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1、水力学8/22/20241在前一章中我们已经讨论过理想液体和实际液体在前一章中我们已经讨论过理想液体和实际液体的的能量方程能量方程式。因式。因实际液体具有实际液体具有粘滞性粘滞性，在，在流动流动过程中会过程中会产生水流阻力产生水流阻力，克服克服阻力就要阻力就要耗损一部分机械能耗损一部分机械能，转化为热能，转化为热能，造成水头造成水头损失损失。水头损失水头损失与与液体的物理特性液体的物理特性和和边界特征边界特征均有均有密切关系，所以本章首先对两种不同物理特性的液体密切关系，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理想液体和实际液体) )在不同边界条件下所产生的液在不同边界条件
2、下所产生的液流特征加以剖析，弄清楚流特征加以剖析，弄清楚水头损失的物理概念水头损失的物理概念。又因又因水头损失的变化规律与水头损失的变化规律与液流型态液流型态有密切关系，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水头损失的变化规律及其及其计算方法计算方法。headlossinconduits8/22/20242v水头损失的物理概念和分类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与切应力的关系均匀流沿程水头损失与切应力的关系v液体运动的两种型态液体运
3、动的两种型态v紊流的特征紊流的特征v紊流均匀流沿程水头损失的计算公式紊流均匀流沿程水头损失的计算公式v局部水头损失局部水头损失v恒定有压管流恒定有压管流8/22/20243l理想液体理想液体，边界面没有滞水作用，液流为，边界面没有滞水作用，液流为平行直线平行直线流流，过水断面上，过水断面上流速分布是均匀流速分布是均匀的，液体流动过程的，液体流动过程中中没有任何能量损失没有任何能量损失。理想液体理想液体流线流线流速分布流速分布 1.水头损失的物理概念和分类水头损失的物理概念和分类 8/22/20244n实际液体实际液体是是有粘滞性有粘滞性的，过水断面上的的，过水断面上的流速分布是不均流速分布是不
4、均匀匀的，因此的，因此相邻两流层之间都有相对运动相邻两流层之间都有相对运动。由于粘滞性的。由于粘滞性的作用，有相对运动的两流层之间就有作用，有相对运动的两流层之间就有内摩擦切应力发生内摩擦切应力发生。液体流动过程中要液体流动过程中要克服这种摩擦阻力克服这种摩擦阻力就要作功，作功就要就要作功，作功就要损耗一部分液流的机械能损耗一部分液流的机械能，转化为热能而散失。，转化为热能而散失。实际液体实际液体流线流线流速分布流速分布8/22/20245n在水力学中，能量损失都是用单位重量的液体所损失在水力学中，能量损失都是用单位重量的液体所损失的能量来表示，称为水头损失。的能量来表示，称为水头损失。n在在
5、固体边界平直固体边界平直的水道中，单位重量的液体自一断面的水道中，单位重量的液体自一断面流至另一断面所损失的机械能，是流至另一断面所损失的机械能，是沿程都有沿程都有并并随沿程随沿程长度而增加长度而增加的，所以叫做的，所以叫做沿程水头损失沿程水头损失，常用，常用hfhf表示表示。8/22/20246n当实际液体沿固体边界流动时，当实际液体沿固体边界流动时，局部地区边界的形状或大局部地区边界的形状或大小改变小改变( (如管道或河渠中的断面突然扩大或缩小或流向有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急剧变化) )，或有，或有局部障碍局部障碍( (如管道中的阀门等如管道中的阀门等) )，液
6、流内液流内部结构就要急剧调整部结构就要急剧调整，流速分布进行改组流速分布进行改组，流线发生弯曲流线发生弯曲，在这些局部地区都有局部水头损失。这种能量损失是在这些局部地区都有局部水头损失。这种能量损失是发发生在局部范围之内的生在局部范围之内的，叫做，叫做局部水头损失局部水头损失，常用，常用hjhj表示。表示。8/22/20247n由以上分析可知，由以上分析可知，液流产生水头损失必需具备两个条件液流产生水头损失必需具备两个条件：(1)(1)液体具有粘滞性液体具有粘滞性；(2)(2)由于固体边界的影响，液流内部由于固体边界的影响，液流内部质点之间产生相对运动质点之间产生相对运动。n水头损失区分为水头
7、损失区分为沿程损失沿程损失与与局部损失局部损失，对液流本身来说，仅仅，对液流本身来说，仅仅在于造成水头损失的在于造成水头损失的外在原因有所不同外在原因有所不同。固体边界平直，水固体边界平直，水流为均匀流或渐变流，产生沿程水头损失流为均匀流或渐变流，产生沿程水头损失；固体边界突变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。运动，因粘滞性的作用，产生切应力的结果。8/22/
8、20248n其一流段沿程水头损失与局部水头损失的总和称为该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流段的总水头损失的总水头损失。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，可用下式表示表示 n式中：式中：hfhf-该流段中各分段的沿程水头损失的总和；该流段中各分段的沿程水头损失的总和； hjhj-该流段中各种局部水头损失的总和。该流段中各种局部水头损失的总和。返回返回8/22/202492.液流边界几何条件对水头损失的影响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，但产生水头损失的根源是实际液体本身具有
9、粘滞性，但固体边界固体边界纵、横方向纵、横方向的的几何条件几何条件( (即边界轮廓即边界轮廓的形状和大小的形状和大小) )对水头损失也对水头损失也有很大影响有很大影响。8/22/202410n一、液流边界横向轮廓的形状和大小对水头损失的影一、液流边界横向轮廓的形状和大小对水头损失的影响响液流边界液流边界横向轮廓横向轮廓的形状和大小对水流的形状和大小对水流的影响的影响可用可用过水断面的过水断面的水力要素水力要素来表征，如过水来表征，如过水断面的断面的面积面积、湿周湿周、及、及水力半径水力半径等。等。圆形断圆形断面、矩面、矩形断面、形断面、梯形断梯形断面面8/22/202411n液流过水断面与固体
10、边界接触的周界线叫做液流过水断面与固体边界接触的周界线叫做湿周湿周( (wettedperimeter )，常用，常用 表示。湿周愈表示。湿周愈大，水流阻力及水头损失也愈大。大，水流阻力及水头损失也愈大。n过水断面面积过水断面面积 除以湿周称为除以湿周称为水力半径水力半径。 水力半径水力半径( (Hydraulicradius)是过水断面的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，常用米纲是长度，常用米(m)(m)或厘米或厘米(cm)(cm)为单位。为单位
11、。例如：例如：Circular pipe flowing full直径为直径为d d的圆管，当充满液流时，的圆管，当充满液流时，8/22/202412the wettedperimeterThe hydraulic radius is a convenient means for expressing the shape as well as the size of a conduit. Customarily we substitute for D8/22/202413n二、液流边界纵向轮廓对水头损失的影响二、液流边界纵向轮廓对水头损失的影响因边界纵因边界纵向轮廓的不同向轮廓的不同，可有两种
12、不同形式的液流，可有两种不同形式的液流：均匀流与均匀流与非均匀流非均匀流。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，的水力要素及断面平均流速都是保持不变的。所以，均匀均匀流时只有沿程水头损失流时只有沿程水头损失，而且各单位长度上的沿程水头损，而且各单位长度上的沿程水头损失也是相等的，失也是相等的，总水头线应为一直线总水头线应为一直线。又因各过水断面平。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。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，均匀流时由此可知，均
13、匀流时总水头线和测压管水头线是相互平行总水头线和测压管水头线是相互平行的直线。的直线。8/22/202414n非均匀流非均匀流与均匀流不同，沿水流长度方向上与均匀流不同，沿水流长度方向上各过水断面各过水断面的形状及大小是不相等的形状及大小是不相等的，各过水断面上的的，各过水断面上的流速也是不等流速也是不等的，的，所以非均匀流单位长度上的水头损失也不相等，所以非均匀流单位长度上的水头损失也不相等，总水总水头线和测压管水头线是头线和测压管水头线是互不平行互不平行的的曲线曲线。n均匀流时无局部水头损失均匀流时无局部水头损失，非均匀渐变流时局部水头，非均匀渐变流时局部水头损失可忽略不计，损失可忽略不计
14、，非均匀急变流时两种水头损失均非均匀急变流时两种水头损失均有有。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，所以为均匀流时只有沿程水头损失，所以研究沿程水头损研究沿程水头损失只要研究均匀流的水头损失失只要研究均匀流的水头损失就可以了。就可以了。返回返回8/22/2024153.均匀流沿程水头损失与切应力的关系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，过水断面面积为流与竖直方向成一角度，过水断面面积
15、为 ，该，该段长度为段长度为l l。n1.1.动水压力动水压力作用在断面作用在断面1-11-1上的动上的动水压力水压力 ，作用断面，作用断面2-22-2的动水压的动水压力力 。n2.2.重力在流动方向分力，重力在流动方向分力，n3.3.流段边壁的摩擦切力流段边壁的摩擦切力 8/22/202416 均匀流是等流速直线流动，故流段所受的轴向外力必定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，即相互平衡，即用用 除上式中的各项，可得除上式中的各项，可得 应用上式求沿程水头损失应用上式求沿程水头损失hfhf，必须先知道，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。因此现在的问
16、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，所以无论要求解有关，所以无论要求解 或或hfhf都必须研究液流型都必须研究液流型态。态。返回返回8/22/2024174.液体运动的两种型态液体运动的两种型态Laminar and turbulent flow18851885年英国科学家雷诺年英国科学家雷诺(Reynolds)(Reynolds)曾用试验揭示了实际液体运动，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，即根据流速的大小不同，存在的两种型态，即层流层流和和紊流紊流。l当当流速较小流速较小时，各
17、流层的液时，各流层的液体体质点质点是是有条不紊地运动有条不紊地运动，互互不混杂不混杂，这种型态的流动叫做，这种型态的流动叫做层流层流。当当流速较大流速较大时，各流层的液体时，各流层的液体质质点形成涡体点形成涡体，在流动过程中，在流动过程中，互互相混掺相混掺，这种型态的流动叫做，这种型态的流动叫做紊紊流流。两种内部结构完全不同的流态两种内部结构完全不同的流态 8/22/202418hf雷诺试验雷诺试验颜色水颜色水颜色水颜色水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
18、呈层流运动。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。质点即互相混杂，液流呈紊流运动。Reynolds experimentColored liquid8/22/202419紊流紊流形成过程的分析形成过程的分析Processofturbulentflow选定流层选定流层流速分布曲线流速分布曲线干扰PPPPPP
19、PPPPPP升力升力涡涡 体体紊流紊流形成条件形成条件涡体的涡体的产生产生雷诺数雷诺数达到一定的数值达到一定的数值相对运动发生，各流层之间产生内摩擦切应相对运动发生，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，有构成选定的流层所承受的切应力，有构成力矩力矩，使使流层发生旋转流层发生旋转的倾向。由于外界的微小干的倾向。由于外界的微小干扰或来流中残存的扰动，该流层将不
20、可避免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地出现局部性的波动，随同这种波动而来的是是局部流速和压强的重新调整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
21、流层各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不同方向的段承受不同方向的横向压力横向压力P P。显然，这种横向压力将。显然，这种横向压力将使使波峰愈凸波峰愈凸，波谷愈凹波谷愈凹，促使，促使波幅更加增大波幅更加增大。波幅增大到一定程度以后，由于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，横向压力与切应力的综合作用，最后使波峰与波谷重叠，形成涡最后使波峰与波谷重叠，形成涡体。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，这样就反一边流速
22、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。新的涡体。如此发展下去，层流即转化为紊流。eddies8/22/202420n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。变化过程。n当试验以相反的程序进行时，则观察到的现
23、象就以相反的程序而重演，当试验以相反的程序进行时，则观察到的现象就以相反的程序而重演，但在但在紊流转变为层流时流速紊流转变为层流时流速的数值要比的数值要比层流转变为紊流层流转变为紊流时为时为小小。n若在玻璃管的两个断面若在玻璃管的两个断面1-11-1及及2-22-2上各安一根测压管，则可测出断面上各安一根测压管，则可测出断面1-1-1 1至至2-22-2间的水头损失。由能量方程式得间的水头损失。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两断面间的沿程水头损失等于两断面的测压管水头差 。8/22/202421O确定沿程水头损失必须首先判别液流的型态确定沿程水头损失必须首先判别
24、液流的型态层流时适用直线层流时适用直线ACAC，4545，层流层流时沿程水头损失时沿程水头损失是与流速的一次是与流速的一次方成比例方成比例。紊流时适用直线紊流时适用直线DEDE，45 45 ，紊流时沿程水头损失紊流时沿程水头损失与流速的与流速的1.75-21.75-2次方成次方成比例比例。8/22/202422The head loss is differentnAs long as the velocity is low enough to secure laminar flow, the head loss, due to friction, is directly proportiona
25、l 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 flow is laminar or turbulent. The criterion is Reynolds number.8/22/202423Critical Reyn
26、olds numberlgVlghfOVelocity increasingVelocity decreasing12Higher critical pointlower critical pointBATransition zonecThe true critical Reynolds numberUpper critical Reynolds number8/22/202424Critical Reynolds numbernThe upper critical Reynolds number is really indeterminate and unstable.nThe lower
27、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 roughness8/22/202425层流与紊流的判别：层流与紊流的判别：是用无量纲数雷诺数是用无量纲数雷诺数Re作为判据的。作为判据的。 （下）临界雷诺数（下）临界雷诺数雷诺数雷诺数或或若若ReReReReRek k，水流为紊流
28、，水流为紊流，雷诺数雷诺数(Reynolds number)是表征惯性力与粘滞是表征惯性力与粘滞力的比值。力的比值。8/22/202426n由雷诺试验证明了不同液流型态，沿程水头损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。失的规律是不同的。在实际工程中所遇到的在实际工程中所遇到的水流大多数是紊流水流大多数是紊流，所以所以对对紊流则将作较紊流则将作较详细的讨论详细的讨论。返回返回8/22/2024275.紊流的特征紊流的特征l一、运动要素的脉动一、运动要素的脉动l紊流的基本特征是许许多多大小不等的涡体相互混掺着紊流的基本特征是许许多多大小不等的涡体相互混掺着前进，它们的位置、形态
29、、流速都在时刻不断地变化着。前进，它们的位置、形态、流速都在时刻不断地变化着。因此当一系列参差不齐的涡体连续通过紊流中因此当一系列参差不齐的涡体连续通过紊流中某一定点某一定点时，必然会反映出这一定点上的时，必然会反映出这一定点上的瞬时运动要素瞬时运动要素( (如流速、如流速、压强等压强等) )随时间发生波动的现象随时间发生波动的现象，这种现象就叫做，这种现象就叫做运动运动要素的脉动要素的脉动。8/22/202428紊流紊流紊流的脉动现象紊流的脉动现象tu ux xOt tu ux xO O或（时均）恒定流（时均）恒定流（时（时均）非恒定流均）非恒定流8/22/202429n 试验研究的结果表明
30、：瞬时流速虽有变化，但在足够试验研究的结果表明：瞬时流速虽有变化，但在足够长的时间过程中，它的时间平均值是不变的。长的时间过程中，它的时间平均值是不变的。n 若取一足够长的时间过程若取一足够长的时间过程T T，在此时间过程中的时间，在此时间过程中的时间平均流速。平均流速。图中图中ABAB线即代表时间平均流速曲线。线即代表时间平均流速曲线。恒定流恒定流时，时，ABAB与与t t轴平行轴平行，即，即时间平均流速是不随时间而变化的时间平均流速是不随时间而变化的。非恒。非恒定流时，定流时，ABAB是与是与t t轴不平行的曲线，即时间平均流速是轴不平行的曲线，即时间平均流速是随时间而变化的。随时间而变化
31、的。 8/22/202430n紊流时各运动要素时间平均值的这种规律性的存在，对紊紊流时各运动要素时间平均值的这种规律性的存在，对紊流的研究带来很大的方便。只要建立了流的研究带来很大的方便。只要建立了时间平均时间平均的概念，的概念，则我们以前所提到的则我们以前所提到的分析水流运动规律的方法分析水流运动规律的方法，对对紊流的运动仍可适用紊流的运动仍可适用。例如，对紊流来说，流线是指。例如，对紊流来说，流线是指时间平均流速场的流线，流束是指时间平均流速的流束，时间平均流速场的流线，流束是指时间平均流速的流束，恒定流是指时间平均的运动要素不随时间而变化恒定流是指时间平均的运动要素不随时间而变化的液流的
32、液流，非恒定流是指时间平均的运动要素随时间而变，非恒定流是指时间平均的运动要素随时间而变化的液流化的液流等。等。8/22/202431n二、紊流产生附加切应力二、紊流产生附加切应力n在在层流运动层流运动中由于流层间的相对运动所引起的粘滞切应力中由于流层间的相对运动所引起的粘滞切应力可由可由牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律计算。计算。 n紊流切应力的计算，应引用紊流切应力的计算，应引用时间平均时间平均的概念，把紊流运动的概念，把紊流运动两流层之间时均切应力于看作是由两部分所组成：第一部两流层之间时均切应力于看作是由两部分所组成：第一部分为由分为由相邻两流层间时间平均流速相对运动所产生相邻两流层间时间
33、平均流速相对运动所产生的粘滞切应力的粘滞切应力 ；第二部分为纯粹由；第二部分为纯粹由脉动流速所产脉动流速所产生的附加切应力生的附加切应力 。8/22/202432紊流时均粘滞切应力与层流时一样计算，附加切应力的紊流时均粘滞切应力与层流时一样计算，附加切应力的公式可应用普朗特动量传送学说来推导。公式可应用普朗特动量传送学说来推导。紊流的时均切紊流的时均切应力公式为应力公式为 以后讨论紊流运动时所有运动要素均采用时均值，为简以后讨论紊流运动时所有运动要素均采用时均值，为简便计，时均符号可以省去不写，即便计，时均符号可以省去不写，即这一学说是假设液体这一学说是假设液体质点在横向脉动运移质点在横向脉动
34、运移过程中瞬时流速保持过程中瞬时流速保持不不变，因而动量也保持变，因而动量也保持不变，而到达新位置不变，而到达新位置后，动量即突然改变，后，动量即突然改变，并与并与新位置上原有液体质新位置上原有液体质点所具有的动量一致。点所具有的动量一致。由动量定律，这种液由动量定律，这种液体体质点的动量变化，质点的动量变化，将产生附加切应力。将产生附加切应力。8/22/202433n 三、紊流中存在粘性底层三、紊流中存在粘性底层n 在紊流中，紧靠固体边界附近的地方，因脉动流速很在紊流中，紧靠固体边界附近的地方，因脉动流速很小，由脉动流速产生的附加切应力也很小，而流速梯度却小，由脉动流速产生的附加切应力也很小
35、，而流速梯度却很大，所以粘滞切应力起主导作用，其流态基本上属层流。很大，所以粘滞切应力起主导作用，其流态基本上属层流。因此紊流中并不是整个液流都是紊流。在因此紊流中并不是整个液流都是紊流。在紧靠固体边界表紧靠固体边界表面面有一层有一层极薄的层流层极薄的层流层存在，叫存在，叫粘性底层粘性底层。在粘性底层以。在粘性底层以外的液流才是紊流。在这两液流之间，还存在着一层极簿外的液流才是紊流。在这两液流之间，还存在着一层极簿的过渡层，因其实际意义不大，可以不加考虑。的过渡层，因其实际意义不大，可以不加考虑。8/22/202434 粘性底层虽然很薄，但对紊流的流动有很大的影响。所以，粘性底层虽然很薄，但对
36、紊流的流动有很大的影响。所以，粘性底层对紊流沿程阻力规律的研究有重大意义粘性底层对紊流沿程阻力规律的研究有重大意义。 有压圆管流动中紊流时层流底层厚度的计算公式为有压圆管流动中紊流时层流底层厚度的计算公式为 ： 层流底层的厚度与雷诺数有关，且随着雷诺数的增大而减层流底层的厚度与雷诺数有关，且随着雷诺数的增大而减小小。 紊流沿程阻力和沿程水头损失的变化受粘性底层的厚度和紊流沿程阻力和沿程水头损失的变化受粘性底层的厚度和液体流动固体边壁表面粗糙程度的影响。液体流动固体边壁表面粗糙程度的影响。8/22/202435 任何固体边壁表面都有微小的起伏不平，绝对光滑任何固体边壁表面都有微小的起伏不平，绝对
37、光滑的壁面是不存在的，而且粗糙凸起的分布也是不均的壁面是不存在的，而且粗糙凸起的分布也是不均匀的。以匀的。以 表示壁面粗糙凸起的平均高度，称为壁表示壁面粗糙凸起的平均高度，称为壁面材料的面材料的绝对粗糙度绝对粗糙度； 称为称为相对粗糙度相对粗糙度。 1.1.当当 较小时，较小时， 相对较大，可以大于相对较大，可以大于 若干倍，若干倍，壁面的粗糙凸起完全被粘性底层所掩盖。壁面的粗糙凸起完全被粘性底层所掩盖。粗糙度对紊流不起粗糙度对紊流不起任何作用，边壁对任何作用，边壁对水流的阻力，主要水流的阻力，主要是粘性底层的粘滞是粘性底层的粘滞阻力，从水力学观阻力，从水力学观点来看，这种点来看，这种粗糙粗糙
38、表面与光滑的表面表面与光滑的表面是一样是一样的，所以叫的，所以叫做做水力光滑面水力光滑面。n当当ReRe较大时，粘性底层较大时，粘性底层极薄，极薄， 可以小于可以小于 若干倍若干倍。此时，边壁的粗糙度对。此时，边壁的粗糙度对紊流已起主要作用。当紊紊流已起主要作用。当紊流流核绕过凸出高度时将流流核绕过凸出高度时将形成小旋涡。形成小旋涡。边壁对水流边壁对水流的阻力主要是由这些小旋的阻力主要是由这些小旋涡造成涡造成的，而粘性底层的的，而粘性底层的粘滞力只占次要地位，与粘滞力只占次要地位，与前者相比，几乎可以忽略前者相比，几乎可以忽略不计。这种粗糙表面叫做不计。这种粗糙表面叫做水力粗糙面水力粗糙面。介
39、干以上两者之间，粘介干以上两者之间，粘性底层，不足以完全掩性底层，不足以完全掩盖住边壁粗糙度的影响，盖住边壁粗糙度的影响，但粗糙度还没有起决定但粗糙度还没有起决定性作用，这种粗糙面叫性作用，这种粗糙面叫做做过渡粗糙面过渡粗糙面。8/22/202436n必须指出，所谓光滑面或粗糙面并非完全取必须指出，所谓光滑面或粗糙面并非完全取决于固体边界表面本身是光滑的还是粗糙的，决于固体边界表面本身是光滑的还是粗糙的，而必须依据而必须依据粘性底层粘性底层和和绝对粗糙度绝对粗糙度两者大小两者大小的关系来决定的关系来决定。即使是同一固体边界面，在。即使是同一固体边界面，在某一雷诺数下可能是光滑面，而在另一雷诺某
40、一雷诺数下可能是光滑面，而在另一雷诺数下又可能是粗糙面。数下又可能是粗糙面。8/22/202438四、紊四、紊动使动使流速分布均匀化流速分布均匀化 紊紊流中流中由于液体质点相互混掺，由于液体质点相互混掺，互相碰撞，因而产生了液体内部各互相碰撞，因而产生了液体内部各质点间的动量传递，动量大的质点质点间的动量传递，动量大的质点将动量传给动量小的质点，动量小将动量传给动量小的质点，动量小的质点影响动量大的质点，结果造的质点影响动量大的质点，结果造成断面流速分布的均匀化。成断面流速分布的均匀化。层流流速分布层流流速分布紊流紊流流速分布流速分布返回返回8/22/2024396.紊流均匀流沿程水头损失的计
41、算公式紊流均匀流沿程水头损失的计算公式l一、圆管有压流的沿程水头损失计算公式一、圆管有压流的沿程水头损失计算公式 在工程上常用的是法国学者达西于在工程上常用的是法国学者达西于18571857年提出的公式（称为达年提出的公式（称为达西公式）西公式） the Darcy-Weisbach equationl二、明渠流动的沿程水头损失计算二、明渠流动的沿程水头损失计算 工程上常用的是法国水力学家谢才工程上常用的是法国水力学家谢才(Antoine de (Antoine de ChzyChzy) )于于17751775年提出的公式年提出的公式 8/22/202440hf尼古拉兹实验尼古拉兹实验相对粗糙
42、度相对粗糙度 或相对光滑度或相对光滑度雷诺数雷诺数ReRe8/22/202441沿程阻力系数的变化规律沿程阻力系数的变化规律- 尼古拉兹尼古拉兹实验实验或Lg（100）lgRe层流时层流时, ,水力光滑壁面水力光滑壁面, , 称为紊流光滑区称为紊流光滑区水力粗糙壁面水力粗糙壁面, ,称为紊流粗糙区称为紊流粗糙区过渡粗糙壁面过渡粗糙壁面, ,称为紊流过渡粗糙区称为紊流过渡粗糙区8/22/202442n尼古拉兹管道试验：尼古拉兹管道试验：探求探求的变化规律。的变化规律。 n1 1当当Re2000Re2000时，时，层流区，层流区，n2 2当当2000Re40002000Re4000Re4000时，
43、时，紊流区紊流区n（1 1）ReRe小时，小时，水力光滑区，水力光滑区，n（2 2）ReRe稍大时，稍大时，过渡粗糙区，过渡粗糙区，n（3 3）ReRe大时，大时，水力粗糙区，水力粗糙区， 又称阻力平方区。又称阻力平方区。8/22/2024438/22/202444计算沿程水头损失的经验公式计算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系系数数水水力力半半径径水水力力坡坡度度谢才系数有量纲，量纲为谢才系数有量纲，量纲为LL1/21/2T T-1-1 ，单位为单位为m m1/21/2/s/s。8/22/202445常用计算谢才系数的经验公式常用计算谢才系数的经验公式曼
44、宁曼宁公式公式巴甫洛夫斯基公式巴甫洛夫斯基公式n n为粗糙系数，简称糙率。水力半径单位均采用米。为粗糙系数，简称糙率。水力半径单位均采用米。两个公式均依据阻力平方区紊流的实测资料求得，故两个公式均依据阻力平方区紊流的实测资料求得，故只能只能适用于阻力平方区的紊流适用于阻力平方区的紊流。8/22/202446例：有一混凝土护面的梯形渠道，底宽例：有一混凝土护面的梯形渠道，底宽b b为为10m10m，水深，水深h h为为3m3m，两岸边坡为，两岸边坡为1:11:1，粗糙系数，粗糙系数n n为为0.0170.017。如水流属阻力平方。如水流属阻力平方区紊流，试用各公式求谢才系数。区紊流，试用各公式求
45、谢才系数。n解：过水断面面积解：过水断面面积bh+mhbh+mh2 2，式中，式中m m称做边坡系数，称做边坡系数， 面积面积=103+13=103+132 2=39m=39m2 2 返回返回8/22/2024477.7.局部水头损失局部水头损失l局部水头损失的计算，应用局部水头损失的计算，应用理论来解是有很大困理论来解是有很大困难的难的，主要是因为在急变流情况下，作用在固体边，主要是因为在急变流情况下，作用在固体边界上的动水压强不好确定。界上的动水压强不好确定。l目前只有少数几种情况可以目前只有少数几种情况可以用理论来作近似分析用理论来作近似分析，大多数情况还只能用实验方法来解决。大多数情况
46、还只能用实验方法来解决。l下面仅以下面仅以圆管突然扩大圆管突然扩大的局部水头损失的计算为的局部水头损失的计算为例进行介绍。例进行介绍。8/22/202448d1d2V1V2221133LZ1Z2OOGx对对1-11-1、2-22-2断面列能量方程式断面列能量方程式列列X X方向的动量方程式方向的动量方程式化简化简整理得：整理得：所以有所以有管的断面从管的断面从A1A1突然扩大到至突然扩大到至A2A2，液流自小断面进入大断，液流自小断面进入大断面时，流股脱离固体边界，面时，流股脱离固体边界，四周形成漩涡，然后流股逐四周形成漩涡，然后流股逐渐扩大，约经（渐扩大，约经（5-85-8）d2d2以后以后
47、才与大断面吻合。断面才与大断面吻合。断面1-11-1与与2-22-2的水流均为渐变流。的水流均为渐变流。d1d2V1V2221133L8/22/202449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：局部阻力系数局部阻力系数不同条件的局部阻力系数可查表获得不同条件的局部阻力系数可查表获得8/22/2024508/22/2024518/22/2024528/22/202453例题：例题：水从水箱流入一管径不同的管道，管道连接情水从水箱流入一管径不同的管道，管道连接情况如图所示，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
48、管道输水流量为管道输水流量为25l/s25l/s时，求所需要的水头时，求所需要的水头H H。l1l2V00d2d1H分析：用能量方程式，先选定计算断面，分析：用能量方程式，先选定计算断面，列列能量方程：能量方程：1122008/22/202454l1l2V00d2d1H112200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2.011m2.011m。8/22/202455n 从第三章开始讨论从第三章开始讨论水动力学水动力学的一些基本理论及其应用。的一些基本理论及其应用。n 液体的运动特性可用流速、加速度液体的运动特性可用流速、加速度等物理量来表征，这些物等物理量来表征，这些
49、物理量通称为液流的理量通称为液流的运动要素运动要素。水动力学的基本任务就是研究这些运动水动力学的基本任务就是研究这些运动要素随时间和空间的变化情况，以及建立这些运动要素之间的关系式，要素随时间和空间的变化情况，以及建立这些运动要素之间的关系式，并用这些关系式来解决工程上所遇到的实际问题并用这些关系式来解决工程上所遇到的实际问题。n 液体作机械运动运动时，仍遵循物理学及力学中的质量守恒定律、液体作机械运动运动时，仍遵循物理学及力学中的质量守恒定律、能量守恒定律及动量定律等普遍规律。建立能量守恒定律及动量定律等普遍规律。建立有关液体运动的基本概念有关液体运动的基本概念，然后从流束理论出发，讨论然后
50、从流束理论出发，讨论一般液体运动所遵循的普遍规律并建立相一般液体运动所遵循的普遍规律并建立相应的方程式应的方程式。即从。即从质量守恒定律出发建立水流的连续性方程，从能量质量守恒定律出发建立水流的连续性方程，从能量守恒定律出发建立水流的能量方程，从动量定理出发建立水流的动量守恒定律出发建立水流的能量方程，从动量定理出发建立水流的动量方程方程。n 具体边界条件的特定形式的水流运动，如具体边界条件的特定形式的水流运动，如管流管流、明渠水流明渠水流、堰闸堰闸水流水流等，以下将分别讨论。等，以下将分别讨论。返回返回8/22/2024568.恒定有压管流恒定有压管流l工程实践中为了输送液体，常须设置各种工
51、程实践中为了输送液体，常须设置各种有压管道有压管道，如水电站的压，如水电站的压力引水隧洞和压力钢管、水库的有压泄洪隧洞或泄水管、供给工农业力引水隧洞和压力钢管、水库的有压泄洪隧洞或泄水管、供给工农业和生活用水的水泵装置系统及给水管网、虹吸管以及输送石油的管道和生活用水的水泵装置系统及给水管网、虹吸管以及输送石油的管道等。这类等。这类管道的整个断面均被液体所充满，断面的周界就管道的整个断面均被液体所充满，断面的周界就是湿周；所以管道周界上的各点均受到液体压强的作用，是湿周；所以管道周界上的各点均受到液体压强的作用，因此称为有压管道。有压管道断面上各点的压强，一般因此称为有压管道。有压管道断面上各
52、点的压强，一般不等于大气压强不等于大气压强。l若有压管中液体的运动要素不随时间而变，若有压管中液体的运动要素不随时间而变，称为称为有压管中的恒定流有压管中的恒定流；若任一运动要素；若任一运动要素随时间而变，则称为有压管中的非恒定流。随时间而变，则称为有压管中的非恒定流。 8/22/202457n实际工程中的管道，根据其布置情况可分为实际工程中的管道，根据其布置情况可分为简单管道与复简单管道与复杂管道杂管道。n简单管道简单管道是指管道是指管道直径不变直径不变且且无分支无分支的管道。简单管道的的管道。简单管道的水力计算可分为自由出流和淹没出流两种情况。水力计算可分为自由出流和淹没出流两种情况。n简
53、单管道是最常见的，也是复杂管道的基本组成部分，其简单管道是最常见的，也是复杂管道的基本组成部分，其水力计算方法是各种管道水力计算的基础。水力计算方法是各种管道水力计算的基础。 管道出口管道出口水流流入大气水流流入大气，水股四周都受大气压强的作用，水股四周都受大气压强的作用，称为称为自由出流自由出流。管道。管道出口淹没在水下出口淹没在水下，称，称淹没出流淹没出流。n 复杂管道复杂管道又可分为串联管道、并联管道及分叉管道。又可分为串联管道、并联管道及分叉管道。8/22/202458列断面列断面1 11 1、2 22 2的能量方程的能量方程1.自由出流自由出流1122HOO简单管道水力计算的基本公式
54、简单管道水力计算的基本公式管道系统流量系数管道系统流量系数8/22/202459通过管道的流量：通过管道的流量： H H0 0 作用总水头，指管道出口断面中心作用总水头，指管道出口断面中心至上游水池水面的高差至上游水池水面的高差H H与上游行近流速与上游行近流速水头之和。当行近流速较小时，可以近似水头之和。当行近流速较小时，可以近似取取H H0 0 = = H H 。 8/22/202460列断面与的能量方程：列断面与的能量方程： 2.2.淹没出流淹没出流2211HOO8/22/202461令：令：且且w w1 1w w, , w w2 2w w ，则有：，则有：说明：说明：简单管道在淹没出流
55、的情况下，其简单管道在淹没出流的情况下，其作用水头作用水头H H0 0完全被消耗于克服管道由于沿完全被消耗于克服管道由于沿程阻力、局部阻力所作功产生的水头损失程阻力、局部阻力所作功产生的水头损失上。上。即：即：8/22/202462管中流速：管中流速：通过管道的流量：通过管道的流量：8/22/202463短管的水力计算短管的水力计算长管长管短管短管水头损失以沿程水头损失为主，水头损失以沿程水头损失为主，局部水头损失局部水头损失和和流速水头流速水头在总损失中所占在总损失中所占比重很小比重很小，计算时，计算时可以忽略的管道。可以忽略的管道。局部损失及流速水头在总损失中占有相当的比局部损失及流速水头
56、在总损失中占有相当的比重，计算时不能忽略的管道。重，计算时不能忽略的管道。有压管道水力计算的主要内容之一是确定有压管道水力计算的主要内容之一是确定水头损失水头损失。水头损失包。水头损失包括沿程水头损失及局部水头损失两种。括沿程水头损失及局部水头损失两种。8/22/202464n长管及短管是相对于长管及短管是相对于局部损失在总损失中的比重局部损失在总损失中的比重而言，而言，不能简单地用管道的绝对长度来判别不能简单地用管道的绝对长度来判别。n当管道中存在引起较大局部损失的管件当管道中存在引起较大局部损失的管件( (如部分开启的阀如部分开启的阀门、喷嘴、底阀等门、喷嘴、底阀等) )时，即使管道很长，
57、局部损失也不能时，即使管道很长，局部损失也不能略去，即必须按短管计算。所以，略去，即必须按短管计算。所以，当没有把握证明局部损当没有把握证明局部损失的影响很小时失的影响很小时，都应，都应按短管计算按短管计算。n但对于管道长度很大，沿程损失已消耗了总水头的但对于管道长度很大，沿程损失已消耗了总水头的9595以以上的管道，略去局部损失和流速水头可使计算工作大大简上的管道，略去局部损失和流速水头可使计算工作大大简化，对计算结果也没有多大影响。化，对计算结果也没有多大影响。8/22/202465短管水力计算示例短管水力计算示例虹吸管虹吸管 虹吸管顶部的真空值一般不大于虹吸管顶部的真空值一般不大于78m
58、78m水柱高。虹吸管水柱高。虹吸管安装高度安装高度Z Zs s越大，越大，顶部真空值越大。顶部真空值越大。 虹吸管的优点在于能跨越高地，减少挖方。虹吸管长度一般不长，故虹吸管的优点在于能跨越高地，减少挖方。虹吸管长度一般不长，故按短管计算。按短管计算。ZZs1122安装高度安装高度papa338/22/202466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，两两岸边坡为岸边坡为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，水流属于水流属于阻力平方区的紊流，求每公里渠道上的沿程水头
59、损失。阻力平方区的紊流，求每公里渠道上的沿程水头损失。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才系数谢才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8/22/202470作业：作业：P95 4-2,4-6P95 4-2,4-61.1.断面面积相同的圆形和正方形有压管道，圆形和方形管道的断面面积相同的圆形和正方形有压管道，圆形和方形管道的 水力半径之为（水力半径之为（ ）2.2.阻力平方区的紊流的沿程阻力系数（阻力平方区的紊流的沿程阻力系数（ ） A A仅与雷诺数有关仅与雷诺数有关 B B仅与相对粗糙度有关仅与相对粗糙度有关 C C与雷诺数及相对粗糙度有关与雷诺数及相对粗糙度有关 D D是常数是常数3. 3. 断面单位总水头的沿程变化规律断面单位总水头的沿程变化规律dHdH/dl=0/dl=0，则该液体为（，则该液体为（ ） 液体液体. . 4.4.恒定流是各空间点上的运动要素都不随恒定流是各空间点上的运动要素都不随_变化的流动。变化的流动。5.5.紊流中粘性底层的厚度随雷诺数的增大而紊流中粘性底层的厚度随雷诺数的增大而 。6.6.有一管径有一管径d=4md=4m的管道，其糙率的管道，其糙率n=0.025n=0.025，则谢才系数为，则谢才系数为 ，沿程阻力系数为，沿程阻力系数为 。8/22/202471
