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1、5 液流形态与水头损失 1 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 2 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 3 水头损失变化规律及其计算方法 4 5 1 5 1 水头损失及其分类水头损失及其分类 5 2 5 2 均匀流沿程水头损失与水流阻力关系均匀流沿程水头损失与水流阻力关系 5 3 5 3 流动的两种形态与雷诺实验流动的两种形态与雷诺实验 5 4 5 4 层流运动层流运动 5 5 5 5 紊流运动紊流运动 5 6 5 6 紊流的沿程水头损失紊流的沿程水头损失 5
2、 7 5 7 局部水头损失局部水头损失 5 5 1 5 1 水头损失及其分类水头损失及其分类 5 2 5 2 均匀流沿程水头损失与水流阻力关系均匀流沿程水头损失与水流阻力关系 5 3 5 3 流动的两种形态与雷诺实验流动的两种形态与雷诺实验 5 4 5 4 层流运动层流运动 5 5 5 5 紊流运动紊流运动 5 6 5 6 紊流的沿程水头损失紊流的沿程水头损失 5 7 5 7 局部水头损失局部水头损失 6 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 7 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
3、要素对水头损失的影响 8 5 1 水头损失及其分类 5 1 1 水流阻力与水头损失 水流阻力 水头损失 水头损失分类 两种水头损失比较 总水头损失 9 5 1 水头损失及其分类 5 1 1 水流阻力与水头损失 水流阻力 水头损失 水头损失分类 两种水头损失比较 总水头损失 10 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 11 理想液体 运动时没有相对运动 流速均匀分 布 无流速梯度和粘性切应力 因而 不存在 能量损失 流线流速分布 u y 12 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
4、阻力 做功 消耗一部分液流机械能 转化为热能而散失 流速分布 切应力分布 u y 13 水流阻力就是粘性切应力 流速分布 切应力分布 u y 14 5 1 水头损失及其分类 5 1 1 水流阻力与水头损失 水流阻力 水头损失 水头损失分类 两种水头损失比较 总水头损失 15 用单位液重的能量损失 hw 表示水流的能量损失 16 5 1 水头损失及其分类 5 1 1 水流阻力与水头损失 水流阻力 水头损失 水头损失分类 两种水头损失比较 总水头损失 17 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 18 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
5、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 19 局部水头损失hj 用圆柱体绕流说明局部水头损失hj 20 局部水头损失hj 液体绕圆柱体流动 21 分析通过圆心的一条流线 图中红线 22 通过圆心的红线是一条流线 23 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 24 存在驻点 当液体质点流至A点 流速降为零 动能转化为压能 使其增加到最大 A点称驻点 毕托管测速原理 A 驻点 25 A 液体质点到达驻点 停滞不前 以后继续流来的 质点就要改变原有流动方向 沿圆柱体两侧继续流动 26 A C
6、 理想液体 沿柱面两侧边壁附近的流动 液体质点运动 A C 动能增加 液体挤压 压能减少 压能的减少部分转化为动能 27 A C B C 液体质点运动 C B 动能减少 液体扩散 压能增加 减少的动能完全转化为压能 28 A C B C 液体质点运动 C B 动能减少 液体扩散 压能增加 减少的动能完全补充为压能 液体质点运动 A C 动能增加 液体挤压 压能减少 减少的压能补充为动能 29 A C B C 液体质点运动 C B 动能减少 液体扩散 压能增加 减少的动能完全补充为压能 液体质点运动 A C 动能增加 液体挤压 压能减少 减少的压能补充为动能 由于液体绕流运动无能量损失 因此 液
7、体从A B 时 A和B点的流速和压强相同 其他流线情况类似 30 实际液体绕圆柱流动 A C B C 液体质点运动 A C 动能增加 压能减少 减少的压能转化为动能 动能还要用于克服能量损失 31 A C B C 液体质点运动 C B 动能减少 压能增加 减少的动能转化为压能 能量损失还要消耗动能 32 A C B C 形成分离点 D 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 33 A C B C 形成分离点 D D点以上的液体就要
8、改变流向 沿另一条流线运 动 使主流脱离圆柱面 形成分离点 34 A C B C D 沿圆柱面 分离点下游压强大于分离处压强 在压 差作用下 圆柱下游液体立即填补主流所空出的区 域 形成了漩涡 分离点后形成漩涡区 35 A C B C D 沿圆柱面 分离点下游压强大于分离处压强 在 压差作用下 圆柱下游液体立即填补主流所空出的 区域 形成了漩涡 分离点后形成漩涡区 漩涡区 36 A C B C D 沿圆柱面 分离点下游压强大于分离处压强 在 压差作用下 圆柱下游液体立即填补主流所空出的 区域 形成了漩涡 分离点后形成漩涡区 漩涡区 37 A C B C D 漩涡区 漩涡体形成 运转 经过一 段
9、时间后 逐渐消失 漩涡区中产生了较大的能量损失 38 A C B C D 流速分布急剧变化 漩涡区中产生了较大的能量损失 39 A C B C 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 40 当液体运动时 由于局部边界形状和大小的改 变 局部障碍 液体产生漩涡 使液体在局部范围 内产生了较大的能量损失 这种能量损失称局部水 头损失 局部水头损失 41 突然管道缩小 漩涡区 42 管道中的闸门局部开启 漩涡区 43 弯道转弯 漩涡区 44 5 1 水头损失及其分类 5 1 1 水
10、流阻力与水头损失 水流阻力 水头损失 水头损失分类 两种水头损失比较 总水头损失 45 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 液体运动的沿程阻力 边界层分离 46 5 1 水头损失及其分类 5 1 1 水流阻力与水头损失 水流阻力 水头损失 水头损失分类 两种水头损失比较 总水头损失 47 水头损失 沿程损失 hf 局部损失 hj 48 液体以下管道时的沿程损失包括四段 hf 1hf 2 hf 3 hf 4 49 液体经过时的局部损失包括五段 进口
11、突然放大 突然缩小 弯管和闸门 进口突然放大突然缩小 弯管 闸门 50 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 51 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 52 液流边界几何条件对水头损失的影响 产生水头损失的根源是实际液体本身具有粘滞性 而固体边界的几何条件 轮廓形状和大小 对水头损失 也有很大的影响 53 l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 54 A过水断面的
12、面积 例如 两个过水断面面积相同的断面 一个正方形 一个是扁长方形 显然 后者对水流运动的阻力大 水 头损失要大 原因 扁长方形明渠中液流与固体边界接触周界长 即使通过相同的流量 面积较小的过水断面 液流 通过的流速较大 水流的阻力及水头损失也大 55 湿周 液流过水断面与固体边界接触的周界线 叫湿周 是过水断面重要的水力要素之一 其值越大 对水 流的阻力越大 水头损失越大 两个过水断面的湿周相同 形状不同 过水断面 面积一般不相同 水头损失也就不同 因此 仅靠湿周也不能表征断面几何形状的影响 56 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
13、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 水力半径R 57 管 道 d 58 矩形断面明渠 b h 59 梯形断面明渠 b h m 60 l 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 61 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 62 l z1 P1 P2 z2 v1 v2 hf p1 p2 1
14、 1 2 2 v22 2g v12 2g v1 v2 00 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 63 v2 1 2 1 2 水面 测压管水头线 Jp v1 1v12 2g 2v22 2g z1 z2 hf 总水头线 J P2 P1 0G l p1 p2 64 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 65 急变流 总水头线 测压管水头线 hj v1v2 v12 2g v22 2g 66 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 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 67 此课件下载可自行编辑修改 供参考 感谢您的支持 我们努力做得更好 68
