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1、,5 液流形态与水头损失,前一章讨论了理想液体和实际液体的能量方程，方程中有一项为水头损失。,本章首先对理想液体和实际液体，在不同边界条件下的液流特征进行剖析，认清水头损失的本质。在此基础上， 重点介绍水头损失变化规律及其计算方法。,水头损失变化规律及其计算方法,5.1 水头损失及其分类,5.1.1 水流阻力与水头损失,5.1.2 横纵断面水力要素对水头损失的影响,5.1 水头损失及其分类,5.1.1 水流阻力与水头损失,5.1.2 横纵断面水力要素对水头损失的影响,理想液体的运动是没有能量损失的，而实际液体流动为什么会产生水头损失 ?,理想液体：运动时没有相对运动，流速均匀分布，无流速梯度和
2、粘性切应力。因而，不存在 能量损失 。,实际液体：具有粘性，过水断面上流速分布不均匀，相邻液层间有相对运动，也就存在内摩擦力。液体要运动，就要克服摩擦阻力（水流阻力）做功，消耗一部分液流机械能，转化为热能而散失。,水流阻力就是粘性切应力,用单位液重的能量损失 hw 表示水流的能量损失,水头损失（依据边界条件以及作用范围）,沿程损失 hf,局部损失 hj,hw,沿程水头损失hf,hf s,在平直的固体边界水道中，单位液重的液体从 一个断面流至另一个断面的机械能损失。 这种水头 损失随沿程长度的增加而增加，故称沿程水头损失。,局部水头损失hj,用圆柱体绕流说明局部水头损失hj,局部水头损失hj,液
3、体绕圆柱体流动,分析通过圆心的一条流线（图中红线）,通过圆心的红线是一条流线,液体质点流向圆柱体时，流线间距逐渐增大，流速逐渐降低，由能量方程可知，压强必然逐渐增加。,A,C,理想液体,沿柱面两侧边壁附近的流动,A,C,B,C,A,C,B,C,由于液体绕流运动无能量损失。因此，液体从AB 时，A和B点的流速和压强相同，其他流线情况类似。,实际液体绕圆柱流动,A,C,B,C,近壁液体从C-B 运动时，液体动能一部分用于克服摩擦阻力，另一部分用于转化为压能，越用越少，以至于没有足够动能完全恢复为压能（理想液体全部恢复），在柱面B以上的某一位置 D，流速降低为零，不再继续下行。,D点以上的液体就要改
4、变流向，沿另一条流线运动，使主流脱离圆柱面，形成分离点。,D,D,漩涡区,D,漩涡区,D,漩涡区,漩涡体形成、运转，经过一段时间后，逐渐消失。,漩涡区中产生了较大的能量损失,D,流速分布急剧变化。,漩涡区中产生了较大的能量损失,D,漩涡区中产生了较大的能量损失,漩涡的形成，运转和分裂；流速分布急剧变化，都使液体产生较大的能量损失。这种能量损失产生在局部范围之内，叫局部水头损失hj 。,突然管道缩小,产生漩涡的局部范围,局部水头损失,沿程水头损失,hf s,发生边界,平直的固体边界水道中,大小,与漩涡尺度、强度, 边界形状等因素相关,耗能方式,通过液体粘性将其能量耗散,外在原因,液体运动的沿程阻
5、力,边界层分离,水头损失,沿程损失 hf,局部损失 hj,液体以下管道时的沿程损失包括四段,5.1 水头损失及其分类,5.1.1 水流阻力与水头损失,水头损失,沿程损失 hf,局部损失 hj,5.1 水头损失及其分类,5.1.1 水流阻力与水头损失,5.1.2 横纵断面水力要素对水头损失的影响,液流横向边界对水头损失的影响,A,过水断面的面积,过水断面的面积是一个因素，但仅靠过水断面面积 尚不足表征过水断面几何形状和大小对水流的影响。,由于两个因素都不能完全反映横向边界对水头损失的影响，将过水断面的面积和湿周结合起来，用R表示，全面反映横向边界对水头损失影响。 R越大，则水头损失越小。,水力半
6、径R:,液流纵向边界对水头损失的影响,液流纵向边界的水力要素包括：底坡、局部障碍、断面形状沿程发生变化等。这些要素对水头损失的综合效果表现为液流产生渐变流，还是急变流，急变流会增加液流的水头损失。 均匀流： 沿程水头损失 非均匀流渐变流: 沿程水头损失 非均匀急变流: 沿程和局部水头损失,均匀流,A，R，v 沿程不变，液流只有沿程水头损失。测压管水头线和总水头线是平行的。,l,z1,P1,P2,z2,v1,v2,hf,p1/,p2/,1,1,2,2,v1,v2,0,0,总水头线 J,测压管水头线Jp,均匀流,A，R，v 沿程不变，液流只有沿程水头损失 测压管水头线和总水头线是平行的。,非均匀流,A、R、v 沿程改变，液流有沿程和局部水头损失。 测压管水头线和总水头线是不平行的曲线。 非均匀渐变流：局部水头损失可忽略, 沿程水头损失不可忽略 非均匀急变流：两种水头损失都不可忽略,5.1 水头损失及其分类,5.1.1 水流阻力与水头损失,水头损失,渐变流，急变流,水力半径R,5.1.2 横纵断面水力要素对水头损失的影响,
