4.1 流动阻力和水头损失概念——学习材料

学习单元一、流动阻力和水头损失概念
动阻力和能量损失的分类
在工程的设计计算中，根据流体接触的边壁沿程是否变化，把能量损失分为两类：沿程能量损失h f和局部能量损失h j。

它们的计算方法和损失机理不同。

流体流动的边壁沿程不变(如均匀流)或者变化微小(缓变流)时，流动阻力沿程也基本不变，称这类阻力为沿程阻力。

由沿程阻力引起的机械能损失称为沿程能量损失，简称沿程损失。

由于沿程损失沿管段均布，即与管段的长度成正比，所以也称为长度损失。

当固体边界急剧变化时，使流体内部的速度分布发生急剧的变化。

如流道的转弯、收缩、扩大，或流体流经闸阀等局部障碍之处。

在很短的距离内流体为了克服由边界发生剧变而引起的阻力称局部阻力。

克服局部阻力的能量损失称为局部损失。

流动过程的局部水头损失只发生在局部变化处。

损失产生的原因
产生水头损失的原因主要有两方面：内部原因和外部原因。

引起水头损失的内因是液体本身的粘滞性，由于内摩擦力的存在造成流动时液体克服摩擦力做功而造成机械能的下降，而引起能量损失。

液体具有粘滞性是造成能量损失的根本性原因。

引起水头损失的外部原因主要受到和液体接触的固体边界的作用和变化。

液体在不同边界条件下的水头损失是不一样的。

当边界发生局部剧烈变化的时候会产生比较强烈的能量损失。

损失大小的计算
在理论上计算液体运动的能量损失比较困难，目前大多说计算方法都是基于实验的研究结果，为了便于利用能量方程，人为的将液体的水头损失表示成速度水头的倍数形式，提出了计算水头损失的基本计算公式。

1． 沿程水头损失：
g v d l h f 22
λ= 上是法国工程师达西根据自己1852—1855年的实验结论，在1857 年归结的达西公式，公式中的λ称为液体流动时管道上的沿程能量损失系数（或者沿程阻力系数）。

2． 局部水头损失
g v h j 22
ζ= 式中ζ称为流动局部变化处的局部水头损失系数。

3． 两个断面之间的总水头损失
对于恒定总流两过流断面1-1和2-2之间，如果需要经历若干段沿程阻力系数不同的流段，同时要经历若干个局部变化。

则根据上述水头损失的表示方法，在这两个断面之间所产生的总水头损失21-w h 等于所有的沿程能量损失和局部损失之和：写成下式：
∑∑∑∑+=+=-g v g v d l h h h i i i i j f w 222221ζλ
由此可知要解决水头损失大小的核心问题就是解决沿程阻力系数和局部阻力系数的计算和确定过程，这是本章的主要目的。

断面的水力特征
过水断面的水力特征对液体流动水力损失有很大的影响，在相同的断面面积和流量时，如果断面上和液体接触的周长越长，产生的摩擦面积和摩擦阻力越大故能量损失越大。

过水断面的水力特征通常采用断面的湿周和水力半径这两个水力要素来表示：
湿周：液流过水断面与固体边界接触的周界线χ。

水力半径： 过水断面面积与断面湿周的比值
χA R =
如圆管有压流动，其水力半径为442
d d d A R ===ππχ。