《管道水力学原理》课件

管道水力学原理
自然状况下：水往低处流
施压条件下：任何位置流动 能量高的位置→ 低
草坪的灌溉系统 — 压力灌溉系统 — 管壁摩擦 — 消耗压力水流能量 — 减少流动高度 了解管道消耗压力水流能量的规律 → 确定管道铺 设长度、断面尺寸、流量大小、管道提供压力范围
管道水流及其能量
一. 管道水流 在水力学中，指管道横断面为圆形、水完全充满管道 并具有一定压力的管道水流。 管道横断面上的平均流速：
管道断面渐变小或扩大：
管道转弯
转弯角度为90°并光滑地转 弯，局部阻力系数与管道转 弯半径与管道直径的比值有 关
管道分叉
管道闸阀 闸阀的局部损失比较大，取决于闸阀类型和开度。
紊流平滑区的沿程阻力系数计算公式：
适用于Re<105的紊流平滑区
紊流过渡区
随着雷诺数的增大，黏性底层厚度相对减薄， 以致不能淹没管壁粗糙度。沿程阻力系数不仅与雷 诺数有关，而且与管壁粗糙度有关。用可里布鲁克 (Colebrook)公式计算：
紊流粗糙区
当雷诺数继续增大，黏性底层继续变薄，紊流 绕过壁面突出高度时已形成小漩涡，此时管壁粗糙 度对沿程阻力系数起主要作用，与雷诺数无关。
水头：能头，用几何高度表示能量的大小。
具有长度单位。 动能 — 水流运动；势能 — 位置高度；
压能 —管道断面压强
断面总水头：总机械能，3种能量水头的和。
摩擦和紊动消耗部分能量，导 致能量损失 — 水头损失 水头第1断面 > 第2断面 水流 能量高的断面→ 低的断 面
能量方程（伯努利方程）：
第二节 水头损失与计算
2. 部分管道连接部位的局部阻力系数 绝大多数的局部水头损失要通过实验确定， 因此计算中必须参照现有的局部水头损失计 算图表。 不同管道进口形式的局部阻力系数
≈0.5
≈1.0
≈0.04 =0.5+033cosa + 0.2cos2a
管道断面突然减少与扩大 管道断面突然减少或扩大：
突然扩大的局部水头损失等于两个断面流速差的 流速水头。
二. 管道水流流态 管道中流动的水分为层流和紊流两种流态。 层流：当管道流速较小时，流体中液体质点彼此互不混杂， 质点运动轨迹呈有条不紊的线状形态的流动。流体质点沿 着与管轴平行的方向作平滑直线运动。 紊流：速度、压强等流动要素随时间和空间作随机变化，质 点轨迹曲折杂乱、互相混掺的流体运动。 由层流过渡到紊流与管道直径、管内流速、液体密度和液体 黏滞性有关。黏滞性越小，越容易发生紊流。 黏滞性：流体企图阻止外力作用下流体流动的特性。
一. 水头损失及分类
单位重量液体机械能的损失。 沿程水头损失 水流边界形状和大小沿程不 变，水流在长且直的流段中发生的 水头损失。hf表示。单位长度上损 失相等，与管道长度成正比。 局部水头损失 水流边界形状或大小沿流程 急剧变化所产生的水头损失。hj
水头损失
水流流经整个流程的水头损失：
二.沿程水头损失计算理论
3. 紊流的沿程阻力系数 Re > 2000时 紊流：速度和雷诺数变化范围大， 较小雷诺数和较大雷诺数时的沿程阻力系数不同， 需分区计算。 根据管壁粗糙度是否对水流影响，将紊流分为紊 流光滑区、紊流过渡区、紊流粗糙区（阻力平方 区）。
紊流光滑区 Re > 2000后，管道水流流态为 紊流，但靠近管 壁极薄的一层水仍为层流，该层称黏性底层，其 厚度随雷诺数的增大而减少。 2000 < Re > 4000 时，层流向紊流过渡，沿程阻 力系数仅与雷诺数有关，与相对光滑度无关。 Re > 4000 时， 流态进入紊流，但雷诺数相对较 小，黏性底层较厚，足够淹没管壁粗糙度。 此时的水流实际上是在水光滑的馆内流动。沿程 阻力系数仅与雷诺数有关，与管壁粗糙度无关。
三. 管道水流的基本规律 1. 连续性原理 在单位时间内通过通道上任何截面的流体质量都是相等的。 根据质量守恒原理得到的。
截面窄，流体的流速快，截面宽，流体的流速慢。窄水流快， 路面窄风速大。
2. 能量守恒原理 两个断面之间流入的能量一定等于流出的能量。 管道中流动的水流有：动能、势能（重力势能）和压 能（压力势能）。
边界与水流流 线越吻合,对 水流干扰越小
局部损失与流速水头成正比:
在工程实际中，绝大多数管道系统是由许多等直管段和 一些管道附件连接在一起所组成的，所以在一个管道系 统中，既有沿程损失又有局部损失。沿程阻力和局部阻 力二者之和称为总阻力，沿程损失和局部损失二者之和 称为总能量损失。总能量损失应等于各段沿程损失和局 部损失的总和 ——能量损失的叠加原理
雷诺数（Renolds number) Re: 用来表征流体流动情况的无量纲数 平均流速 管道内径
黏滞系数
与密度、温度有关
层流时，管道横断面上各点的流 速分布是抛物面，断面平均流速 是最大点流速的一半。
紊流时，管道横断面上各点的流 速分布趋于均匀，呈对数曲线的 旋转曲面。
管道中流动水流产生能量损失： • 水流与管壁摩擦— 管壁粗糙度、管壁附近的流速 变化梯度。相同流量条件下，紊流的流速梯度比 层流大。 • 水流内部作用的黏性。
三. 沿程水头损失计算经验公式
1. 布拉休斯公式计算塑料管道沿程水头损失 多数塑料管道的流态属于紊流光滑区：
s——管道的比阻率或比阻抗
2. 哈森-威廉斯公式计算沿程水头损失 适于较大的管道(d≥5cm)，适中的流速（≤3m/s）
C——沿程摩擦系数
四. 局部水头损失计算
1.

计算原理
在管道系统中通常装有阀门、弯管、变截面管等局 部装置。流体流经这些局部装置时流速将重新分布， 流体质点与质点及与局部装置之间发生碰撞、产生 漩涡，使流体的流动受到阻碍，由于这种阻碍是发 生在局部的急变流动区段，所以称为局部阻力。流 体为克服局部阻力所损失的能量，称为局部损失。
1. 管道沿程水头损失计算基本公式 （达西-威斯巴赫公式）
计算管流的雷诺数 → 流态 → 选用沿程阻力系数计算公式。
2. 层流的沿程阻力系数 Re < 2000时 层流：水流慢，分层运动，管壁粗 糙度对沿程阻力系数无影响，沿程阻力系数只与 雷诺数有关。
层流时沿程水头损失hf与断面平均流速成正比，是线性关系