第四章水流形态与水头损失

层流:流速较小时， 层流:流速较小时，水流质点作有条不紊的线 状运动，水流各层质点互不混掺。 状运动，水流各层质点互不混掺。 紊流:流速较大时， 紊流:流速较大时，水流质点的运动轨迹互 相混杂，极不规则，没有确定的规律性。 相混杂，极不规则，没有确定的规律性。
2、水流型态的判别——雷诺数 水流型态的判别——雷诺数 —— 1）雷诺数
l v2 hf = λ d 2g
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四、沿程水头损失的计算 沿程水头损失的计算
1. 沿程水头损失计算公式
l v2 hf = λ 4R 2g
圆管： 圆管： 处于不同流态和边界条件，水流的 值不同 值不同。 处于不同流态和边界条件，水流的λ值不同。
沿程水头损失系数的变化规律
尼古拉兹实验： 尼古拉兹实验：
2.沿程水头损失系数的变化规律： 2.沿程水头损失系数的变化规律： 沿程水头损失系数的变化规律
从水池接出一管路， 例 3 ： 从水池接出一管路 ， 布置如图所 若已知： 150mm mm、 25m 03； 示。若已知：d1=150mm、ll=25m、λ1=0.03； 100mm mm、 10m =O.04， d2=100mm、l2=10m、λ2=O.04，需要输送流量 Q=25 25L 求沿程水头损失h Q=25L／s，求沿程水头损失hf。
vd
4
4Q 4 × 0.25 ×10 −3 Re = = = = 9724 > Re k = 2000 −2 −6 ν πdν 3.14 × 2.5 × 10 × 1.31× 10
结论：紊流 结论：
例2：有一混凝土衬砌的引水隧洞，糙率n=0.014， 有一混凝土衬砌的引水隧洞，糙率n=0.014， n=0.014 洞径d=2.0m d=2.0m， L=1000m， 洞径d=2.0m，洞长 L=1000m，求引水隧洞通过流量 /s时的沿程水头损失 时的沿程水头损失。 Q=5.65m3/s时的沿程水头损失。 解：
——舍齐公式 舍齐公式 2.水头损失的计算 2.水头损失的计算 公式： 公式：
V2L
h f= hf
L
C2R R1/6
=
C=
n
C=
8g
λ
公式使用条件：紊流粗糙区（阻力平方区） 公式使用条件：紊流粗糙区（阻力平方区）
六、局部水头损失的计算
1.局部水头损失产生的原因 1.局部水头损失产生的原因 局部水头损失产生于边界发生明显改变的地 使水流形态发生了很大的变化。 方，使水流形态发生了很大的变化。其特点为能 耗大、能耗集中。 耗大、能耗集中。 2.局部水头损失计算公式 局部水头损失计算公式
3.沿程水头损失系数的变化规律： 3.沿程水头损失系数的变化规律： 沿程水头损失系数的变化规律 紊流状态(Re (Re＜ 3）紊流状态(Re＜4000)
紊流光滑区：类似于层流， 只与Re Re有关而与 紊流光滑区：类似于层流，λ只与Re有关而与 相对粗糙度△/d无关 无关。 相对粗糙度△/d无关。 紊流粗糙区： Re无关 无关， 紊流粗糙区 ： λ 与 Re 无关 ， 只与相对粗糙度 Δ/d有关 与流速v Δ/d有关 ，而且水头损失hf与流速v的二次方成正 所以紊流粗糙又称为阻力平方区。 比，所以紊流粗糙又称为阻力平方区。 紊流过渡区： 既与Re有关，也与Δ/d有关。 紊流过渡区：λ既与Re有关，也与Δ/d有关。 Re有关 Δ/d有关
农田水利中的节水灌溉管网——喷灌系统 喷灌系统 农田水利中的节水灌溉管网
学习要点
1．理解水头损失产生原因和分类。 理解水头损失产生原因和分类。 掌握液体运动两种形态和判别方法。 2．掌握液体运动两种形态和判别方法。理解雷 诺数Re的物理意义。 Re的物理意义 诺数Re的物理意义。 掌握沿程水头损失变化规律和确定方法。 3．掌握沿程水头损失变化规律和确定方法。重 点掌握达西公式。 点掌握达西公式。 掌握局部水头损失的计算方法。 4．掌握局部水头损失的计算方法。
一、能量损失产生的原因
水头损失：液体在流动过程中单位重量液 水头损失： 体克服阻力做功所消耗的能量。 体克服阻力做功所消耗的能量。 能量损失h 能量损失hw 沿程水头损失h 沿程水头损失hf 局部水头损失h 局部水头损失hj
二、能量损失的分类： 能量损失的分类：
1.沿程阻力和沿程水头损失 1.沿程阻力和沿程水头损失
2.局部阻力和局部水头损失 2.局部阻力和局部水头损失
局部阻力： 局部阻力：在固体边界急剧变化的局部流动区域出 现较集中的阻力，这种阻力称为局部阻力。 现较集中的阻力，这种阻力称为局部阻力。 局部水头损失： 局部水头损失： 克服局部阻力做功 而引起的能量损失称 为局部水头损失。 为局部水头损失。
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V2L V=C R J
h f=
C2R
典型例题
cm， 25L/s L/s， 例1：管道直径 d = 2.5cm，通过流量 Q = 0.25L/s， 水温T 试判断管中水流流态。 水温T＝100C。试判断管中水流流态。 已知水温 水温T 查表得水的运动粘滞系数ν 解：已知水温T＝100C，查表得水的运动粘滞系数ν /s。 = 1.31x10－6m2/s。 Q Q 4Q 4Q v= = = 2 管内流速： 管内流速： 2 A πd πd 雷诺数： 雷诺数：
4.紊流沿程水头损失系数的确定： 4.紊流沿程水头损失系数的确定： 紊流沿程水头损失系数的确定
（1）紊流光滑区 0.316 λ= 伯拉修斯经验公式： 伯拉修斯经验公式： Re
0.25
尼古拉兹公式： 尼古拉兹公式：
明流 管流
1
= 2 lg(Re λ ) + 0.398 λ 1 = 2 lg(Re λ ) − 0.8 λ
1.明渠均匀流的流速 1.明渠均匀流的流速 计算公式： 计算公式：
V=C R J C——舍齐系数 R——水力半径 J——水力坡度 V——断面平均流速 n——粗糙系数
——舍齐公式 舍齐公式
五、沿程水头损失的经验公式
1.明渠均匀流的流速 1.明渠均匀流的流速 计算公式： 计算公式：
V=C R J C——舍齐系数 R——水力半径 J——水力坡度 n——粗糙系数 J
圆管水流： 圆管水流：
v
d
－－流速 －－流速 －－直径 －－直径
－－运动粘滞系数 ν －－运动粘滞系数
2、水流型态的判别——雷诺数 水流型态的判别——雷诺数 —— 1）雷诺数
明渠水流： 明渠水流：
v
－－流速 －－流速
－－运动粘滞系数 ν －－运动粘滞系数
－－水力半径 R －－水力半径
2、水流型态的判别——雷诺数 水流型态的判别——雷诺数 ——
（2）紊流过渡区 --怀公式 怀公式： 柯--怀公式： （3）紊流粗糙区 尼古拉兹公式： 尼古拉兹公式： 管流
1
λ
= 2 lg(
∆ 2.51 + ) Re λ 3.7d
1
λ=
d 2 lg(3.7 ) ∆
2
明流
λ=
1 11.5R 2 lg( ) ∆
2
五、沿程水头损失的经验公式
沿程阻力：边界顺直， 沿程阻力：边界顺直，水 流稳定， 流稳定，水流内摩擦力 沿流程不变。 沿流程不变。我们将沿 程均匀分布的水流内摩 擦力称为沿程阻力。 擦力称为沿程阻力 沿程水头损失： 沿程水头损失：克服沿程 阻力做功而引起的能量 损失称为沿程水头损失。 损失称为沿程水头损失。
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二、能量损失的分类： 能量损失的分类：
v2 n 2v 2 hf = 2 l = 4 l C R R3
Q 4Q 4 × 5.65 v= = 2 = = 1.8m / s 2 A πd 3.14 × 2 A d R = = = 0.5m χ 4
hf =
n 2v 2 R
4 3
l=
0.014 2 ×1.82 0.5
4 3
×1000 = 1.625m
h j = ζ 2g
υ2
3.其它常用的局部水头损失系数(规范) 3.其它常用的局部水头损失系数(规范) 其它常用的局部水头损失系数
分离区 分离区 分离区
突然扩大
分离区
三通汇流
闸阀
分离区
分离区
分离区
突然缩小
管道弯头
管道进口
本章重点
1.产生水头损失的原因：内因、 1.产生水头损失的原因：内因、外因 产生水头损失的原因 2.熟练掌握流态判别标准 雷诺数Re 熟练掌握流态判别标准： 2.熟练掌握流态判别标准：雷诺数Re 3.熟练掌握沿程损失和局部损失的计算方法 熟练掌握沿程损失和局部损失的计算方法： 3.熟练掌握沿程损失和局部损失的计算方法： l v2 υ2 hf = λ hj = ζ hw = Σh f + Σh j 2g d 2g 4.理解沿程阻力系数的确定方法： 4.理解沿程阻力系数的确定方法：尼古拉兹实验 理解沿程阻力系数的确定方法 5.理解局部阻力系数的确定方法 理解局部阻力系数的确定方法： 5.理解局部阻力系数的确定方法：查表 6.掌握舍齐公式计算明渠的流速和水头损失 掌握舍齐公式计算明渠的流速和水头损失： 6.掌握舍齐公式计算明渠的流速和水头损失：
常见的局部水头损失
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h ja
v1 2g
2
h jb
h f ab
h jc
v2 2g
2
h f bc h f cd
h fab
总水头损失h 沿程损失∑ 局部损失∑ 总水头损失hw=沿程损失∑hf+局部损失∑hj
三、水流型态和判别标准
雷诺实验： 雷诺实验：
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三、水流型态和判别标准
水流型态—— ——层流和紊流 1. 水流型态——层流和紊流
层流状态(Re 2000) (Re＜ 1）层流状态(Re＜2000)
λ=
64 Re
层流的λ仅是Re的函数， Re的函数 层流的λ仅是Re的函数，而且水头损失hf与流 的一次方成正比。 速v的一次方成正比。 2）过渡区(2000＜Re＜4000) 过渡区(2000＜Re＜ (2000 过渡区λ仅与Re有关， Re有关 过渡区λ仅与Re有关，而与相对光滑度 无关。 无关。
第4章 水流形态与水头损失
主讲老师： 主讲老师：柳素霞
能量损失在工程中的应用（ 能量损失在工程中的应用（一）
水利工程中的泄洪
能量损失在工程中的应用（ 能量损失在工程中的应用（二）
水利工程中的输水渠道
能量损失在工程中的应用（ 能量损失在工程中的应用（三）
市政工程中的管网水力计算
来自百度文库
能量损失在工程中的应用（ 能量损失在工程中的应用（四）
2)流态判别标准： 2)流态判别标准： 流态判别标准
临界雷诺数 Rek ：层流和紊流流态转 化时的雷诺数称为临界雷诺数。 化时的雷诺数称为临界雷诺数。 管流： 管流： Rek=2000 明槽： 明槽： Rek=500 层流和紊流判别： 层流和紊流判别： 层流： 层流： Re < Re k 紊流： 紊流： Re > Re k