《水力学》课程教学资源（PPT课件）第四章 液流形态及水头损失

1第四章液流形态及水头损失第一节水头损失的分类及水流边界对水头损失的影响产生流动阻力和能量损失的根源：流体的粘性和紊动。水头损失的两种形式中1、沿程阻力和沿程水头损失沿程阻力（FrictionalDrag）：当限制流动的固体边界使流体作均匀流动时，流动阻力只有沿程不变的切应力，该阻力称为沿程阻力。沿程水头损失（FrictionalHeadLoss）：由沿程阻力作功而引起的水头损失称为沿程水头损失。录像2、局部阻力和局部水头损失局部阻力（LocalResistance）：液流因固体边界急剧改变而引起速度分布的变化，从而产生的阻力称为局部阻力。局部水头损失（LocalHeadLoss）：由局部阻力作功而引起的水头损失称为局部水头损失。返回书目返回课目UVAG

1 • 产生 流动阻力和能量损失的根源：流体的粘性和紊动。 • 水头损失的两种形式 1、沿程阻力和沿程水头损失 沿程阻力（Frictional Drag）：当限制流动的固体边界使流体作均匀 流动时，流动阻力只有沿程不变的切应力，该阻力称为沿程阻力。 2、局部阻力和局部水头损失 局部阻力（Local Resistance）：液流因固体边界急剧改变而引起 速度分布的变化，从而产生的阻力称为局部阻力。 沿程水头损失（Frictional Head Loss）：由沿程阻力作功而引起的 水头损失称为沿程水头损失。 局部水头损失（Local Head Loss）：由局部阻力作功而引起的水 头损失称为局部水头损失。 第四章 液流形态及水头损失 第一节 水头损失的分类及水流边界对水头损失的影响

23、特点沿程水头损失h：主要由于“摩擦阻力”所引起的，随流程的增加而增加。在较长的直管道和明渠中是以h为主的流动。局部阻力水头损失h：主要是因为固体边界形状突然改变，从而引起水流内部结构遭受破坏，产生游漩涡，以及在局部阻力之后，水流还要重新调整结构以适应新的均匀流条件所造成的。例“弯头”，“闸门”，“突然扩大”等。4、水头损失的叠加原理水头损失叠加原理：流段两截面间的水头损失为两截面间的所有沿程损失和所有局部损失的总和。即，h,=2h+h式中：n—等截面的段数;m一局部阻力个数。返回课目UV合返回书目

2 3、特点 沿程水头损失hf：主要由于“摩擦阻力”所引起的，随流程的增加而增加。 在较长的直管道和明渠中是以hf为主的流动。 局部阻力水头损失hj ：主要是因为固体边界形状突然改变，从而引起水流 内部结构遭受破坏，产生漩涡，以及在局部阻力之后，水流还要重新调整结构 以适应新的均匀流条件所造成的。例“弯头”，“闸门”，“突然扩大” 等。 水头损失叠加原理：流段两截面间的水头损失为两截面间的所有沿程 损失和所有局部损失的总和。即： =  +  = = m k jk n i fi h h h 1 1  4、水头损失的叠加原理 n——等截面的段数； m——局部阻力个数。 式中：

3不同固体边界下的水头损失总水头线ho=Zh,+ZhH35120测压管水头线转弯2转弯闸门突扩突缩返回课目VG返回书目

3 不同固体边界下的水头损失 测压管 水头线 总水头线 H 转弯 转弯 突扩 突缩 闸门 = f + j h h h  2 g 2  2 hj hf

4第二节液流的两种流动形态雷诺实验及两种流态的运动特征1883年英国物理学家雷诺（ReynoldsO.）通过试验观察到液体中存在层流和紊流两种流态。录像1、层流层流（LaminarFlow），亦称片流：是指流体质点不相互混杂，流体作有序的成层流动。特点：（1）有序性。水流呈层状流动，各层的质点互不混掺，质点作有序的直线运动。录像du22粘性占主要作用，遵循牛顿内摩擦定律。eT=Hdy能量损失与流速的一次方成正比。(32（4）在流速较小且雷诺数Re较小时发生。返回课目UVAG返回书目

4 第二节 液流的两种流动形态 层流（Laminar Flow），亦称片流：是指流体质点不相互混杂，流体作有序的成 层流动。 一、雷诺实验及两种流态的运动特征 特点： （1）有序性。水流呈层状流动，各层的质点互不混掺，质点作有序的直线 运动。 1、层流 1883年英国物理学家雷诺（Reynolds O.）通过试验观察到液体中存 在层流和紊流两种流态。 （3）能量损失与流速的一次方成正比。 （4）在流速较小且雷诺数Re较小时发生。 dy du （2）粘性占主要作用，遵循牛顿内摩擦定律。  = 

52、紊流录像紊流（TurbulentFlow），亦称湍流：是指局部速度、压力等力学量在时间和空间中发生不规则脉动的流体运动。特点：（1）无序性、随机性、有旋性、混掺性。流体质点不再成层流动，而是呈现不规则紊动，流层间质点相互混掺，为无序的随机运动，具有扩散的特点。录像di(2）紊流受粘性和紊动的共同作用，具有耗能性。T=(μ+n)dy（3）水头损失与流速的1.75~2次方成正比。（4）在流速较大且雷诺数较大时发生。录像返回课目UAVAG返回书目

5 紊流（Turbulent Flow） ，亦称湍流：是指局部速度、压力等力学量在时 间和空间中发生不规则脉动的流体运动。 2、紊流 特点： （3）水头损失与流速的1.75~2次方成正比。 （4）在流速较大且雷诺数较大时发生。 dy du  = ( +) （1）无序性、随机性、有旋性、混掺性。 流体质点不再成层流动，而是呈现不规则紊动，流层间质点相互 混掺，为无序的随机运动，具有扩散的特点。 （2）紊流受粘性和紊动的共同作用，具有耗能性

6三、沿程水头损失和平均流速的关系实验曲线分为三部分：（1）ab段：当"时，流动只能是紊流(3）be段：当u.<u"时，流动可能是层流（bc段），也可能是紊流（bde段），取决于水流的原来状态。hfIghrth一过渡区←层流紊流颜色细流0IgvIgvIgvgvC返回课目VA仓返回书目

6 （1）ab段：当v v时，流动只能是紊流。 （3）be段：当vc <v< v 时，流动可能是层流（bc段），也可能是紊流 （bde段），取决于水流的原来状态。 颜色细流 hf lgv c 紊流 lgv 层流 过渡区 a b c d e lghf lgvc lg v  f o hf

7实验结果的数学表达式lg h, = lg k + mlg uh, = ku"层流：m,=1. 0，h，=k,u，即沿程水头损失与流速的一次方成正比。紊流： m,=1. 75~2. 0, h,=k, V 1.75~2.0, 即沿程水头损失h,与流速的1. 75~2.0次方成正比。h,=a02g层流：入=紊流: = f(d,Re)返回课目UV合返回书目

7 实验结果的数学表达式 m f f h k h k m v v = lg = lg + lg 层流： m1=1.0， hf =k1 ， 即沿程水头损失与流速的一次方成正比。 紊流： m2=1.75~2.0，hf =k2  1.75~2.0 ，即沿程水头损失hf与流速的1.75~ 2.0次方成正比。 d g L hf 2 v2 =  Re 64 层流：  = 紊流： ( ,Re) d  = f 

8三、层流、紊流的判别标准—一临界雷诺数录像临界雷诺数Re- d上临界雷诺数：层流一素流时的临界雷诺数，它易受外界干扰数值不稳定。下临界雷诺数：紊流一层流时的临界雷诺数，是流态的判别标准宅只取决于水流边界的形状，即水流的过水断面形状。·圆管流Re.=-Ued层流Re Re.= 2300返回课目UVAG返回书目

8 • 圆管流 v c d c v Re = Re  Rec = 2300 紊流 Re  Rec = 2300 层流 上临界雷诺数：层流→紊流时的临界雷诺数，它易受外界干扰， 数值不稳定。 下临界雷诺数：紊流→层流时的临界雷诺数，是流态的判别标准， 它只取决于水流边界的形状，即水流的过水断面形状。 三、层流、紊流的判别标准——临界雷诺数 • 临界雷诺数 v c d c v Re =

·明渠流Re。=R =575式中:R—一水力半径,R=A/P;A过水断面面积；P-湿周，即断面中固体边界与流体相接触部分的周长。返回课目VG返回书目

9 • 明渠流 Re = = 575 v R c v R——水力半径， R=A/P； A——过水断面面积； P——湿周，即断面中固体边界 与流体相接触部分的周长。 式中：

11第三节均匀流沿程水头损失与切应力的关系一、恒定均匀流基本方程恒定均匀流的沿程水头损失中P在均匀流中，有v,=V2，则 1-1断面与2-2断面的能量方程h, =(2 +)-(22 +)0O说明：（1）在均匀流情况下，两过水断面间的沿程水头损失等于两过水断面间的测压管水头的差值，即液体用于克服阻力所消耗的能量全部由势能提供。（2）总水头线坡度J沿程不变，总水头线是一倾斜的直线。返回课目UVAG返回书目

11 一、恒定均匀流基本方程 在均匀流中，有v1=v2，则 1-1 断面与2-2断面的能量方程 ( ) ( ) 2 2 1 1   p z p h z f = + − + 说明： （1）在均匀流情况下，两过水断面间的沿程水头损失等于两过水断 面间的测压管水头的差值，即液体用于克服阻力所消耗的能 量全部由势能提供。 （2）总水头线坡度J沿程不变，总水头线是一倾斜的直线。 • 恒定均匀流的沿程水头损失 第三节 均匀流沿程水头损失与切应力的关系 2 2 v g Z1 Z2 0 v  O O  p1  p2 f h L (1) (2) Jp J