流体力学水头损失 ppt课件
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hf ∝ s
2020/11/13
第4章 水头损失
11
均匀管道：
u
2020/11/13
第4章 水头损失
12
局部水头损失 hm
当固体壁沿程急剧变化，使液流内部的流速 分布沿程急剧变化而引起的水头损失；叫做局部 水头损失。
2020/11/13
第4章 水头损失
13
突然管道缩小
漩涡区
2020/11/13
过水断面的面积 ω：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。
湿周χ：液流过水断面与固体边界接触的周界 线，是过水断面的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。
2020/11/13
第4章 水头损失
23
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，因此，将过水断面的面积和湿周 结合起来，全面反映横向边界对水头损失影响。 水力半径R:
31
雷诺：O.Osborne Reynolds (1842～1912) 英国力学家、物理学家和工程师，杰出实验科学家
1867年-剑桥大学王后学院毕业
1868年-曼彻斯特欧文学院工程学教授
1877年-皇家学会会员
1888年-获皇家勋章
1905年-因健康原因退休
瞬 时 流 速 ： u xu xu x
O
（时均）非恒定流
t
ux
1 T
T 0
uxdt
0
2020/11/13
第4章 水头损失
47
图4-3
2020/11/13
第4章 水头损失
48
3. 紊流切应力
1.层流时的切应力： d u
2.紊流时的切应力：
dy
1 2
du
dy
(-ux' u'y )
（4-1）
消耗一部分液流机械能，转化为热能而散失。
2020/11/13
第4章 水头损失
9
水头损失hw
物理性质—— 粘滞性
固体边界——
相对运动
d d
u y
产生水 流阻力
水头损失的分类
沿程水头损失hf 局部水头损失hm
损耗机
械能hw
2020/11/13
第4章 水头损失
10
沿程水头损失hf
当限制液流的固体壁沿流动方向不变时，液流形 成均匀流，即过水断面上流速分布沿流动方向不变， 其水头损失与沿程长度成正比，总水头线呈下降直线； 这种水头损失叫做称沿程水头损失。
伯努利方程
z1p 12 1vg12z2p 22 2vg22h
产生能量损失的原因在于：水流有粘滞性
当水流运动时，会产生粘性阻力，水流克服阻力 就要消耗一部分机械能，转化为热能，造成能量损失。
2020/11/13
第4章 水头损失
5
水头损失与液流的物理性质和边界特征密切相关。 水头损失还与液流内部的流动形态相关。 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，认清水头损失的物理概念。 在此基础上， 介绍水头损失变化规律及其计算方法。
b
R (bmh)h b2h 1m2
2020/11/13
第4章 水头损失
27
液流纵向边界对水头损失的影响
液流纵向边界包括：底坡、局部障碍、断面形 状沿程发生变化等。这些因素归结为液体是均 匀流还是非均匀流。
均匀流:产生沿程水头损失; 非均匀流渐变流: 产生沿程水头损失; 非均匀急变流: 产生沿程和局部水头损失。
理想液体： 运动时没有相对运动，流速是均匀分布，无流速
梯度和粘性切应力，因而，也不存在能量损失 。
2020/11/13
第4章 水头损失
8
y
切
应
力
分
流速分布
布
τ
u
实际液体:
其有粘性，过水断面上流速分布不均匀。因此，
相邻液层间有相对运动，两流层间存在内摩擦力。
液体运动中，要克服摩擦阻力（水流阻力）做功，
式中：ūi = 时间平均流速；
ui’ = i 方向的脉动流速。
4.研究方法：将紊流运动分解为一个时间
平均流动和一个脉动流动的叠加。
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第4章 水头损失
46
紊流的脉动现象
ux
ux
脉动流速ux
紊流
瞬时流速ux 时均流速ux
O （时均）恒定流 t
时间平均流速：ux T1T0uxdt
2
精品资料
• 你怎么称呼老师？
• 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你 是否会认为老师的教学方法需要改进？
• 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭
• “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我 笨，没有学问无颜见爹娘 ……”
• “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
前一章讨论了理想液体和实际液体的能量方程， 方程中有一项为能量损失hw-平均水头损失。
第4章 水头损失
35
1.1 雷诺实验装置
颜色水
D l
F
E
B
A
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第4章 水头损失
hf
C
Q V t
36
1.2 实验操作过程
打开下游阀门，保持水箱水位稳定，
再打开颜色水开关，则红色水流入管道
颜色水
D l
F
hf
E
B
A
C
层流：红色水液层有条不紊地运动， 红色水和管道中液体水相互不混掺。
Q V t
hw
图4-1
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第4章 水头损失
21
2. 过流断面的水力要素
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。（p54）
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第4章 水头损失
22
液流横向边界对水头损失的影响
第4章 水头损失
14
管道中的闸门局部开启
漩涡区
问题 管道中的闸门全部开启是什么水头损失？
2020/11/13
第4章 水头损失
15
管道转弯处
弯道转弯
漩涡区
2020/11/13
第4章 水头损失
16
沿程水头损失（hf）与 局部水头损失（hm）比较
沿程水头损失
局部水头损失
发生边界 平直的固体边界水道 产生漩涡的局部范围
2020/11/13
第4章 水头损失
28
均匀流: ω，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。
hf 总水头线 J
总水头线 J
hf
水面＝测压管水头线 Jp
v1
P1
α
1
测压管水头线Jp
v1v1
2
τ0
G
v2
1
1
α
v2 v2
l
l
P2
2 v1v2J //Jp//底坡 0
v 1 v 2 J//Jp
工程流体力学—水力学
浙江工商大学 《工程流体力学》课程组
2020/11/13
第4章 水头损失
1
第四章 水头损失
4.1 沿程水头损失及局部水头损失 4.2 层流和紊流两种形态 4.3 恒定均匀流沿程水头损失与切应力的关系 4.4 沿程水头损失 4.5 局部水头损失
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第4章 水头损失
R
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第4章 水头损失
24
例 子：
管道
d2 R 4 d
d
d 4
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第4章 水头损失
25
矩形断面明渠
R bh b 2h
h b
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第4章 水头损失
26
梯形断面明 渠
a
(b2m hb)h(bm h)h
2
m=tgθ
a h
b 2h 2 (h m )2 b 2 h1 m 2
2
0
2020/11/13
第4章 水头损失
29
非均匀流: ω、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。
总水头线
v12 2g
hj
v22
2g
v1
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由相邻两流层间时间平均流速 相对运动所产生的粘滞切应力
纯粹由脉动流速所产生 的附加切应力
式中，等号右边第一项为时均粘性切应力；第二项 为时均紊流附加切应力。
3.结论：由于层流时的切应力与紊流时的切应力的 不同，导致水头损失与流速关系的不同。
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第4章 水头损失
49
4. 层流、紊流的判别标准
实际液体的流动形态 各种边界条件下的水头损失规律 水头损失的计算方法
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第4章 水头损失
6
§4.1 沿程水头损失及局部水头损失
1. hf & hm
理想液体的运动是没有能量损失的，而实际液 体在流动的中为什么会产生水头损失 ?
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第4章 水头损失
7
u(y)
流线
流速分布
测压管水头线 v2
第4章 水头损失
30
非均匀急变流
§4.2 层流和紊流两种形态
背景知识 1883，雷诺(O.Reynolds,UK.)通过实验发
现：液流存在层流和紊流两种形态。
1.雷诺实验： 2.紊流脉动： 3.紊流切应力： 4.层流和紊流的判别标准：
2020/11/13
第4章 水头损失
外在原因 液体运动的摩擦阻力 边界层分离或形状阻力
大小
hf ∝ s
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
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第4章 水头损失
17
总水头损失
hw
各种局部水头损失的总和
hw hf＋hm
各分段的沿程水头损失的总和
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第4章 水头损失
18
30
流速从大到小 E
m = 1.75~2.00
25
D
θ2＝ 60.3°～63.4°
20
lg hf
15
10 A
5
B
C
θ1＝ 45°
层流 过渡 紊流
0
0
vc 5 v’c 10
层流 θ1 = 45° m= 1
lg hf lg k m lg v 15 hf kvm
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lg v 第4章 水头损失 m tan
2020/11/13
第4章 水头损失
37
颜色水
D l
F
hf
E
B
A
C
下游阀门再打开一点，管道中流速增大 红色水开始颤动并弯曲，出现波形轮廓
Q V t
2020/11/13
第4章 水头损失
38
颜色水
D l
F
hf
E
B
A
C
下游阀门再打开一点，管中流速继续增大
Q V t
红颜色水射出后，完全破裂，形成漩涡，扩散至全管，使管中水 流变成红色水。 这一现象表明：液体质点运动中会形成涡体，各涡体相互混掺。
实验时，结合观察红颜色水的流动，量测两 测压管中的高差以及相应流量，建立水头损 失hf 和管中流速v的试验关系，并绘于双对数 坐标轴上。
试验按照两种顺序进行: (1) 流量增大 （2） 流量减小
试验结果如下所示。
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第4章 水头损失
42
35
流速从小到大
35
30
E
30
流速从大到小 E
25
25
D
D
20
20
lg hf lg hf
15
B
C
10 A
15
B 10 A
5
5 层流 紊流
0 0
层流 紊流
5 v’c 1 0
15
0 0
vc 5
10
15
lg v
lg v
AC 、 ED：直线段
AB 、DE ：直线段
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第4章 水头损失
43
35
流速从小到大 紊流 θ2 = 60.3~63.4°
体不同, 只要雷诺数相同, 则流动是动力相似。
2020/11/13
第4章 水头损失
34
1. 雷诺实验 (Fig.4-2)
1.1 雷诺实验装置 (Fig.4-2/p.52) 1.2 实验操作过程： 流速从小到大=>层流、紊流(a,b,c) 1.3 实验结果： 两种流态：层流、紊流。
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44
雷诺实验揭示出
实际液体运动中存在两种不同型态： 层流和紊流 不同型态的液流，水头损失规律不同
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第4章 水头损失
45
2. 紊流脉动
1.紊流脉动现象：fig.4-3
2.时间平均流速: ū x=(1/T) ∫T0 ux(t)dt
3.瞬时速度：ui= ūi + ui’ ( i=x,y,z )
雷诺兴趣广泛，一生著述很多，近70篇论文都有很
深远的影响。论文内容包括
力学
热力学
电学
航空学
蒸汽机特性等
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第4章 水头损失
33
在流体力学方面最重要的贡献：
1883年 — 发现液流两种流态：
层流和紊流，提出以雷诺数判别
流态。
1883年 — 发现流动相似律
对于几何条件相似的流动，即使其尺寸、速度、流
液体以下管道的沿程损失：
液体以下管道时的沿程损失包括四段：
hf 1
hf 2
hf 3
hf 4
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第4章 水头损失
19
液体经过时的局部损失：
液体经过时的局部损失包括五段：
进口、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
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第4章 水头损失
20
总水头损失
1. 层流和紊流的判别标准的意义： 由于层流和紊流的水头损失各有不同的计算关系，
因此，计算前必须判断所研究水流的形态。 2. 雷诺数准则： 3. 圆管液流： 4. 非圆管液流：
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第4章 水头损失
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图4-2
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第4章 水头损失
40
1.3 实验结果
层流：流速较小时，各流层的液体质点 有条不紊运动，相互之间互不混杂。
紊流：当流速较大时，各流层的液体质 点形成涡体，在流动过程中，互相混杂。
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第4章 水头损失
41
沿程水头损失hf和平均流速v的关系
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第4章 水头损失
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均匀管道：
u
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第4章 水头损失
12
局部水头损失 hm
当固体壁沿程急剧变化，使液流内部的流速 分布沿程急剧变化而引起的水头损失；叫做局部 水头损失。
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第4章 水头损失
13
突然管道缩小
漩涡区
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过水断面的面积 ω：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。
湿周χ：液流过水断面与固体边界接触的周界 线，是过水断面的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。
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第4章 水头损失
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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，因此，将过水断面的面积和湿周 结合起来，全面反映横向边界对水头损失影响。 水力半径R:
31
雷诺：O.Osborne Reynolds (1842～1912) 英国力学家、物理学家和工程师，杰出实验科学家
1867年-剑桥大学王后学院毕业
1868年-曼彻斯特欧文学院工程学教授
1877年-皇家学会会员
1888年-获皇家勋章
1905年-因健康原因退休
瞬 时 流 速 ： u xu xu x
O
（时均）非恒定流
t
ux
1 T
T 0
uxdt
0
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第4章 水头损失
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图4-3
2020/11/13
第4章 水头损失
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3. 紊流切应力
1.层流时的切应力： d u
2.紊流时的切应力：
dy
1 2
du
dy
(-ux' u'y )
（4-1）
消耗一部分液流机械能，转化为热能而散失。
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第4章 水头损失
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水头损失hw
物理性质—— 粘滞性
固体边界——
相对运动
d d
u y
产生水 流阻力
水头损失的分类
沿程水头损失hf 局部水头损失hm
损耗机
械能hw
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第4章 水头损失
10
沿程水头损失hf
当限制液流的固体壁沿流动方向不变时，液流形 成均匀流，即过水断面上流速分布沿流动方向不变， 其水头损失与沿程长度成正比，总水头线呈下降直线； 这种水头损失叫做称沿程水头损失。
伯努利方程
z1p 12 1vg12z2p 22 2vg22h
产生能量损失的原因在于：水流有粘滞性
当水流运动时，会产生粘性阻力，水流克服阻力 就要消耗一部分机械能，转化为热能，造成能量损失。
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第4章 水头损失
5
水头损失与液流的物理性质和边界特征密切相关。 水头损失还与液流内部的流动形态相关。 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，认清水头损失的物理概念。 在此基础上， 介绍水头损失变化规律及其计算方法。
b
R (bmh)h b2h 1m2
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第4章 水头损失
27
液流纵向边界对水头损失的影响
液流纵向边界包括：底坡、局部障碍、断面形 状沿程发生变化等。这些因素归结为液体是均 匀流还是非均匀流。
均匀流:产生沿程水头损失; 非均匀流渐变流: 产生沿程水头损失; 非均匀急变流: 产生沿程和局部水头损失。
理想液体： 运动时没有相对运动，流速是均匀分布，无流速
梯度和粘性切应力，因而，也不存在能量损失 。
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第4章 水头损失
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y
切
应
力
分
流速分布
布
τ
u
实际液体:
其有粘性，过水断面上流速分布不均匀。因此，
相邻液层间有相对运动，两流层间存在内摩擦力。
液体运动中，要克服摩擦阻力（水流阻力）做功，
式中：ūi = 时间平均流速；
ui’ = i 方向的脉动流速。
4.研究方法：将紊流运动分解为一个时间
平均流动和一个脉动流动的叠加。
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第4章 水头损失
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紊流的脉动现象
ux
ux
脉动流速ux
紊流
瞬时流速ux 时均流速ux
O （时均）恒定流 t
时间平均流速：ux T1T0uxdt
2
精品资料
• 你怎么称呼老师？
• 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你 是否会认为老师的教学方法需要改进？
• 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭
• “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我 笨，没有学问无颜见爹娘 ……”
• “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
前一章讨论了理想液体和实际液体的能量方程， 方程中有一项为能量损失hw-平均水头损失。
第4章 水头损失
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1.1 雷诺实验装置
颜色水
D l
F
E
B
A
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第4章 水头损失
hf
C
Q V t
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1.2 实验操作过程
打开下游阀门，保持水箱水位稳定，
再打开颜色水开关，则红色水流入管道
颜色水
D l
F
hf
E
B
A
C
层流：红色水液层有条不紊地运动， 红色水和管道中液体水相互不混掺。
Q V t
hw
图4-1
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第4章 水头损失
21
2. 过流断面的水力要素
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。（p54）
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第4章 水头损失
22
液流横向边界对水头损失的影响
第4章 水头损失
14
管道中的闸门局部开启
漩涡区
问题 管道中的闸门全部开启是什么水头损失？
2020/11/13
第4章 水头损失
15
管道转弯处
弯道转弯
漩涡区
2020/11/13
第4章 水头损失
16
沿程水头损失（hf）与 局部水头损失（hm）比较
沿程水头损失
局部水头损失
发生边界 平直的固体边界水道 产生漩涡的局部范围
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第4章 水头损失
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均匀流: ω，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。
hf 总水头线 J
总水头线 J
hf
水面＝测压管水头线 Jp
v1
P1
α
1
测压管水头线Jp
v1v1
2
τ0
G
v2
1
1
α
v2 v2
l
l
P2
2 v1v2J //Jp//底坡 0
v 1 v 2 J//Jp
工程流体力学—水力学
浙江工商大学 《工程流体力学》课程组
2020/11/13
第4章 水头损失
1
第四章 水头损失
4.1 沿程水头损失及局部水头损失 4.2 层流和紊流两种形态 4.3 恒定均匀流沿程水头损失与切应力的关系 4.4 沿程水头损失 4.5 局部水头损失
2020/11/13
第4章 水头损失
R
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第4章 水头损失
24
例 子：
管道
d2 R 4 d
d
d 4
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第4章 水头损失
25
矩形断面明渠
R bh b 2h
h b
2020/11/13
第4章 水头损失
26
梯形断面明 渠
a
(b2m hb)h(bm h)h
2
m=tgθ
a h
b 2h 2 (h m )2 b 2 h1 m 2
2
0
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第4章 水头损失
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非均匀流: ω、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。
总水头线
v12 2g
hj
v22
2g
v1
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由相邻两流层间时间平均流速 相对运动所产生的粘滞切应力
纯粹由脉动流速所产生 的附加切应力
式中，等号右边第一项为时均粘性切应力；第二项 为时均紊流附加切应力。
3.结论：由于层流时的切应力与紊流时的切应力的 不同，导致水头损失与流速关系的不同。
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第4章 水头损失
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4. 层流、紊流的判别标准
实际液体的流动形态 各种边界条件下的水头损失规律 水头损失的计算方法
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第4章 水头损失
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§4.1 沿程水头损失及局部水头损失
1. hf & hm
理想液体的运动是没有能量损失的，而实际液 体在流动的中为什么会产生水头损失 ?
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第4章 水头损失
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u(y)
流线
流速分布
测压管水头线 v2
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非均匀急变流
§4.2 层流和紊流两种形态
背景知识 1883，雷诺(O.Reynolds,UK.)通过实验发
现：液流存在层流和紊流两种形态。
1.雷诺实验： 2.紊流脉动： 3.紊流切应力： 4.层流和紊流的判别标准：
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第4章 水头损失
外在原因 液体运动的摩擦阻力 边界层分离或形状阻力
大小
hf ∝ s
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
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第4章 水头损失
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总水头损失
hw
各种局部水头损失的总和
hw hf＋hm
各分段的沿程水头损失的总和
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30
流速从大到小 E
m = 1.75~2.00
25
D
θ2＝ 60.3°～63.4°
20
lg hf
15
10 A
5
B
C
θ1＝ 45°
层流 过渡 紊流
0
0
vc 5 v’c 10
层流 θ1 = 45° m= 1
lg hf lg k m lg v 15 hf kvm
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lg v 第4章 水头损失 m tan
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颜色水
D l
F
hf
E
B
A
C
下游阀门再打开一点，管道中流速增大 红色水开始颤动并弯曲，出现波形轮廓
Q V t
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颜色水
D l
F
hf
E
B
A
C
下游阀门再打开一点，管中流速继续增大
Q V t
红颜色水射出后，完全破裂，形成漩涡，扩散至全管，使管中水 流变成红色水。 这一现象表明：液体质点运动中会形成涡体，各涡体相互混掺。
实验时，结合观察红颜色水的流动，量测两 测压管中的高差以及相应流量，建立水头损 失hf 和管中流速v的试验关系，并绘于双对数 坐标轴上。
试验按照两种顺序进行: (1) 流量增大 （2） 流量减小
试验结果如下所示。
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35
流速从小到大
35
30
E
30
流速从大到小 E
25
25
D
D
20
20
lg hf lg hf
15
B
C
10 A
15
B 10 A
5
5 层流 紊流
0 0
层流 紊流
5 v’c 1 0
15
0 0
vc 5
10
15
lg v
lg v
AC 、 ED：直线段
AB 、DE ：直线段
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流速从小到大 紊流 θ2 = 60.3~63.4°
体不同, 只要雷诺数相同, 则流动是动力相似。
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1. 雷诺实验 (Fig.4-2)
1.1 雷诺实验装置 (Fig.4-2/p.52) 1.2 实验操作过程： 流速从小到大=>层流、紊流(a,b,c) 1.3 实验结果： 两种流态：层流、紊流。
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雷诺实验揭示出
实际液体运动中存在两种不同型态： 层流和紊流 不同型态的液流，水头损失规律不同
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2. 紊流脉动
1.紊流脉动现象：fig.4-3
2.时间平均流速: ū x=(1/T) ∫T0 ux(t)dt
3.瞬时速度：ui= ūi + ui’ ( i=x,y,z )
雷诺兴趣广泛，一生著述很多，近70篇论文都有很
深远的影响。论文内容包括
力学
热力学
电学
航空学
蒸汽机特性等
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在流体力学方面最重要的贡献：
1883年 — 发现液流两种流态：
层流和紊流，提出以雷诺数判别
流态。
1883年 — 发现流动相似律
对于几何条件相似的流动，即使其尺寸、速度、流
液体以下管道的沿程损失：
液体以下管道时的沿程损失包括四段：
hf 1
hf 2
hf 3
hf 4
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液体经过时的局部损失：
液体经过时的局部损失包括五段：
进口、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
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总水头损失
1. 层流和紊流的判别标准的意义： 由于层流和紊流的水头损失各有不同的计算关系，
因此，计算前必须判断所研究水流的形态。 2. 雷诺数准则： 3. 圆管液流： 4. 非圆管液流：
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图4-2
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1.3 实验结果
层流：流速较小时，各流层的液体质点 有条不紊运动，相互之间互不混杂。
紊流：当流速较大时，各流层的液体质 点形成涡体，在流动过程中，互相混杂。
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沿程水头损失hf和平均流速v的关系