin B=0 d⊥ 学将以上各项都除以叫考4 讲虑到sinB=(-=2),4=m2 Z 义整理后得到: (z1+p/n)-(z2+p/)=2z0l/7

第三章 液流形态及水头损失 3.3 均匀流沿程水头损失与切应力的关系 ----均匀流基本方程 ➢在均匀流中，任意取出一段总流来分析。 如图，对1-1,2-2写能量方 程:hf=(z1+p1/r)-(z2+p2/r) 通过力的平衡分析可得： 将以上各项都除以 ，考 虑到 整理后得到： (z1+p1 /r)-(z2+p2 /r)＝ 水 力 学 讲 义 p1 A− p2 A− 0 2r0 l +Alsin  = 0 A 2 1 2 0 sin  = (z − z ) l, A = r 2 0 0  l r

豪 第三章液流形态及水头损失 鉴于 tOl y r、Mn,,R=2 2/ 可得到均匀流沿程水头损失与切应力的关系式,即均匀 流基本方程式 水力学 义>上面的分析,适用于任何大小的流束

第三章 液流形态及水头损失 鉴于： 可得到均匀流沿程水头损失与切应力的关系式，即均匀 流基本方程式： ➢上面的分析，适用于任何大小的流束。 水 力 学 讲 义 l h J r R l r h r l h f f f = , = 2 , 2 , 2 0 0 0 0 0  ＝ ＝    0 = RJ

第三章液流形态及水头损失 8,3.4液体运动的两种型态、圆管层流 要一、雷诺试验 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。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。 水力学讲义 墨水 水 层流 紊流 雷诺实验

第三章 液流形态及水头损失 3.4 液体运动的两种型态、圆管层流 一、雷诺试验 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。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 讲 义

第三章液流形态及水头损失 宽,>试验结果:液流型态不同沿程水头损失的规律也不 >相应于液体运动型态转变时的流速叫做临界流 速。雷诺数Re=vd/ν,上、下临界雷诺数。 液流型态的判别:圆管中液流的 n=1.75~2.0 水下临界雷诺数是一个比较稳定的数|o D 力值,上临界雷诺数是一个不稳定的 学数值,因此判别液流型态要以下临 讲界雷诺数为标准。实际雷诺数大于菜少长区素洗 义 下临界雷诺数时就是紊流,小于下 层流 临界雷诺数时一定是层流。 gu 45 I gvc Igc

第三章 液流形态及水头损失 ➢试验结果：液流型态不同,沿程水头损失的规律也不 同。 ➢相应于液体运动型态转变时的流速叫做临界流 速。雷诺数Re=vd/ν, 上、下临界雷诺数。 ➢液流型态的判别：圆管中液流的 下临界雷诺数是一个比较稳定的数 值，上临界雷诺数是一个不稳定的 数值，因此判别液流型态要以下临 界雷诺数为标准。实际雷诺数大于 下临界雷诺数时就是紊流，小于下 临界雷诺数时一定是层流。 水 力 学 讲 义

第三章液流形态及水头损失 .三、紊流形成过程的分析 1、素流有混掺涡体是混掺的根源 2、涡体的形成过程。流层之间相对运动,产生内摩擦 切应力,对选定的流层,流速大的邻层加于它的切应力 是顺流向的,流速小的邻层加于它的切应力是逆流向的, 水 因此该选定的流层所承受的切应力,就构成力矩,促 使涡体产生。 力3、外界扰动一局部波动一要素调整 学4、如图,波峰附近流线闫距变化→-0 讲波蜂上面微小流束过水断面变小 义流速增大,压强降低,波蜂下面反 之。波谷与波峰处的情况相反

第三章 液流形态及水头损失 三、紊流形成过程的分析 1、紊流有混掺,涡体是混掺的根源。 2、涡体的形成过程。流层之间相对运动，产生内摩擦 切应力，对选定的流层，流速大的邻层加于它的切应力 是顺流向的，流速小的邻层加于它的切应力是逆流向的， 因此该选定的流层所承 受的切应力，就构成力矩，促 使涡体产生。 3、外界扰动→局部波动→要素调整。 4、如图，波峰附近流线间距变化→ 波蜂上面微小流束过水断面变小， 流速增大，压强降低，波蜂下面反 之。波谷与波峰处的情况相反。 水 力 学 讲 义

豪 第三章液流形态及水头损失 5、这样,就使发生微小浪动的流层各段承受不同方向的 要横向压力。 6、这种横向压力使波峰愈凸,波谷愈凹;促使波幅更加 增大。浪幅增大到一定程度以后,由于横向压力与切应 力的综合作用,最后,使波峰与波谷重叠,形成涡体。 水 7、涡体形成以后,旋转方向与水流方向一致的一边流速 力变大,压强变小,流速小的边压强大,这样就使涡体 学讲义 上下两边有压差产生,形成升力,推动涡体脱离原流层 而进入流速较高的邻层,从而扰动邻层进一步产生新的 涡体。如此不断,层流即转化为紊流

第三章 液流形态及水头损失 5、这样，就使发生微小波动的流层各段承受不同方向的 横向压力。 6、这种横向压力使波峰愈凸，波谷愈凹；促使波幅更加 增大。波幅增大到一定程度以后，由于横向压力与切应 力的综合作用，最后，使波峰与波谷重叠，形成涡体。 7、涡体形成以后，旋转方向与水流方向一致的一边流速 变大，压强变小，流速小的一边压强大，这样就使涡体 上下两边有压差产生，形成升力，推动涡体脱离原流层 而进入流速较高的邻层，从而扰动邻层进一步产生新的 涡体。如此不断，层流即转化为紊流。 水 力 学 讲 义

第三章液流形态及水头损失 .>涡体形成并不一定就能形成紊流。一方面因为涡体由 于惯性作用有保持其本身运动的烦向另二方面因为粘 邻层,就要看惯性作用与粘滞作用的对比关系。只有当 惯性作用与粘滞作用相比强大到一定程度时,才能形成 紊流。 水3.5圆管层流运动和沿程水头损失 力 园管层流运动可以应用牛顿内摩擦定律表达式和均 学匀流内切应力表达式,通过积分求出过水断面上的流速 讲 分布为抛物型分布 义 y22

第三章 液流形态及水头损失 ➢涡体形成并不一定就能形成紊流。一方面因为涡体由 于惯性作用有保持其本身运动的倾向。另一方面因为粘 滞性约束涡体的运动。所以涡体能否脱离原流层而进入 邻层，就要看惯性作用与粘滞作用的对比关系。只有当 惯性作用与粘滞作用相比强大到一定程度时，才能形成 紊流。 3.5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。 水 力 学 讲 义 ( ) 2 2 0 4 r r J u = −  