第4章 水头损失强烈推荐.ppt
合集下载
第四章_水头损失
2
4
1 4
d
1 2
r0
对于矩形：
R
bh b 2h
§4—3 恒定均匀流沿程水头损失 与切应力的关系
z1 p1
1 v1
2g
2
z2
p2
2v2
2g
2
hf
h f ( z1
p1
) (z2
p2
)
流段流动方向上的受力分析： 断面1上的总压力P1， 断面2上的总压力P2， 流段重量G的分力， 流段侧面切力T。 以上力共同作用下形成均匀流， 即诸力平衡。 τ 0：固体壁上 的平均切应力为
z1 ) ( p2 z2 )
P1 P2 G cos T 0 p 1 p 2 l z1 z 2 l
0 l 0
同除以γ ω 得：代入上式 ：
(
p1
0
l
0l R
均匀流基本方程 h f
0l R
0 R
2． 紊流脉动
ux u uy u uz u
x
u 'x u'y u 'z
y
z
u
x
1 T
T
0
u x ( t ) dt
在恒定水位下的水平圆管紊流，采用激光流速仪测得液体质点 通过某固定空间点A的各方向瞬时流速ux，uy对时间的关系曲线 ux(t)，uy(t)，这一结果就是紊流互相混掺的表现。 1 T / p p p p 0 pdt T 可以把 紊流运动 看作为一个 时间平均流动 加一个 脉动流动 的叠加。
第4章 水头损失 ppt课件
消耗一部分液流机械能，转化为热能而散失。
2020/12/27
第4章 水头损失
7
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
2020/12/27
第4章 水头损失
8
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。
hw
图4-1
2020/12/27
第4章 水头损失
19
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）
2020/12/27
第4章 水头损失
20
液流横向边界对水头损失的影响
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
2020/12/27
第4章 水头损失
15
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
2020/12/27
第4章 水头损失
16
12
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？
2020/12/27
石大水力学课件04液流形态及水头损失
p1A1 p2 A2 0 2 r0l 0
1
0 A1 P1
r0
又
A1
A2
2 0
，即
1
L
( z1
p1
)
(
z2
p2
)
0
2 r0l A
0 2l r0
(a)
联立上述方程（1）可得：
0
1 2
r0
hf l
1 2
r0
J
R0 J
——明渠均匀流基本公式
2 y r P2 A2
vx
2
14
式中：J——水力坡度， R——水力半径，
• 恒定均匀流的沿程水头损失
在均匀流中，有v1=v2，则 1-1
断面与2-2断面的能量方程
hf (z1 p1 ) (z2 p2 )
v2 2g
J
p1
Jp
v
Z1
(1)
L
hf
0
p2
Z2
(2)
O
O
说明： （1）在均匀流情况下，两过水断面间的沿程水头损失等于两过水断
面间的测压管水头的差值，即液体用于克服阻力所消耗的能
沿程水头损失（Frictional Head Loss）：由沿程阻力作功而引起的
水头损失称为沿程水头损失。
2、局部阻力和局部水头损失 局部阻力（Local Resistance）：液流因固体边界急剧改变而引起
速度分布的变化，从而产生的阻力称为局部阻力。
局部水头损失（Local Head Loss）：由局部阻力作功而引起的水
量全部由势能提供。
（2）总水头线坡度J沿程不变，总水头线是一倾斜的直线。
12
取断面1及2间的流体为控制体：
1
0 A1 P1
r0
又
A1
A2
2 0
，即
1
L
( z1
p1
)
(
z2
p2
)
0
2 r0l A
0 2l r0
(a)
联立上述方程（1）可得：
0
1 2
r0
hf l
1 2
r0
J
R0 J
——明渠均匀流基本公式
2 y r P2 A2
vx
2
14
式中：J——水力坡度， R——水力半径，
• 恒定均匀流的沿程水头损失
在均匀流中，有v1=v2，则 1-1
断面与2-2断面的能量方程
hf (z1 p1 ) (z2 p2 )
v2 2g
J
p1
Jp
v
Z1
(1)
L
hf
0
p2
Z2
(2)
O
O
说明： （1）在均匀流情况下，两过水断面间的沿程水头损失等于两过水断
面间的测压管水头的差值，即液体用于克服阻力所消耗的能
沿程水头损失（Frictional Head Loss）：由沿程阻力作功而引起的
水头损失称为沿程水头损失。
2、局部阻力和局部水头损失 局部阻力（Local Resistance）：液流因固体边界急剧改变而引起
速度分布的变化，从而产生的阻力称为局部阻力。
局部水头损失（Local Head Loss）：由局部阻力作功而引起的水
量全部由势能提供。
（2）总水头线坡度J沿程不变，总水头线是一倾斜的直线。
12
取断面1及2间的流体为控制体：
流体力学课件第四章流动阻力和水头损失
l v hf d 2g
2
r w g J 2
w v 8
定义壁剪切速度（摩擦速度） 则
w v
*
v v
*
8
§4-4 圆管中的层流
层流的流动特征
du dy
du du dy dr
du dr
g J
r 2
r du g J 2 dr
层流 紊流
§4-3 沿程水头损失与剪应力的关系
均匀流动方程式
P G cos P2 T 0 1
P p1 A1 1
P2 p2 A2
T w l
G cos gAl cos gA( z1 z2 )
w l p1 p2 ( z1 ) ( z2 ) g g gA
v2 hj 2g
§4-2 粘性流体的两种流态
两种流态
v小
' c
v小
v > vc
v大 v大
临界流速。 下临界流速 vc ——由紊流转化为层流时的流速称为下 临界流速。
vc' ——由层流转化为紊流时的流速称为上 上临界流速
vv
层流 紊流
' c
紊流 层流
a-b-c-e-f f-e-d-b-a
第四章 流动阻力和水头损失
水头损失产生的原因： 一是流体具有粘滞性， 二是流动边界的影响。
§4-1 流动阻力和水头损失的分类
沿程阻力和沿程水头损失
在边界沿程无变化（边壁形状、尺寸、过 流方向均无变化）的均匀流段上，产生的流动 阻力称为沿程阻力或摩擦阻力。由于沿程阻力 做功而引起的水头损失称为沿程水头损失。均 匀流中只有沿程水头损失 h f 。
流体力学课件第四章流动阻力和水头损失
p2 )
g
1v12
2g
2v22
2g
动量方程
p1A1 p2 A2 gA2l sin p1( A2 A1) Q(2v 2 1v1 )
p1A1 p2 A2 gA2l sin p1( A2 A1) Q(2v2 1v1 )
p2 A2
gA2l
z1
l
z2
p1 A2
Q(2v 2
1v1 )
v*
v* w
' 11.6
v*
紊 流 的 分 类
Re 小
' ks
' ks
Re 大
' ks
水力光滑管（区）
定
性
水力过渡管（区）
判 别
标
水力粗糙管（区）
准
§4-6 紊流的沿程水头损失
尼古拉兹实验
hf
l d
v2 2g
➢Ⅰ区，层流区(ab线)
Re 2300 64
Re
➢Ⅱ区，层流转变为紊流 的过渡区(bc线)
1 T
T
0 ux (t)dt
➢ 断面平均流速
v
1 A
A uxdA
➢瞬时压强、时均压强、 脉动压强
p p p'
p 1
T
p(t)dt
T0
紊流的剪应力
层流
du
dy
紊流
粘性剪应力
1
du dy
1 2
2
紊流附加剪应力
2
ux'
u
' y
l 2
du dy
混和长度 l y
——待定的无量纲常数
边界层
普朗特认为，像空气和水那样微小粘性的流体， 运动的全部摩擦损失都发生在紧靠固体边界的薄层内， 这个薄层叫做边界层
工程流体力学课件4流动阻力和水头损失
产生原因
流体流经局部障碍时，流动状态发生急剧变化，产生漩涡 和二次流，使得流体的速度分布和方向发生变化，导致水 头损失。
影响因素
局部障碍的形式、流体流速、流体性质等。
总水头损失
总水头损失
01
指流体在管道或渠道中流动过程中所损失的总水头，
等于沿程水头损失和局部水头损失之和。
计算方法
02 总水头损失等于沿程水头损失和局部水头损失的代数
水利工程中的流动阻力与水头损失分析
水利工程中的流动阻力来 源
在水利工程中，流动阻力主要来自水体与边 界的摩擦力、水流内部的各种阻力等。这些 阻力会导致水头损失，影响水利工程的正常 运行。
水头损失对水利工程效益 的影响
水头损失的大小直接影响到水利工程的效益 。在设计水利工程时，应充分考虑水头损失 的影响，合理选择水泵和水轮机的型号，确
保工程效益最大化。
THANKS
工程流体力学课件4流 动阻力和水头损失
目录
Contents
• 流动阻力的概念 • 水头损失的种类 • 流动阻力和水头损失的计算 • 工程实例分析
01 流动阻力的概念
定义与分类
定义
流动阻力是指流体在流动过程中受到的阻碍作用，导致流体机械能的损失。
分类
分为内阻力和外阻力。内阻力是由于流体内部摩擦力引起的，如层流内摩擦力 和湍流内摩擦力；外阻力是指流体在流动过程中受到的外部阻碍，如流体与管 道壁面的摩擦力。
计算公式
阻力系数通常通过实验测定，也可以通过经验公式进行估算。常用的经验公式有达西韦斯巴赫公式和莫迪图等。
影响因素
阻力系数的大小受到流体的物理性质、管道的几何形状和尺寸、流动状态等多种因素的 影响。在工程实际中，需要根据具体情况进行实验测定或经验估算。
流体流经局部障碍时，流动状态发生急剧变化，产生漩涡 和二次流，使得流体的速度分布和方向发生变化，导致水 头损失。
影响因素
局部障碍的形式、流体流速、流体性质等。
总水头损失
总水头损失
01
指流体在管道或渠道中流动过程中所损失的总水头，
等于沿程水头损失和局部水头损失之和。
计算方法
02 总水头损失等于沿程水头损失和局部水头损失的代数
水利工程中的流动阻力与水头损失分析
水利工程中的流动阻力来 源
在水利工程中，流动阻力主要来自水体与边 界的摩擦力、水流内部的各种阻力等。这些 阻力会导致水头损失，影响水利工程的正常 运行。
水头损失对水利工程效益 的影响
水头损失的大小直接影响到水利工程的效益 。在设计水利工程时，应充分考虑水头损失 的影响，合理选择水泵和水轮机的型号，确
保工程效益最大化。
THANKS
工程流体力学课件4流 动阻力和水头损失
目录
Contents
• 流动阻力的概念 • 水头损失的种类 • 流动阻力和水头损失的计算 • 工程实例分析
01 流动阻力的概念
定义与分类
定义
流动阻力是指流体在流动过程中受到的阻碍作用，导致流体机械能的损失。
分类
分为内阻力和外阻力。内阻力是由于流体内部摩擦力引起的，如层流内摩擦力 和湍流内摩擦力；外阻力是指流体在流动过程中受到的外部阻碍，如流体与管 道壁面的摩擦力。
计算公式
阻力系数通常通过实验测定，也可以通过经验公式进行估算。常用的经验公式有达西韦斯巴赫公式和莫迪图等。
影响因素
阻力系数的大小受到流体的物理性质、管道的几何形状和尺寸、流动状态等多种因素的 影响。在工程实际中，需要根据具体情况进行实验测定或经验估算。
农田水利幻灯片课件4章
2、PE管道与管件
（1）、PE(聚乙烯管)管道性能与规格 PE管道特点： ➢ 内壁光滑，阻力小 ➢ 连续管长,施工容易 ➢ 富有弹性,能适应地面的不均匀沉陷 ➢ 大多为黑色管,易腐蚀老化 ➢ 塑料管的连接：丝口连接、倒扣承插接、焊接(热连接) PE管道选择要求： ➢ 能承受一定的水压力 ➢ 耐腐蚀，抗老化 ➢ 规格齐全，管件配套 ➢ 管道及管件符合规定标准 ➢ 便于运输与安装 PE管件：弯头、三通、直接头、异径接头、螺纹接头
阀门上游到隔膜上腔之间有一个过水小孔，使进入上
游的水流入上腔，调节隔膜上、下游水压力。隔膜上
腔水可通过上腔与电磁头下的小孔流入下游。这样，
从阀门上游到下游之间有一个细小的过水通道，此通
道开与关，由电磁头上的金属塞控制。金属塞落下由
通道关闭，上升由开启。此通道如打开，上游的水流
向下游（微小流量），导致隔膜上腔压力小于隔膜下
喷水效果
F4系列草坪专用喷头
橡皮盖
摇臂旋转喷头
46H系列全圆摇臂喷头
可广泛应用于农业大田灌溉及果园高空喷灌
2、喷头的性能
（1）、喷头流量
是指喷头在单位时间内，喷射出来的水体积。 表示符号：q 常用单位： m3/h 有时也用L/s表示 转换关系： 1L/s＝3.6 m3/h
测定方法：常采用体积法，循环水池三角堰或水表测定。
此即为20%规则
二、分支管道水力计算
5
4 3 2 1
？ ？
第二节 喷灌
一、喷灌设备
喷头 管道 闸阀 水泵 水源过滤设备 微灌灌水器
（一）、喷头
喷头是喷灌机与喷灌系统的重要组成部分。
它的作用是把有压水流喷射到空中，散成细小的水滴，并均匀 喷洒在灌溉土地上。
第四章流动阻力与水头损失重点讲义精品PPT课件
m tan
4.4.3 湍流形成过程的分析 雷诺试验表明层流与湍流的主要区别在于湍流时各流层之 间液体质点有不断地互相掺混作用，而层流则无。涡体的 形成是混掺作用的根源。 涡体的形成过程： ➢ 粘滞流体流速分布不均匀，使得选定流层所受到的粘滞切
应力，有构成力矩，使流层发生旋转的倾向。
外界的微小扰动或来流中残存的扰动，在 流层中引起局部性的波动，从而使局部流 速的压强产生调整。
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。
QV t
颜色水
l
hf
层流：各流层的液体质点有条不紊运动， 相互之间互不混杂。
QV t
颜色水
l
hf
QV t
紊流：各流层的液体质点形成涡体， 在流动过程中，互相混杂。
lg hf lg hf
35
流速从小到大
30
E
25
D
20
15
10 A B
C
5
lg v
35 30
流速从小到大 流速从大到小
紊流 E
θ2 = 60.3~63.4° m = 1.75~2.00
25
D θ2＝ 60.3°～63.4°
20
lg hf
15
B
C
10 A
5
θ1＝ 45°
层流 过渡 紊流
0
0
vC5 v’C 10
lg v
层流 θ1 = 45° m= 1
lg hf lg k m lg v 15 hf kv m
0 0
vC5 v’C10
15
lg v
35
流速从小到大
30
流速从大到小 E
lg hf
25
D
4.4.3 湍流形成过程的分析 雷诺试验表明层流与湍流的主要区别在于湍流时各流层之 间液体质点有不断地互相掺混作用，而层流则无。涡体的 形成是混掺作用的根源。 涡体的形成过程： ➢ 粘滞流体流速分布不均匀，使得选定流层所受到的粘滞切
应力，有构成力矩，使流层发生旋转的倾向。
外界的微小扰动或来流中残存的扰动，在 流层中引起局部性的波动，从而使局部流 速的压强产生调整。
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。
QV t
颜色水
l
hf
层流：各流层的液体质点有条不紊运动， 相互之间互不混杂。
QV t
颜色水
l
hf
QV t
紊流：各流层的液体质点形成涡体， 在流动过程中，互相混杂。
lg hf lg hf
35
流速从小到大
30
E
25
D
20
15
10 A B
C
5
lg v
35 30
流速从小到大 流速从大到小
紊流 E
θ2 = 60.3~63.4° m = 1.75~2.00
25
D θ2＝ 60.3°～63.4°
20
lg hf
15
B
C
10 A
5
θ1＝ 45°
层流 过渡 紊流
0
0
vC5 v’C 10
lg v
层流 θ1 = 45° m= 1
lg hf lg k m lg v 15 hf kv m
0 0
vC5 v’C10
15
lg v
35
流速从小到大
30
流速从大到小 E
lg hf
25
D
工程流体力学课件4流动阻力和水头损失
第一节 流动阻力和 水头损失的分类
一、损失分类及计算
沿程损失：
在均匀流中，流体所承受的阻力只Biblioteka 不变的摩擦阻力，称为沿程阻力。发
生在均匀流段上，由沿程阻力产生的
水头损失。
以 hf 表示
hf
l d
v2 2g
或
pf
l
d
v2
2
在非均匀流动中，各流段所形成的阻
力是各种各样的，但都集中在很短的
局部损失： 流段内，这种阻力称为局部阻力。发
1）改变流速 vRke11.4m/s
d
2）提高水温改变粘度
vd0.00c8m2/s
Re
精选ppt
19
第三节 均匀流的沿程水头损失
一、均匀流基本方程
A p1A
τ0 z1
l
α
G
z2
0
对流体中一有限体进行受力分析
流股本身的重量
p2A
G co g s c A o g ls ( z 2 A z 1 )
层流
紊流
层流
紊流
Re
上临界雷诺数 ReC
12000-40000
Re
ReC 2000下临界雷诺数
对圆管：
Rek
vkd
2000
d — 圆管直径
对非圆管断面：
Rek
vkR 500
R — 水力半径
对明渠流：
Rek
vkR 300
R — 水力半径
对绕流现象：
Re k
vkl
L — 固体物的特征长度
对流体绕过球形物体：
Rek
vkd
1
d — 球形物直径
【例】水和油的运动粘度分别为 11.7 9 1 0 6m 2/s 23 01 0 6m 2/s若它们以 v0.5m/s的流速在
第四章流动阻力和水头损失文稿演示
第四章流动阻力和水头损失文稿演示
优选第四章流动阻力和水头损失
章节结构
§3：伯努利方程阻力损失hw
§4.1：阻力产生原因及分类
hw hf hj
§4.2~4.7：沿程水头损失
hf
L d
v2 2g
λ：沿程水头损失系数
§4.8：局部水头损失
hj
v2 2g
ζ：局部水头损失系数
§4.2： λ与流态有关 §4.3、 4.5：层流流态情形 §4.4 、4.6、4.7 ：紊流流态情形
• 因此，要讨论水流流动时的速度分布及阻力损失规律，必须首先对水 流流态有所认识并加以判别——雷诺（Reynolds）实验。
第四章 流动阻力和水头损失
一、流态转化演示实验：雷诺（Reynolds）实验
• 1883年，雷诺（Reynolds）通过实验揭示了不同流态的流动实质。实 验装置如图所示。
• 实验结论 1： 当流速较小时，各流层流体质点互相平行前进，质点间互不干扰， 没有横向位置的交换。流动状态主要表现为质点摩擦——层流流态。 第四章 流动阻力和水头损失
第四章 流动阻力和水头损失
掌握
§4.1 流动阻力产生的原因及分类
一、阻力产生的原因：
– 外因： 1. 断面面积及几何形状 2. 管路长度 3. 管壁粗糙度
– 内因： 1. 运动流体内部质点之间的相互摩擦，产生动量交换。 2. 运动流体内部质点之间的相互碰撞，产生动量交换。
第四章 流动阻力和水头损失
• 外因： 1. 断面面积及几何形状
– 面积：A
– 湿周： ——过流断面上与流体相接触的固体边界的长度
– 水力半径：R A/ ——断面面积和湿周长度之比
i 求（1）圆管、（2）套管、（3）矩形渠道的水力半径：
优选第四章流动阻力和水头损失
章节结构
§3：伯努利方程阻力损失hw
§4.1：阻力产生原因及分类
hw hf hj
§4.2~4.7：沿程水头损失
hf
L d
v2 2g
λ：沿程水头损失系数
§4.8：局部水头损失
hj
v2 2g
ζ：局部水头损失系数
§4.2： λ与流态有关 §4.3、 4.5：层流流态情形 §4.4 、4.6、4.7 ：紊流流态情形
• 因此，要讨论水流流动时的速度分布及阻力损失规律，必须首先对水 流流态有所认识并加以判别——雷诺（Reynolds）实验。
第四章 流动阻力和水头损失
一、流态转化演示实验：雷诺（Reynolds）实验
• 1883年，雷诺（Reynolds）通过实验揭示了不同流态的流动实质。实 验装置如图所示。
• 实验结论 1： 当流速较小时，各流层流体质点互相平行前进，质点间互不干扰， 没有横向位置的交换。流动状态主要表现为质点摩擦——层流流态。 第四章 流动阻力和水头损失
第四章 流动阻力和水头损失
掌握
§4.1 流动阻力产生的原因及分类
一、阻力产生的原因：
– 外因： 1. 断面面积及几何形状 2. 管路长度 3. 管壁粗糙度
– 内因： 1. 运动流体内部质点之间的相互摩擦，产生动量交换。 2. 运动流体内部质点之间的相互碰撞，产生动量交换。
第四章 流动阻力和水头损失
• 外因： 1. 断面面积及几何形状
– 面积：A
– 湿周： ——过流断面上与流体相接触的固体边界的长度
– 水力半径：R A/ ——断面面积和湿周长度之比
i 求（1）圆管、（2）套管、（3）矩形渠道的水力半径：
第4章--水头损失PPT优秀课件
总水头线
v12 2g
hj
v22
2g
测压管水头线
v1
v2
28
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：
29
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
33
1.1 雷诺实验装置 颜色水
D F
E
A
l
hf
B C
Q V t
34
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
35
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
分布沿程急剧变化而引起的水头损失；叫做局部 水头损失。
11
突然管道缩小
漩涡区
12
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？
13
管道转弯处
弯道转弯 漩涡区
14
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
水力学课件 第4章层流和紊流、液流阻力和水头损失
13
实验结果——关于流态
1. vc΄> vc 2. v< vc 为层流
v > vc΄ 为紊流 3. vc <v< vc΄ 为过渡区
14
实验结果——关于hf与v的关系 lg hf lg k m lg v
取反对数得：hf kvm
AB段 (层流)：
m 1(1 45 ) ; hf ~ v1
DE段 (紊流)：
（2）紊流过渡粗糙区 （ , Re)
d
结论：
① 沿程水头损失系数既和Re有关也 和相对粗糙度有关
4.9.1人工粗糙管的试验研究— 尼古拉兹试验
3紊流区 lg Re 3.6
(3)紊流粗糙区
()
d
结论：
① λ和Re无关，只和相对粗糙度有关； ② hf是v的2次方
讨论
紊流分区与壁面分类关系:
Re vd
——雷诺数
Rec
vc d
为下临界雷诺数；
Rec
vcd
为上临界雷诺数。
G
对于圆管，临界雷诺数相对稳定：
Rec 2300
17
雷诺数的物理意义：惯性力与粘性力的比
F
V
dv dt
L3 U T
L2U 2
UL
T A du L2 U LU
dy
L
对于非圆管：
Re vR
过 水 断 面 上 ， 水 流 与 固 体 边 界 接 触 的 长 度 ， 称 为 湿 周 ， 用 表 示 。
l
( z1
p1 g
)
(z2
p2 g
)
'
l
gA' gR'
( z1
p1 g
)
实验结果——关于流态
1. vc΄> vc 2. v< vc 为层流
v > vc΄ 为紊流 3. vc <v< vc΄ 为过渡区
14
实验结果——关于hf与v的关系 lg hf lg k m lg v
取反对数得：hf kvm
AB段 (层流)：
m 1(1 45 ) ; hf ~ v1
DE段 (紊流)：
（2）紊流过渡粗糙区 （ , Re)
d
结论：
① 沿程水头损失系数既和Re有关也 和相对粗糙度有关
4.9.1人工粗糙管的试验研究— 尼古拉兹试验
3紊流区 lg Re 3.6
(3)紊流粗糙区
()
d
结论：
① λ和Re无关，只和相对粗糙度有关； ② hf是v的2次方
讨论
紊流分区与壁面分类关系:
Re vd
——雷诺数
Rec
vc d
为下临界雷诺数；
Rec
vcd
为上临界雷诺数。
G
对于圆管，临界雷诺数相对稳定：
Rec 2300
17
雷诺数的物理意义：惯性力与粘性力的比
F
V
dv dt
L3 U T
L2U 2
UL
T A du L2 U LU
dy
L
对于非圆管：
Re vR
过 水 断 面 上 ， 水 流 与 固 体 边 界 接 触 的 长 度 ， 称 为 湿 周 ， 用 表 示 。
l
( z1
p1 g
)
(z2
p2 g
)
'
l
gA' gR'
( z1
p1 g
)
流体力学水力学流动阻力和水头损失ppt课件
均匀流中水流产生的阻力为摩擦阻力能量损失为沿程水头损失h非均匀流中水流产生的阻力为摩擦阻力和压差阻力其产生的能量损失为局部水头损滞止离解压差阻力惯性离解压差阻力惯性离解压差阻力42实际液体流动的两种形态421雷诺试验10422流态的判别雷诺数雷诺数
第四章
流动形态及其水头损失
1
§4.1 流动阻力和水头损失的分类
A 0 .07
＝0.0210
d 0.3
0 .021 0 .3 0.3
＝0.0301
hf
l 2
d 2g
10001.422
0.0301 0.3 29.8
10.3m
44
一 钢 筋 混 凝 土 ，衬 直1砌 .5径 m， 隧1长 洞 km，
通 过 流 为10量 m3/s,流 动 在 水 力 粗
y
u
0
积分常数r：r0时 当， u0,
所以 c4Jr02
17
得： u4J(r02 r2)
当r
0时，
流速有最大值: umax
J 4
r02
圆管均匀层流的断面平均流速：
1 udA AA
1r02
r0 0
4J(r02
r2)(2rd)r
J 8
r
摩擦阻力： 流体有粘滞性和横向流速梯度，
流动阻力 产生摩擦阻力。
压差阻力： 局部地区固体边界的形状或
大小有急剧改变，或有局部障碍， 液流内部结构产生离解和漩涡，流 线弯曲，流速分布改变，增加了液 流的相对运动，产生压差阻力。
2
沿程水头损失hf ： 均匀流中，水流产生的阻
水头损失
力为摩擦阻力，能量损失为沿程 水头损失hf。
第四章
流动形态及其水头损失
1
§4.1 流动阻力和水头损失的分类
A 0 .07
＝0.0210
d 0.3
0 .021 0 .3 0.3
＝0.0301
hf
l 2
d 2g
10001.422
0.0301 0.3 29.8
10.3m
44
一 钢 筋 混 凝 土 ，衬 直1砌 .5径 m， 隧1长 洞 km，
通 过 流 为10量 m3/s,流 动 在 水 力 粗
y
u
0
积分常数r：r0时 当， u0,
所以 c4Jr02
17
得： u4J(r02 r2)
当r
0时，
流速有最大值: umax
J 4
r02
圆管均匀层流的断面平均流速：
1 udA AA
1r02
r0 0
4J(r02
r2)(2rd)r
J 8
r
摩擦阻力： 流体有粘滞性和横向流速梯度，
流动阻力 产生摩擦阻力。
压差阻力： 局部地区固体边界的形状或
大小有急剧改变，或有局部障碍， 液流内部结构产生离解和漩涡，流 线弯曲，流速分布改变，增加了液 流的相对运动，产生压差阻力。
2
沿程水头损失hf ： 均匀流中，水流产生的阻
水头损失
力为摩擦阻力，能量损失为沿程 水头损失hf。
第4章水流阻力和水头损失
1 2
p1 p2 h f z1 z2 g g
1
2
1
2 τ0
P 1 p1 A 1 P2 p2 A2
面积
1 Z1 L
F L 0
2
Z2 O
τ0 G=ρgAL
湿 周
O
列流动方向的平衡方程式： 水力半径——过水断面面积与 湿周之比，即A/χ
vk d
vk d
2300
若Re<Rek
1.0 h V ，水流为层流， f
1.75~2.0 若Re>Rek，水流为紊流， hf V
公式只适用于圆管，对于非圆管用当量直径来实现， 如下：
湿周： 过水断面中液体与固体接触的边界长度 水力半径：R
非圆管
A
A
d
2
对于圆管水力半径
雷诺数可理解为水流惯性力和粘滞力量纲之比 量纲：称为因次，指物理量的性质和类别，例如 长度和质量，分别用[L]和[M]表达
[V ] [惯性力]=[m][a]=[ ][L ] [ ][ L2 ][V 2 ] [T ] du 2 [V ] [粘性力] [ ][ A][ ] [ ][ L ] [ ][V ][ L] dy [ L]
3
量纲为
[惯性力] [ ][ L ][V ] [ ][ L][V ] [粘带力] [ ][V ][ L] [ ]
2 2
几个基本概念
层流底层、过渡层和紊流核心
§4.3 均匀流基本方程
1、沿程水头损失与切应力的关系
列1-1、2-2断面伯努利方程式：
2 p1 1v12 p2 2 v2 z1 z2 hf g 2g g 2g
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
伯努利方程
z1
p1
1v12
2g
z2
p2
2v22
2g
h
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。
..........
3
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。
工程流体力学—水力学
浙江工商大学 《工程流体力学》课程组
..........
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
..........
2
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。
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
..........
18
总水头损失
hw
图4-1
..........
19
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）
..........
13
管道转弯处
弯道转弯
漩涡区
..........
14
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
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
..........
15
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
..........
16
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
..........
17
液体经过时的局部损失：
v1v1
2
τ0
G
v2
1
1
α
v2 v2
l
l
P2
2
v1 v2 J // J p // 底坡
0
v1 v2 J // J p
2
0
..........
27
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;
24
梯形断面明 渠
a
(b 2mh b)h (b mh)h
2
m=tgθ
a h
b
b 2 h2 (hm)2 b 2h 1 m2
R (b mh)h b 2h 1 m2
..........
25
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。
hf ∝ s
..........
9
均匀管道：
u
..........
10
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。
...ห้องสมุดไป่ตู้......
11
突然管道缩小
漩涡区
..........
12
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？
..........
20
液流横向边界对水头损失的影响
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。
..........
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。
..........
26
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
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
..........
4
§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 ?
..........
5
u(y)
流线
流速分布
理想液体： 运动时没有相对运动，流速是均匀分布，无流速
物理性质—— 粘滞性
固体边界——
相对运动
du dy
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
..........
8
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。
梯度和粘性切应力，因而，也不存在能量损失 。
..........
6
y
切
应
力
流速分布
分
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，
消耗一部分液流机械能，转化为热能而散失。
..........
7
水头损失hw
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
测压管水头线
v1
v2
..........
28
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：
21
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:
R
..........
22
例 子：
管道
d2 R 4 d
d
d 4
..........
23
矩形断面明渠
R bh b 2h
h b
..........