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1、水 力 学,扬州大学水利科学与工程技术学院,熊 亚 南,第三章 液流型态及水头损失, 1 水头损失的分类, 2 液流边界几何条件对水头损失的影响, 3 均匀流沿程水头损失与切应力的关系, 4 液体运动的两种型态, 5 圆管中的层流运动及其沿程水头损失的计算, 7 沿程阻力系数的变化规律, 6 湍流的特征, 9 局部水头损失, 8 计算沿程水头损失的经验公式谢齐公式,第三章 液流型态及水头损失 1 水头损失的分类,1 水头损失的分类,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hw,1 水头损失的分类,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hw,某一流段
2、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,第三章 液流型态及水头损失 1 水头损失的分类,举例,1 水头损失的分类,第三章 液流型态及水头损失 1 水头损失的分类,第三章 液流型态及水头损失 2 液流边界对水头损失的影响,2 液流边界几何条件对水头损失的影响,2.1 液流边界横向轮廓的形状和大小对水头损失的影响,过水断面面积A,湿 周,水力半径R,第三章 液流型态及水头损失 2 液流边界对水头损失的影响,2 液流边界几何条件对水头损失的影响,2.2 液流边界纵向轮廓对水头损失的影响,顺直,渐扩、渐缩、弯曲、弯折等变化,均匀流,急变流,只有沿程水头损失,沿程、局部水头损
3、失都有,渐变流,局部水头损失可忽略不计,第三章 液流型态及水头损失 2 均匀流hf的关系,3 均匀流沿程水头损失与切应力的关系,列流动方向的平衡方程式：,整理得：,改写为：,3 均匀流沿程水头损失与切应力的关系,第三章 液流型态及水头损失 2 均匀流hf的关系,沿程水头损失的通用公式（又称为达西公式）,沿程阻力系数,第三章 液流型态及水头损失 4 液体运动的两种型态,4 液体运动的两种型态,4.1 雷诺试验,下临界流速,上临界流速,第三章 液流型态及水头损失 4 液体运动的两种型态,4 液体运动的两种型态,4.1 雷诺试验,下临界流速,上临界流速,4.1 雷诺试验,当流量（流速）较小时，各流层
4、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。,当流量（流速）较大时，各流层的液体质点形成涡体，在流动过程中，相互混掺，这种型态的流动叫做湍流 。,第三章 液流型态及水头损失 4 液体运动的两种型态,4 液体运动的两种型态,第三章 液流型态及水头损失 4 液体运动的两种型态,4 液体运动的两种型态,（下）临界雷诺数,雷诺数,或,若ReRek，水流为层流，,若ReRek，水流为湍流，,4.2 层流与湍流的判别,表征了惯性力与粘滞力的比值,第三章 液流型态及水头损失 4 液体运动的两种型态,4 液体运动的两种型态,4.3 湍流形成过程的分析,湍流形成条件,涡体的产生,雷诺数达到一定
5、的数值,第三章 液流型态及水头损失 5 圆管中的层流运动,5 圆管中的层流运动,5.1 质点运动方式,液体质点是分层、有条不紊、互不混杂地运动着,第三章 液流型态及水头损失 5 圆管中的层流运动,5 圆管中的层流运动,5.2 切应力,每一圆筒层表面的切应力都可按牛顿内摩擦定律计算,第三章 液流型态及水头损失 5 圆管中的层流运动,5 圆管中的层流运动,5.3 流速分布,按牛顿内摩擦定律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=r0时，ux=0，代入上式得,抛物型流速分布,第三章 液流型态及水头损失 5 圆管中的层流运动,5 圆管中的层流运动,5.
6、4 断面平均流速,第三章 液流型态及水头损失 5 圆管中的层流运动,5 圆管中的层流运动,5.5 沿程水头损失,5.6 沿程阻力系数,第三章 液流型态及水头损失 6 湍流的特征,6 湍流的特征,6.1 质点运动方式,液体质点互相混掺、碰撞，杂乱无章地运动着,运动要素的脉动现象,某一定点瞬时运动要素（如流速、压强等）随时间发生波动的现象,（时均）恒定流,（时均）非恒定流,第三章 液流型态及水头损失 6 湍流的特征,6 湍流的特征,6.2 湍流产生附加切应力,层间的时均相对运动产生的粘滞切应力,纯粹由脉动流速所产生的附加切应力,湍流总切应力,第三章 液流型态及水头损失 6 湍流的特征,6 湍流的特
7、征,6.3 湍流中存在粘性底层,粘性底层的厚度随着雷诺数的增大而减小。,粘性底层厚度,当Re较小时，,水力光滑壁面,当Re较大时，,水力粗糙壁面,水力过渡粗糙壁面,第三章 液流型态及水头损失 6 湍流的特征,6 湍流的特征,6.3 湍流中存在粘性底层,第三章 液流型态及水头损失 6 湍流的特征,6 湍流的特征,6.4 湍流使流速分布均匀化,流速分布的指数公式：,当Re105时，,当Re105时，,流速分布的对数公式：,摩阻流速,第三章 液流型态及水头损失 7 沿程阻力系数的变化规律,7 沿程阻力系数的变化规律,7.1 尼库拉兹试验,第三章 液流型态及水头损失 7 沿程阻力系数的变化规律,7.1
8、 尼库拉兹试验,Lg（100）,lgRe,层流时,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,水力光滑壁面, 称为紊流光滑区,7 沿程阻力系数的变化规律,第三章 液流型态及水头损失 7 沿程阻力系数的变化规律,7 沿程阻力系数的变化规律,尼库拉兹试验结论：,Re2000，层流，,Re4000，湍流，,紊流光滑区,紊流粗糙区,紊流过渡粗糙区,柯列布鲁克-怀特经验公式,第三章 液流型态及水头损失 7 沿程阻力系数的变化规律,7 沿程阻力系数的变化规律,7.2 经验公式,7.3 莫迪图,第三章 液流型态及水头损失 8 谢齐公式,8 沿程水头损失的经验公式谢齐公式,第三章 液流
9、型态及水头损失 8 谢齐公式,8 沿程水头损失的经验公式谢齐公式,谢才系数有量纲，单位为m1/2/s,曼宁公式,n为粗糙系数，简称糙率 水力半径采用米为单位,巴甫洛夫斯基公式,第三章 液流型态及水头损失 9 局部水头损失,9 局部水头损失,9.1 圆管突然扩大处的局部水头损失,对1-1、2-2断面列能量方程式,列x方向的动量方程式,整理得,第三章 液流型态及水头损失 9 局部水头损失,9 局部水头损失,9.1 圆管突然扩大处的局部水头损失,第三章 液流型态及水头损失 9 局部水头损失,9 局部水头损失,9.2 局部水头损失的通用计算公式,第三章 液流型态及水头损失 9 局部水头损失,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。,第三章 液流型态及水头损失 9 局部水头损失,解：,代入数据，解得：,故所需水头为2.011m。,对1-1、2-2断面列能量方程：,思考题,1. 简述水头损失的产生机理。 2. 水头损失可分为哪两类? 3. “在边界有变化的地方只有局部水头损失”这种说法 是否正确?为什么？ 4. 什么是层流与湍流流态? 5.雷诺数的力学意义是什么?,第三章 液流型态及水头损失 思考题,
