水力学课件：4第四章 水流型态与水头损失

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1、Yangzhou Yangzhou UnivUniv水水 力力 学学全国水文水资源专业进修班全国水文水资源专业进修班全国水文水资源专业进修班全国水文水资源专业进修班熊熊熊熊 亚亚亚亚 南南南南扬州大学水利与能源动力工程学院扬州大学水利与能源动力工程学院扬州大学水利与能源动力工程学院扬州大学水利与能源动力工程学院 第四章第四章 水流型态与水头损失水流型态与水头损失 1 水头损失的分类水头损失的分类 2 层流与紊流两种型态层流与紊流两种型态 4 沿程水头损失的计算沿程水头损失的计算 水力学水力学Yangzhou Yangzhou UnivUniv 5 局部水头损失的计算局部水头损失的计算 3 紊流

2、的特征紊流的特征 6 自记水位计测井中水位滞后问题自记水位计测井中水位滞后问题 水力学水力学Yangzhou Yangzhou UnivUniv 第四章第四章 水头损失水头损失 1 水头损失的分类水头损失的分类1 1 水头损失的分类水头损失的分类粘滞性粘滞性相对运动相对运动物理性质物理性质固体边界固体边界产生水流阻力产生水流阻力损耗机械能损耗机械能h hw w 沿沿 程程 阻阻 力力 局局 部部 阻阻 力力 沿沿程程水水头头损损失失 局局部部水水头头损损失失某一流段的总水头损失：某一流段的总水头损失：各各分段的沿程水头损失的总和分段的沿程水头损失的总和各种局部水头损失的总和各种局部水头损失的总

3、和 水力学水力学Yangzhou Yangzhou UnivUniv 第四章第四章 水头损失水头损失 2 层流与紊流两种型态层流与紊流两种型态2 2 层流与紊流两种型态层流与紊流两种型态 当流量（流速）较小时，各流层的液体质点是有条当流量（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不紊地运动，互不混杂，这种型态的流动叫做层流层流。 当流量（流速）较大时，各流层的液体质点形成涡当流量（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体，在流动过程中，相互混掺，这种型态的流动叫做紊流紊流 。2.1 雷诺试验雷诺试验2.2 层流与紊

4、流的判别层流与紊流的判别雷诺数雷诺数或或若若ReRek，水流为紊流水流为紊流 水力学水力学 第四章第四章 水头损失水头损失 2 层流与紊流两种型态层流与紊流两种型态Yangzhou Yangzhou UnivUniv2.3 水流流动型态与水头损失的关系水流流动型态与水头损失的关系水流为层流时，水流为层流时，m=1.0，即：，即：水流为紊流时，水流为紊流时，m=1.752.0，即：，即： 水力学水力学 第四章第四章 水头损失水头损失 2 层流与紊流两种型态层流与紊流两种型态Yangzhou Yangzhou UnivUniv3 3 紊流的基本特征紊流的基本特征运动要素随时间发生随机脉动的现象叫做

5、运动要素随时间发生随机脉动的现象叫做紊流的脉动紊流的脉动现象现象。恒定流恒定流非恒定流非恒定流瞬时值瞬时值时均值时均值脉动值脉动值 水力学水力学 第四章第四章 水头损失水头损失 3 紊流的基本特征紊流的基本特征Yangzhou Yangzhou UnivUniv3.1 紊流的脉动现象紊流的脉动现象水文测验规范中对测速历水文测验规范中对测速历时的规定，就是为了消除时的规定，就是为了消除这一脉动（紊动）影响这一脉动（紊动）影响 水力学水力学Yangzhou Yangzhou UnivUniv3.2 紊流产生的附加切应力紊流产生的附加切应力 在层流运动中，由于流层间有相对运动而引起在层流运动中，由于

6、流层间有相对运动而引起的内摩擦阻力，称为粘滞切应力的内摩擦阻力，称为粘滞切应力 。 在紊流运动中，各流层间除有相对运动引起的在紊流运动中，各流层间除有相对运动引起的粘滞切应力，还有由于横向的质点混掺而引起的阻粘滞切应力，还有由于横向的质点混掺而引起的阻力，称为紊流的附加阻力，又称为附加切应力。力，称为紊流的附加阻力，又称为附加切应力。 3 3 紊流的基本特征紊流的基本特征 第四章第四章 水头损失水头损失 3 紊流的基本特征紊流的基本特征 水力学水力学Yangzhou Yangzhou UnivUniv3.3 紊流的粘性底层紊流的粘性底层粘性底层的厚度随着紊动程度的加剧而急剧减小。粘性底层的厚度

7、随着紊动程度的加剧而急剧减小。粘性底层粘性底层l3 3 紊流的基本特征紊流的基本特征 第四章第四章 水头损失水头损失 3 紊流的基本特征紊流的基本特征 水力学水力学Yangzhou Yangzhou UnivUniv3.3 紊流的粘性底层紊流的粘性底层当当Re较小时，较小时，水力光滑壁面水力光滑壁面当当Re较大时，较大时，ll水力粗糙壁面水力粗糙壁面l水力过渡粗糙壁面水力过渡粗糙壁面3 3 紊流的基本特征紊流的基本特征 第四章第四章 水头损失水头损失 3 紊流的基本特征紊流的基本特征 水力学水力学Yangzhou Yangzhou UnivUniv3.4 紊流的流速分布紊流的流速分布层流流速分

8、布层流流速分布紊流紊流流速分布流速分布流速分布的对数公式：流速分布的对数公式：摩阻流速， 紊紊流中流中由于液体质点相由于液体质点相互混掺，互相碰撞，使得断互混掺，互相碰撞，使得断面流速分布均匀化。面流速分布均匀化。3 3 紊流的基本特征紊流的基本特征 第四章第四章 水头损失水头损失 3 紊流的基本特征紊流的基本特征 水力学水力学Yangzhou Yangzhou UnivUniv 第四章第四章 水头损失水头损失 4 沿程水头损失的计算沿程水头损失的计算4 4 沿程水头损失的计算沿程水头损失的计算4.1 沿程水头损失的经验公式沿程水头损失的经验公式谢才公式谢才公式断断面面平平均均流流速速谢谢才才

9、系系数数水水力力半半径径水水力力坡坡度度 水力学水力学Yangzhou Yangzhou UnivUniv 第四章第四章 水头损失水头损失 4 沿程水头损失的计算沿程水头损失的计算4 4 沿程水头损失的计算沿程水头损失的计算4.1 沿程水头损失的经验公式沿程水头损失的经验公式谢才公式谢才公式u谢才系数有量纲，单位为谢才系数有量纲，单位为m1/2/su曼宁曼宁公式公式 n为粗糙系数，简称糙率为粗糙系数，简称糙率 水力半径采用米为单位水力半径采用米为单位u巴甫洛夫斯基公式巴甫洛夫斯基公式例题：有一混凝土护面的梯形渠道，底宽例题：有一混凝土护面的梯形渠道，底宽10m10m，水深水深3m3m，两岸边两

10、岸边坡为坡为1 1：1 1，粗糙系数为，粗糙系数为0.0170.017，流量为，流量为39m39m3 3/s/s，求每公里渠道上的，求每公里渠道上的沿程水头损失。沿程水头损失。bh1：11：1解：解：B水面宽水面宽过水过水断面面积断面面积湿周湿周水力半径水力半径谢齐谢齐系数系数沿程沿程水头损失水头损失断面平均流速断面平均流速 水力学水力学 第四章第四章 水头损失水头损失 4 沿程水头损失的计算沿程水头损失的计算Yangzhou Yangzhou UnivUniv 水力学水力学Yangzhou Yangzhou UnivUniv 第四章第四章 水头损失水头损失 4 沿程水头损失的计算沿程水头损失

11、的计算4 4 沿程水头损失的计算沿程水头损失的计算4.2 沿程水头损失的通用计算公式（达西公式）沿程水头损失的通用计算公式（达西公式）或或称为沿程阻力系数称为沿程阻力系数雷诺数雷诺数ReRe相对粗糙度相对粗糙度/d/d的影响因素的影响因素 水力学水力学Yangzhou Yangzhou UnivUniv 第四章第四章 水头损失水头损失 4 沿程水头损失的计算沿程水头损失的计算 已知：某输水管长已知：某输水管长L L=500m=500m，内径，内径d d=200mm=200mm，若输，若输水流量水流量Q Q=10l/s=10l/s，沿程阻力系数，沿程阻力系数=0.0227=0.0227， 要求：

12、计算沿程水头损失。要求：计算沿程水头损失。解：解：断面平均流速断面平均流速沿程水头损失沿程水头损失 水力学水力学Yangzhou Yangzhou UnivUniv 第四章第四章 水头损失水头损失 5 局部水头损失的计算局部水头损失的计算5 5 局部水头损失的计算局部水头损失的计算局部水头损失的通用计算公式局部水头损失的通用计算公式称为局部阻力系数称为局部阻力系数 水力学水力学Yangzhou Yangzhou UnivUniv 第四章第四章 水头损失水头损失 水头损失计算的综合应用水头损失计算的综合应用例题：水从水箱流入一管径不同的管道，管道连接情例题：水从水箱流入一管径不同的管道，管道连接

13、情况如图所示，已知：况如图所示，已知：（以上（以上值均采用发生局部水头损失后的流速）值均采用发生局部水头损失后的流速）当当管道输水流量为管道输水流量为25l/s时，求所需要的水头时，求所需要的水头H。l1l2V00d2d1H112200 水力学水力学Yangzhou Yangzhou UnivUniv 第四章第四章 水头损失水头损失 水头损失计算的综合应用水头损失计算的综合应用解：解：代入代入数据，解得数据，解得：故所需故所需水头为水头为2.011m。列列能量方程：能量方程：其中其中 水力学水力学Yangzhou Yangzhou UnivUniv 第四章第四章 水头损失水头损失 6 测井水位

14、的滞后问题测井水位的滞后问题6 6 自记水位计测井中水位滞后问题的分析计算自记水位计测井中水位滞后问题的分析计算河流水位的上涨或下河流水位的上涨或下落，水流以一定的速落，水流以一定的速度传到测井，由于测度传到测井，由于测井进水管道及管道的井进水管道及管道的进出口有水头损失，进出口有水头损失，致使测井内水位略低致使测井内水位略低或略高于河流水位，或略高于河流水位，这种现象称为这种现象称为“滞后滞后” 水力学水力学Yangzhou Yangzhou UnivUniv研究测井水位的滞后现研究测井水位的滞后现象，可以合理设计进水象，可以合理设计进水管尺寸，把滞后量限制管尺寸，把滞后量限制在某一允许范围

15、内，如在某一允许范围内，如不超过不超过2 cm 第四章第四章 水头损失水头损失 6 测井水位的滞后问题测井水位的滞后问题6 6 自记水位计测井中水位滞后问题的分析计算自记水位计测井中水位滞后问题的分析计算 水力学水力学Yangzhou Yangzhou UnivUniv测井水位的滞后量与测测井水位的滞后量与测井水位的变率、测井截井水位的变率、测井截面积、管道截面积、阻面积、管道截面积、阻力系数等因素有关力系数等因素有关 第四章第四章 水头损失水头损失 6 测井水位的滞后问题测井水位的滞后问题6 6 自记水位计测井中水位滞后问题的分析计算自记水位计测井中水位滞后问题的分析计算 水力学水力学Yan

16、gzhou Yangzhou UnivUniv6.1 测井进水管流量公式的建立测井进水管流量公式的建立 第四章第四章 水头损失水头损失 6 测井水位的滞后问题测井水位的滞后问题6 6 自记水位计测井中水位滞后问题的分析计算自记水位计测井中水位滞后问题的分析计算 水力学水力学Yangzhou Yangzhou UnivUniv6.1 测井进水管流量公式的建立测井进水管流量公式的建立 设在任一时刻设在任一时刻t ，河，河流与测井间水位差为流与测井间水位差为Z0，经历很短时间，经历很短时间dt之后，河流水位上之后，河流水位上涨涨dz、测井水位上涨、测井水位上涨dz，二者之差为，二者之差为Z 第四章第

17、四章 水头损失水头损失 6 测井水位的滞后问题测井水位的滞后问题6 6 自记水位计测井中水位滞后问题的分析计算自记水位计测井中水位滞后问题的分析计算 水力学水力学Yangzhou Yangzhou UnivUniv6.1 测井进水管流量公式的建立测井进水管流量公式的建立 由于由于dt很短，很短，dz、dz相差不多，故相差不多，故可近似地用可近似地用z作作为为dt时段内平均时段内平均水位差水位差 第四章第四章 水头损失水头损失 6 测井水位的滞后问题测井水位的滞后问题6 6 自记水位计测井中水位滞后问题的分析计算自记水位计测井中水位滞后问题的分析计算 水力学水力学Yangzhou Yangzho

18、u UnivUniv6.1 测井进水管流量公式的建立测井进水管流量公式的建立 按有压管淹没出流计算，按有压管淹没出流计算，t时刻时刻 第四章第四章 水头损失水头损失 6 测井水位的滞后问题测井水位的滞后问题6 6 自记水位计测井中水位滞后问题的分析计算自记水位计测井中水位滞后问题的分析计算6 6 自记水位计测井中水位滞后问题的分析计算自记水位计测井中水位滞后问题的分析计算 水力学水力学Yangzhou Yangzhou UnivUniv6.2 测井水位滞后量公式的推导测井水位滞后量公式的推导 由水量平衡可知，在dt时段内，流过进水管的水量等于测井内增加的水量 第四章第四章 水头损失水头损失 6

19、 测井水位的滞后问题测井水位的滞后问题 水力学水力学Yangzhou Yangzhou UnivUniv测测井井内内水水位位的的滞滞后后量量测测井井截截面面积积与与管管道道截截面面积积之之比比测测井井水水位位的的变变率率流流量量系系数数与管径、管长、与管径、管长、阻力系数有关阻力系数有关 第四章第四章 水头损失水头损失 6 测井水位的滞后问题测井水位的滞后问题 水力学水力学Yangzhou Yangzhou UnivUniv设计进水管尺寸时，可采用河道水位变率代替测井水位变率。设计进水管尺寸时，可采用河道水位变率代替测井水位变率。若给滞后量以一定的规定值，则求出进水管的尺寸，并若给滞后量以一定

20、的规定值，则求出进水管的尺寸，并能保证以后的滞后量小于规定值。能保证以后的滞后量小于规定值。若采用河道中最大水位变率，则可求得最大水位滞后量：若采用河道中最大水位变率，则可求得最大水位滞后量： 第四章第四章 水头损失水头损失 6 测井水位的滞后问题测井水位的滞后问题6 6 自记水位计测井中水位滞后问题的分析计算自记水位计测井中水位滞后问题的分析计算 水力学水力学Yangzhou Yangzhou UnivUniv6.3 进水管直径的计算进水管直径的计算 若进水管为圆管，直径为若进水管为圆管，直径为d， 则则 ，式中单位长度用式中单位长度用m，面积用，面积用m2，时间用，时间用s 第四章第四章

21、水头损失水头损失 6 测井水位的滞后问题测井水位的滞后问题 水力学水力学Yangzhou Yangzhou UnivUniv6.3 进水管直径的计算进水管直径的计算 根据已知条件，假设不同的根据已知条件，假设不同的d，进行计算求出一个，进行计算求出一个d，若两个若两个d基本相等时，假设的基本相等时，假设的d即为所求；否则重新假即为所求；否则重新假设再计算，直到符合要求为止。设再计算，直到符合要求为止。 第四章第四章 水头损失水头损失 6 测井水位的滞后问题测井水位的滞后问题6 6 自记水位计测井中水位滞后问题的分析计算自记水位计测井中水位滞后问题的分析计算 水力学水力学Yangzhou Yan

22、gzhou UnivUniv6.3 进水管直径的计算进水管直径的计算 建议方法：建议方法：由上式，依据河道最大水位变率及其它条件，假定一个进由上式，依据河道最大水位变率及其它条件，假定一个进水管直径水管直径d，可计算出相应的测井水位滞后量，可计算出相应的测井水位滞后量Z，满足规，满足规则定值的直径即可选用。则定值的直径即可选用。 第四章第四章 水头损失水头损失 6 测井水位的滞后问题测井水位的滞后问题6 6 自记水位计测井中水位滞后问题的分析计算自记水位计测井中水位滞后问题的分析计算 水力学水力学Yangzhou Yangzhou UnivUniv例：已知测井进水管长度例：已知测井进水管长度L

23、10m，测井直径为，测井直径为0.8m，河中水，河中水位最大涨率位最大涨率2.7810-4m/s，进水管采用钢管，查糙率表知，进水管采用钢管，查糙率表知n=0.011，测井水位滞后量限制在，测井水位滞后量限制在1cm以内，求进水管直径？以内，求进水管直径？ 解：解： 第四章第四章 水头损失水头损失 6 测井水位的滞后问题测井水位的滞后问题 水力学水力学Yangzhou Yangzhou UnivUniv 假设假设d=0.03m，则，则 再假设再假设d=0.04 m， 则则 再假设再假设d=0.038m，则，则 再假设再假设d=0.039m，则，则 可选用可选用可选用可选用 第四章第四章 水头损失水头损失 6 测井水位的滞后问题测井水位的滞后问题 水力学水力学Yangzhou Yangzhou UnivUniv 第四章第四章 水头损失水头损失 课外练习题课外练习题思考题思考题1. 简述水头损失的产生机理。简述水头损失的产生机理。2. 水头损失可分为哪两类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在边界有变化的地方只有局部水头损失”这种说法这种说法 是否正确是否正确?为什么？为什么？4. 什么是层流与紊流流态什么是层流与紊流流态?