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1、 水头损失的物理概念及分类水头损失的物理概念及分类 液体运动的两种形态液体运动的两种形态 沿程水头损失和切应力的关系沿程水头损失和切应力的关系 圆管中的层流运动及其沿程水头损失的计算圆管中的层流运动及其沿程水头损失的计算 紊流特紊流特征征 沿程阻力系沿程阻力系数变化规律数变化规律 计算沿计算沿程水头损失的经验公式程水头损失的经验公式 局部水局部水头损失头损失其中hw1-2是因克服截面11 与22之间的阻力即单位重 量的流体所消耗的机械能（ 或水头），称为水头损失单位：为焦牛(或米)。 本章将着重讨论该项。伯努利方程式Z1P1/ P2/ 微细流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
2、 能hw水头损失的物理概念及其分类水头损失的分类沿程水头损失hf局部水头损失hj某一流段的总水头损失 ：各分段的沿程水头损失的总和各种局部水头损失的总和水头损失因实际液体具有粘性，在流动过 程中产生水流阻力，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的关系。实际液体 理想液体实际液体断面上流速分布不均匀，相邻两流层间流层有相对运动，产生内摩擦切应力，流动过 程中要克服这种阻力就要做功，做功就要耗损一部 分机械能，转化为热能耗散。产生水头损失必需具备的条件：1、液体具有粘性；2、由于固体边界的影响，液流内部质点之间产生相对运动。层流流动
3、(laminar flow)：流体流动呈一簇互相平行的流线 或者说：流体质点以互不干扰的细流前进紊流流动(turbulent flow)：流体流动呈现一种紊乱不规则的状态层流流动紊流流动过渡流动6.1 流体流动的流态层流与紊流转变时的流速称为临界流速(the critical velocity)。 阀门C逐渐开大使流速增加，从而使流态由层流转变为紊流的临界流速 vc称为上临界流速； 阀门C逐渐开小使流速减少，从而使流态由紊流转变为层流的临界流速vc 称为下临界流速。下临界流速vc上临界流速vc实验进一步表明：对于特定的流动装置上临界流速vc是不固定的，但是下 临界流速vc却是不变的。以后所指的
4、临界流速即是下临界流速。 沿程水头损失与流速的关系层流： 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=1.752.0，hf =k2 1.752.0 ，即沿程水头损失hf与流速的1.752.0次方成正比 。进一步的实验证明，除了流速进一步的实验证明，除了流速v v对流态有影响之外，管道直径对流态有影响之外，管道直径DD、流体密度、流体密度 和和 粘度粘度 对流态也有影响。对流态也有影响。 DD、 愈大，愈大， 愈小，流态就愈容易从层流转为湍流。愈小，流态就愈容易从层流转为湍流。 判断流态的准则采用雷诺准数判断流态的准则采用雷诺准数(Reynolds Nu
5、mber)(Reynolds Number)，用符号，用符号ReRe表示，即表示，即n n通常对于在平直的圆管中流动的流体，通常对于在平直的圆管中流动的流体，R Re e 20002000。 明渠水流的下临界雷诺数，明渠水流的下临界雷诺数，R Re e 500500。（无量纲）n n雷诺数反映了惯性力与粘滞力作用的对比关系。雷诺数反映了惯性力与粘滞力作用的对比关系。紊流形成过程的分析选定流层流速分布曲线干扰FFFFFFFFFFFF紊流形成条件涡体的产生雷诺数达到一定的数值6.2 圆管中的层流实际流体在管内流动时，粘性的存在，导致了能量损失，能量损失粘性阻力造成的粘性损失沿程损失hf局部阻力造成
6、的局部损失局部损失hjm 或Pa局部损失:整个管路的能量损失等于各管段的沿程损失和各局部损失的 总和。即沿程损失：m 或Pa为沿程阻力系数, 为局部阻力系数。 求解阻力损失主要是求和。圆管中的层流一、数学模型假设流体在等直径圆管中作恒定层流流动时，取半径为r 长度为l 的流段1与2截面为分析对象，2GP1P21l在截面1-1与截面2-2列能量方程令:则：（1）将l sin=Z1 - Z2 ，A=r2 代入再对流段进行受力分析：截面1-1总压力：P1A截面2-2总压力：P2A流段1-2的重力：A l sin作用在流段面上的总摩擦力：l 2r列力的平衡方程：2GP1P21lz1z2r由(1)与(2
7、)两式比较得：（1）（2）该式为层流流动时沿程阻力损失和管壁切应力之间的关系。2GP1P21lz1z2r二、速度分布（velocity profile)表明圆管内层流流动速度分布为抛物线由牛顿内摩擦定律：rur0讨论：（1） r =0时流速最大，出现在的管轴上。（2）平均流速：即平均流速等于它的最大流速的一半。三、切应力分布：在管壁处：(a)将（a）与（b）相比得：该式表明：在圆管的有效断面上切应力与管半径r的一次方成正比例在管轴心处：r=0时， =0四、沿程阻力损失这表明圆管层流的沿程阻力系数仅与雷诺数有关。上式为达西和魏斯巴哈提出的公式。例 管道直径d=100mm，输送水的流量Q=0.01
8、m3/s，水的运动黏 度 m2/s，求水在管中的流动状态？若输送 m2/s的石油，保持前一种情况下的流速不变，流动又是什么状态 ？解： （1）雷诺数 故水在管道中是紊流状态。（2） 故油在管中是层流状态。例 圆管直径d=200mm，管长l=1000m，输送运动黏度 cm2/s的石油，流量Q=144m3/h，求沿程损失。解：判别流动状态为层流 式中 得 （m 油柱 ） 例 输送润滑油的管子直径d=8mm，管长l=15m，如图所示。油的运动黏度 m2/s，流量Q=12cm3/s，求油箱的水头 （ 不计局部损失）。 图 润滑油管路 雷诺数 为层流。列截面1-1和2-2的伯努利方程认为油箱面积足够大，
9、取V10。则6.3 紊流基本理论1. 紊流概念及研究方法紊流特征：1. 各层质点相互掺混2. 运动要素脉动将运动要素瞬时值看成时间平均流速值与脉动值叠加的方法叫运动要素时均化处理。以后就以时均值替代瞬时值研究。瞬时值瞬时值2. 紊流层次结构和光滑管概念2.1 紊流结构(1)紊流核心区(2)层流底层(3)过渡区层流底层厚度绝对粗糙度/d相对粗糙度水力光滑管（图a)0 若压强沿程增大，即p2p1或梯度 dp/dx02、尾流尾流：分离流线与物体边界所围的下游区域。减小尾流的主要途径：使绕流体型尽可能流线型化。1、边界层内是否一定是层流？影响边界层内流态的主要因素有哪些？ 否，有层流、紊流边界层；粘性、流速、距离2、边界层分离是如何形成的？如何减小尾流的区域？因压强沿流动方向增高，以及阻力的存在，使得边界层内动量减小，而形成了边界层的分离。使绕流体型尽可能流线型化，则可减小尾流的区域。边界层分离导致 绕流阻力阻力D=摩擦阻力Df+压强阻力DP 升力L(向上)
