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1、水力学*1在前一章中我们已经讨论过理想液体和实际液体的能量方程式。因实际液体具有粘滞性，在流动过程中会产生水流阻力，克服阻力就要耗损一部分机械能，转化为热能，造成水头损失。水头损失与液体的物理特性和边界特征均有密切关系，所以本章首先对两种不同物理特性的液体(理想液体和实际液体)在不同边界条件下所产生的液流特征加以剖析，弄清楚水头损失的物理概念。又因水头损失的变化规律与液流型态有密切关系，所以本章在阐明液流型态及其特征的基础上，再讨论水头损失的变化规律及其计算方法。head loss in conduitsDate2v水头损失的物理概念和分类v液流边界几何条件对水头损失的影响v均匀流沿程水头损失
2、与切应力的关系v液体运动的两种型态v紊流的特征v紊流均匀流沿程水头损失的计算公式v局部水头损失v恒定有压管流Date3l理想液体，边界面没有滞水作用，液流为平行直 线流，过水断面上流速分布是均匀的，液体流动过程中没有任何能量损失。理想液体流线流速分布1.水头损失的物理概念和分类 Date4n实际液体是有粘滞性的，过水断面上的流速分布是不均 匀的，因此相邻两流层之间都有相对运动。由于粘滞性的 作用，有相对运动的两流层之间就有内摩擦切应力发生。 液体流动过程中要克服这种摩擦阻力就要作功，作功就要 损耗一部分液流的机械能，转化为热能而散失。实际液体流线流速分布Date5n在水力学中，能量损失都是用单
3、位重量的液体所损失 的能量来表示，称为水头损失。n在固体边界平直的水道中，单位重量的液体自一断面流至另一断面所损失的机械能，是沿程都有并随沿程长度而增加的，所以叫做沿程水头损失，常用hf 表示。Date6n当实际液体沿固体边界流动时，局部地区边界的形状或大 小改变(如管道或河渠中的断面突然扩大或缩小或流向有 急剧变化)，或有局部障碍(如管道中的阀门等)，液流内 部结构就要急剧调整，流速分布进行改组，流线发生弯曲，在这些局部地区都有局部水头损失。这种能量损失是发生在局部范围之内的，叫做局部水头损失，常用 hj表示。Date7n由以上分析可知，液流产生水头损失必需具备两个条件：(1)液体具有粘滞性
4、；(2)由于固体边界的影响，液流内部 质点之间产生相对运动。n水头损失区分为沿程损失与局部损失，对液流本身来说，仅仅在于造成水头损失的外在原因有所不同。固体边界平直，水 流为均匀流或渐变流，产生沿程水头损失；固体边界突变 或水流遇局部障碍，水流为急变流，产生局部水头损失。n水头损失不论其产生的外因如何，都是由于液流内部质点之间有相对 运动，因粘滞性的作用，产生切应力的结果。Date8n其一流段沿程水头损失与局部水头损失的总和称为该流段 的总水头损失。n所以实际液体总流能量方程式中的总水头损失，可用下式 表示n式中：hf-该流段中各分段的沿程水头损失的总和；hj-该流段中各种局部水头损失的总和。
5、返回Date92.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，但固体边界纵、横方向的几何条件(即边界轮廓的形状和大小)对水头损失也有很大影响。Date10n一、液流边界横向轮廓的形状和大小对水头损失的影响液流边界横向轮廓的形状和大小对水流的影响可用过水断面的水力要素来表征，如过水断面的面积、湿周、及水力半径等。圆形断 面、矩 形断面 、梯形 断面Date11n液流过水断面与固体边界接触的周界线叫做湿周 (wetted perimeter )，常用 表示。湿周愈大，水流阻力及水头损失也愈大。n过水断面面积 除以湿周称为水力半径。水力半径(Hydraulic rad
6、ius)是过水断面的一个非常重要的水力要素，几乎许多重要的水力 学公式中都包含有这个要素。水力半径的量纲 是长度，常用米(m)或厘米(cm)为单位。例如：Circular pipe flowing full直径为d的圆管，当充满液流时，Date12the wetted perimeterThe hydraulic radius is a convenient means for expressing the shape as well as the size of a conduit. Customarily we substitute for DDate13n二、液流边界纵向轮廓对水头损失的
7、影响因边界纵 向轮廓的不同，可有两种不同形式的液流：均匀流与 非均匀流。n 按均匀流的定义可知，沿水流长度方向上各过水断面 的水力要素及断面平均流速都是保持不变的。所以，均匀 流时只有沿程水头损失，而且各单位长度上的沿程水头损 失也是相等的，总水头线应为一直线。又因各过水断面平 均流速相等，所以各过水断面上的流速水头也是相等的。 由此可知，均匀流时总水头线和测压管水头线是相互平行 的直线。Date14n非均匀流与均匀流不同，沿水流长度方向上各过水断面 的形状及大小是不相等的，各过水断面上的流速也是不等 的，所以非均匀流单位长度上的水头损失也不相等，总水头线和测压管水头线是互不平行的曲线。n均匀
8、流时无局部水头损失，非均匀渐变流时局部水头损失可忽略不计，非均匀急变流时两种水头损失均 有。n下面先研究沿程水头损失，然后再讨论局部水头损失。因为均匀流时只有沿程水头损失，所以研究沿程水头损 失只要研究均匀流的水头损失就可以了。返回Date153.均匀流沿程水头损失与切应力的关系n在管道或明渠均匀流中，任意取出一段总流来分析。设总 流与竖直方向成一角度，过水断面面积为 ，该 段长度为l。n1.动水压力作用在断面1-1上的动 水压力 ，作用断面2-2的动水压 力 。n2.重力在流动方向分力，n3.流段边壁的摩擦切力 Date16均匀流是等流速直线流动，故流段所受的轴向外力必定 相互平衡，即用 除
9、上式中的各项，可得 应用上式求沿程水头损失hf，必须先知道 ， 因此现在的问题就归结到液流阻力规律的探讨。液体运动的水流阻力和沿程水头损失与液流型态有关，所以无论要求解 或hf都必须研究液流型态。返回Date174.液体运动的两种型态 Laminar and turbulent flow1885年英国科学家雷诺(Reynolds)曾用试验揭示了实际液体运 动，根据流速的大小不同，存在的两种型态，即层流和紊流 。l当流速较小时，各流层的液 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。当流速较大时，各流层的液体质 点形成涡体，在流动过程中，互 相混掺，这种型态的流动叫做紊 流。两
10、种内部结构完全不同的流态 Date18hf雷诺试验颜色水颜色水颜色水颜色水当液体流速较小时，惯性力较小，粘 滞力对质点起控制作用，使各流层的 液体质点互不混杂，液流呈层流运动 。 当液体流速逐渐增大，质点惯性力也逐渐增大，粘 滞力对质点的控制逐渐减弱，当流速达到一定程度 时，各流层的液体形成涡体并能脱离原流层，液流 质点即互相混杂，液流呈紊流运动。Reynolds experimentColored liquidDate19紊流形成过程的分析Process of turbulent flow选定流层流速分布曲线干扰PPPPPPPPPPPP升力涡 体紊流形成条件涡体的产生雷诺数达到一定的数值相对
11、运动发生，各流层之间产生内摩擦切应 力。对于某一选定的流层来说，流速较大的 邻层加于它的切应力是顺流向的，流速较小 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，有构成力矩， 使流层发生旋转的倾向。由于外界的微小干 扰或来流中残存的扰动，该流层将不可避免 地出现局部性的波动，随同这种波动而来的 是局部流速和压强的重新调整。波峰附近由于发生流线间距变化，在波峰上面，微小流 束过水断面变小，流速变大，根据能量方程压强要降降 低；波峰下面，微小流束过水断面增大，流速变小，压 强就增大。在波谷附近流速和压强也有相应的变化，但 与波峰处的情况相反。这样就使发生微小波动的流层各 段承受
12、不同方向的横向压力P。显然，这种横向压力将 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。涡体形成以后，涡体旋转方向与水流流速方向一致的一边流速变大，相 反一边流速变小。流速大的一边压强小，流速小的一边压强大，这样就 使涡体上下两边产生压差，形成作用于涡体的升力。这种升力就有可能 推动涡体脱离原流层而掺入流速较高的邻层，从而扰动邻层进一步产生 新的涡体。如此发展下去，层流即转化为紊流。eddiesDate20n从层流到紊流的运动状态，反应了液流内部结构从量变到质变的一个 变化过程。n当试验以相反的程序进行时
13、，则观察到的现象就以相反的程序而重演 ，但在紊流转变为层流时流速的数值要比层流转变为紊流时为小。n若在玻璃管的两个断面1-1及2-2上各安一根测压管，则可测出断面1- 1至2-2间的水头损失。由能量方程式得n两断面间的沿程水头损失等于两断面的测压管水头差 。Date21O确定沿程水头损失必须首先判别液流的型态层流时适用直线 AC，45，层流 时沿程水头损失 是与流速的一次 方成比例。紊流时适用直线DE，45 ，紊流时沿程水头损失 与流速的1.75-2次方成 比例。Date22The head loss is differentnAs long as the velocity is low en
14、ough to secure laminar flow, the head loss, due to friction, is directly proportional to the velocity.nWith increasing velocity, when the flow changes from laminar to turbulent, the lines will have slopes ranging from about 1.75 to 2.00.Velocity is not the only factor that determines whether the flo
15、w is laminar or turbulent. The criterion is Reynolds number.Date23Critical Reynolds numberlgVlghfOVelocity increasingVelocity decreasing12Higher critical pointlower critical pointBATransition zonecThe true critical Reynolds numberUpper critical Reynolds numberDate24Critical Reynolds numbernThe upper
16、 critical Reynolds number is really indeterminate and unstable.nThe lower value is much more definite than the higher one, and is the real dividing point between the two types of flow. - Critical Reynolds numberIn straight pipes of uniform diameter and usual roughnessDate25层流与紊流的判别：是用无量纲数雷诺数Re作为判据的 。 （下）临界雷诺数雷诺数或若ReRek，水流为紊流，雷诺数(Reynolds number)是表征惯性力与粘滞 力的比值。Date26n由雷诺试验证明了不同液流型态，沿程水头损失的规律是不同的。在实际工程中所遇到的 水流大多数是紊流，所以
