第五章

流動形態(tài)及水頭損失流動阻力和水頭損失的分類流動阻力內(nèi)摩擦阻力：

流體有粘滯性和橫向流速梯度，產(chǎn)生摩擦阻力。壓差阻力：

局部地區(qū)固體邊界的形狀或大小有急劇改變，或有局部障礙，液流內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生離解和漩渦，流線彎曲，流速分布改變，增加了液流的相對運(yùn)動，產(chǎn)生壓差阻力。摩擦阻力滯止離解壓差阻力慣性離解壓差阻力水頭損失沿程水頭損失hf：邊壁無變化的均勻流中，水流產(chǎn)生的阻力為摩擦阻力，能量損失為沿程水頭損失hf。沿程水頭損失均勻分布在整個流段上，與流段的長度成比例，又稱為長度損失。局部水頭損失hm

：邊壁沿程急劇變化的非均勻流中，水流產(chǎn)生的阻力為摩擦阻力和壓差阻力，其產(chǎn)生的能量損失為局部水頭損失hm?？偹^損失：hw=hf+hm水頭損失的疊加原理工程上為了便于計算，假定沿程水頭損失和局部水頭損失時單獨(dú)發(fā)生作用的，互不影響，兩者可以疊加。注意：(1)局部水頭損失實際上是在一定長度內(nèi)發(fā)生的，為了處理方便工程上把局部水頭損失發(fā)生的地點認(rèn)為是集中發(fā)生在邊界突變的斷面上。(2)把實際發(fā)生局部水頭損失的流程中的沿程水頭損失，看作是未受局部水頭損失而單獨(dú)發(fā)生的。(3)若兩局部水頭損失距離很近，用疊加法計算出的局部水頭損失會偏大，應(yīng)作為整體進(jìn)行試驗確定hj。

(4)通常以流速水頭的某一倍數(shù)表示水頭損失。u1u2abcdhfa-bhmbhmahfb-chmchfc-dv22/(2g)hw=hf+hmv12/(2g)水頭損失的計算公式1.沿程水頭損失：達(dá)西—魏斯巴赫公式式中：—沿程阻力系數(shù)(無量綱)—斷面平均流速L

—管道的長度d—管道的直徑2.局部水頭損失：—局部損失系數(shù)(無量綱)一般由實驗測定實際液體流動的兩種形態(tài)雷諾試驗實驗條件：1.液面高度恒定；2.水溫恒定。層流：各層質(zhì)點互不混摻紊流：各層質(zhì)點相互混摻過渡階段：流速達(dá)臨界值層流：流體質(zhì)點平穩(wěn)地沿管軸線方向運(yùn)動，而無橫向運(yùn)動，流體就象分層流動一樣，這種流動狀態(tài)稱為層流。紊流：流體質(zhì)點不僅有縱向運(yùn)動，而且有橫向運(yùn)動，處于雜 亂無章的不規(guī)則運(yùn)動狀態(tài)，這種流動狀態(tài)稱為紊流。液體形態(tài)的判別：

雷諾從一系列試驗中發(fā)現(xiàn)：1）不同種類液體在相同直徑的管中進(jìn)行實驗，所測得的臨界速度是各不相同的；2）同種液體在不同直徑的管中實驗，所得的臨界速度也不同。故判定臨界速度是液體的物理性質(zhì)(，)和管徑(d)的函數(shù)。液體形態(tài)的判別：

對圓管：雷諾數(shù)

臨界雷諾數(shù)（液流型態(tài)開始轉(zhuǎn)變時的雷諾數(shù)）

管流下臨界雷諾數(shù)：Rec=2300管流上臨界雷諾數(shù)：Rec=1200040000雷諾實驗是在環(huán)境的干擾極小，實驗前水箱中的水體經(jīng)長時間的穩(wěn)定情況下，經(jīng)反復(fù)多次測量得到的。后人的大量實驗很難重復(fù)得到雷諾數(shù)的準(zhǔn)確數(shù)值，通常在2000-2300之間。對明渠及天然河道：雷諾數(shù)

臨界雷諾數(shù)其中R–水力半徑；A–過流斷面面積；-過流斷面上流體與固體壁面接觸的周界，稱為濕周。（1）矩形斷面渠道水力半徑：（2）圓管流水力半徑：有一圓形輸水管，直徑d為2.0cm，管中水流的斷面平均流速為1m/s，水溫t=15℃，試判別管中水流的型態(tài)。當(dāng)通過石油時，若其他條件相同，問流態(tài)是層流還是紊流？(t=15℃時，石油=0.6cm2/s,水=0.0114cm2/s)解：管中為石油時層流管中為水時紊流作業(yè)1、2均勻流沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系在管道恒定均勻流中，取總流流段1-1到2-2，各作用力處于平衡狀態(tài)：F=0。OOz2z11122P1P200G作用于該總流流段上的外力有：①動水壓力：P1=p1AP2=p2A

②重力：G=V=AL，在流動方向上的投影Gx=ALsin③摩擦阻力：T=0A'=0LOOz2z11122P1P200Gx寫出三管軸三方向三的平三衡方三程：OOz2z11122P1P200GxOOz2z11122P1P200Gx恒定三均勻三流基三本方三程列1三-2三兩斷三面間三的伯三努利三方程與前三式合三并得對于三同樣三的過三水?dāng)嗳鍭三，濕三周最小三的斷三面形三狀是三圓形三。工三程上三將水三管做三成圓三形，三渠道三做成三與圓三形接三近的三梯形三，就三是為三了盡三量減三小沿三程水三頭損三失均勻三流過三水?dāng)嗳嫔先袘?yīng)三力的三分布00r0r00r0ryu圓管三中的三層流三運(yùn)動圓管三均勻三層流三的斷三面流三速分三布圓管三均勻三層流三的沿三程水三頭損三失達(dá)西三-魏三斯巴三赫公三式通用三公式三—層三流紊三流均三適用哈根三-泊三肅葉三公式例：三利用三管徑三d=三75三mm三的管三道輸三送重三油，三如圖三所示三，已三知三重油三的重三度油=8三.8三3K三N/三m3，運(yùn)三動粘三性系三數(shù)油=0.三9c三m2/s，管三軸上三裝有三畢托三管，三水銀三面高三差hp=2三0m三m，求三重油三每小三時流三量及三每米三長的三沿程三水頭三損失三。假設(shè)三重油三的流三動為三層流三：2、三求沿三程水三頭損三失<23三00三層流應(yīng)用三細(xì)管三式粘三度計三測定三油的三粘度三，已三知細(xì)三管直三徑d=6三mm三，測量三段長l=2三m三，實三測油三的流三量Q=7三7c三m3/s三，水三銀壓三差計三的讀值hp=3三0c三m，三油的三密度=9三00三kg三/m3。試求三油的三運(yùn)動三粘度三和動三力粘三度。解:三列三細(xì)管三測量三段前三、后三斷面三能量三方程設(shè)流三動為三層流校核<三23三00三層流液體三的紊三流運(yùn)三動紊流三的形三成條三件①渦三體的三形成三；②形三成后三的渦三體，三脫離三原來三的流三層或三流束三，摻三入鄰三近的三流層三或流三束。層流三與紊三流的三根本三區(qū)別三在于三：層流三中各流三層的三流體三質(zhì)點三，互三不摻三混，三有比三較規(guī)三則的三“瞬三時流三線”三存在三；紊流三中有大三小不三等的三渦體三震蕩三于各三流層三之間三，互三相摻三混液體三的紊三流運(yùn)三動紊流三脈動三現(xiàn)象三與時三均化三概念運(yùn)動三要素三的脈動三現(xiàn)象三：紊流三中存三在大三量渦三體，三渦體三沿各三方向三進(jìn)行三混摻三、碰三撞，三使紊三流中三任何三一個三空間三點上三的運(yùn)動三要素三（流三速、三壓強(qiáng)三等）三隨時三間不三斷在三變化三--三-紊三流運(yùn)三動要三素脈三動。運(yùn)動三要素三的時三均化三處理：T:三一般三取1三00三個以三上波三形的三時間三間隔脈動三值說三明：①脈動三值不三能當(dāng)三作微三量處三理，三有時三可達(dá)三到時三均值三的三三分之三一。②脈動三總是三三維三的，三雖然三主流三是一三維或三二維三的，三但均三產(chǎn)生三三個三方向三的脈三動速三度。③脈動三是渦三體互三相摻三混、三交換三的結(jié)三果，三不是三流體三分子三的運(yùn)三動。注意三：紊流三恒定三流—指三時間三平均三的運(yùn)三動要三素不三隨時三間而三變化三的流三動。紊流三非恒三定流—指三時間三平均三的運(yùn)三動要三素隨三時間三而變?nèi)娜鲃尤Ｖ叭芯咳偭魅龝r提三到的三恒定三流、三非恒三定流三、流三線、三流束三、總?cè)鞯热际侨龑r三均值三而言三。？？由于三紊流三的質(zhì)三點摻三混與三參數(shù)三脈動三，除三質(zhì)點三間相三互摩三擦引三起的切三應(yīng)力三（牛三頓應(yīng)三力）三外，三還存三在由三于質(zhì)三點摻三混引三起的三紊流三附加切三應(yīng)力三（雷三諾應(yīng)三力）三，即式中19三25三年，三德國三力學(xué)三家普三朗特三（P三ra三nd三tl三)根三據(jù)氣三體分三子自三由程的三概念三，提三出了三計算三紊流三附加三切應(yīng)三力的三混合三長度三理論三。為牛頓三應(yīng)力；為雷諾三應(yīng)力；式中l(wèi)為混三合長三度。三普朗三特假三設(shè)l=Ky，K為待三定系三數(shù)，三又稱為卡三門通三用常三數(shù)，三一般三取K=三0.三4，三y為三流體三質(zhì)點三到壁三面的三距離紊流三的切三應(yīng)力三與流三速分三布根據(jù)三普朗三特的三混合三長度三理論三進(jìn)行三積分三，可三得紊三流的三流速分布上式三為紊三流速三度分三布公三式，三又稱三普朗三特—三卡門三(Ka三rm三en)對三數(shù)分布三律。式中稱為三阻力三速度三，是三一常三數(shù)，0為壁三面切三應(yīng)力三。紊流三中的三層流三底層三與紊三流區(qū)層流三底層三（粘三性底三層）三：緊靠三固體三邊界三的地三方，三由于三管壁三及流三體粘三性的三影響三，流三體質(zhì)三點流三速小三，流三態(tài)屬三于層三流的三流體三層。層流三底層三厚度一般三只有三百分三之幾三毫米三，最三大只三有幾三毫米三。粘性三底層三速度三分布三：紊流三區(qū)：粘性三底層三以外三為紊三流區(qū)三，包三括紊三動充三分發(fā)三展的三紊流三流核三區(qū)和三紊流三處于三發(fā)展三狀態(tài)三的過三渡層三（厚三度僅三百分三之幾三厘米三）。作業(yè)3、三4紊流三的沿三程水三頭損三失尼古三拉茲三阻力三實驗19三33三年，三德國三力學(xué)三家尼三古拉三茲（三Ni三ku三ra三ds三e）三進(jìn)行三了管流沿三程阻三力系三數(shù)的三實驗三研究三。實驗三證明三：沿三程阻三力系三數(shù)的三影響三因素三主要三有雷三諾數(shù)三與管壁的三相對三粗糙三度，三即式中三的e為管三壁的絕對三粗糙三度。作三為已三知條三件，三尼古三拉茲三采用人三工粗三糙—三均勻三沙粒三。將三已知三粒徑三的沙三粒粘三貼在三管道三壁面上，三沙粒三的粒三徑e與管三道直三徑D之比三即為三該管三的相對三粗糙三度。在雷三諾實三驗裝三置的三基礎(chǔ)三上，三尼古三拉茲三采用三不同三相對三粗糙三的實驗管三段，三對每三根管三實測三不同三流量三下的三流速v與沿三程水三頭損三失hf。將實三測數(shù)三據(jù)分三別由三公式計算三出相三應(yīng)的三雷諾三數(shù)Re與沿三程阻三力系三數(shù)，點三繪到三對數(shù)三坐標(biāo)三上和lglgReabcdef尼古三拉茲三實驗三（實三驗曲三線）三—人三工粗三糙度根據(jù)三沿程三阻力三系數(shù)三的變?nèi)?guī)三律，三實驗三曲線三分為三5個三區(qū)：（1三）層流三區(qū)（ab線，三lgRe＜3三.3三，Re＜2三30三0三）不同三相對三粗糙三的實三驗點三都在三同一三根線三上，三說明三沿程三阻力系數(shù)三與相三對粗三糙無三關(guān)，三只是三雷諾三數(shù)的三函數(shù)三，并三符合三前面三的理論結(jié)三果。（2三）過渡三區(qū)（bc線，三l三gRe，Re=2三30三0-三40三00三）不同三相對三粗糙三的實三驗點三都在三同一三根線三上，三說明三沿程三阻力系數(shù)三與相三對粗三糙無三關(guān)，三也只三是雷三諾數(shù)三的函三數(shù)，三但關(guān)三系不三確切三，層流三向紊三流過三渡的三臨界三區(qū)域三，實三用意三義不三大。（3三）紊流三光滑三區(qū)（cd線，三l三gRe＞3三.6三，Re＞4三00三0三）不同三相對三粗糙三的實三驗點三都在三同一三根線三上，三說明三沿程三阻力系數(shù)三與相三對粗三糙無三關(guān)，三也只三是雷三諾數(shù)三的函三數(shù)。三但隨三雷諾三數(shù)的增大三，不三同相三對粗三糙的三實驗三點相三繼離三開此三線，三粗糙三越小三，離開的三越晚三。這三一現(xiàn)三象為三“水三力光三滑”三?！八馊比?dāng)三壁面三的絕三對粗三糙度三小于三層流三底層三厚度時，三壁面三粗糙三對紊三流核三心沒三有影三響，三沿程三阻力三系數(shù)三與相三對粗糙無三關(guān)，三只與三雷諾三數(shù)有三關(guān)。三流動三表現(xiàn)三為“三水力三光滑三”狀三態(tài)。（4三）紊流三過渡三區(qū)（cd與ef之間三的曲三線）不同三的相三對粗三糙的三實驗三點分三別落三在不三同的三曲線三上。三說明本三區(qū)內(nèi)三沿程三阻力三系數(shù)三既與三雷諾三數(shù)有三關(guān)又三與相三對粗三糙有三關(guān)。（5三）紊流三粗糙三區(qū)（ef右側(cè)三的水三平直三線）不同三的相三對粗三糙的三實驗三點分三別落三在不三同的三直線三上。三所有直三線均三平行三橫坐三標(biāo)，三說明三沿程三阻力三系數(shù)三與雷三諾數(shù)三無關(guān)三。于是三，沿三程水三頭損三失與三流速三的平三方成三正比三，本三區(qū)又三稱阻三力平方三區(qū)。三流動三在本三區(qū)內(nèi)三的層三流底三層遠(yuǎn)三遠(yuǎn)小三于壁三面粗三糙，三粗糙是三影響三流動三的主三要因三素，三這一三現(xiàn)象三稱為三“水三力粗三糙”三。尼古三拉茲三實驗三（實三驗曲三線）三—人三工粗三糙度紊流三流速三分布尼古三拉茲三通過三實測三流速三，完三善了三由混三合長三度理三論得三到的紊流三流速三分布三的一三般式三。（2三）在三紊流三粗糙三區(qū)在紊三流核三心（1三）在三紊流三光滑三區(qū)黏性三底層三部分三為沿程三阻力三系數(shù)三λ的三半經(jīng)三驗公三式根據(jù)三均勻三流基三本方三程與三達(dá)西三公式（2三）紊流三粗糙三區(qū)公三式（1三）紊三流光三滑區(qū)三公式紊流三流速三分布三，可三導(dǎo)出三沿程三阻力三系數(shù)λ的計三算公三式。實際三工程三管的三沿程三阻力三系數(shù)三半經(jīng)三驗公三式由于三尼古三拉茲三采用三的是三均勻三的人三工粗三糙，三與實三際工三程管三的情況三相差三較大三。如三何建三立兩三種粗三糙的三關(guān)系三，是三將尼三古拉三茲公三式用于三實際三工程三管的三關(guān)鍵三。在紊三流光三滑區(qū)三，雖三然兩三種粗三糙不三同，三但沿三程阻三力系三數(shù)與粗糙三無關(guān)三，故三尼古三拉茲三公式三可直三接使三用。在紊三流粗三糙區(qū)三，兩三種粗三糙對三流動三的影三響有三相同三的規(guī)三律。故引三入當(dāng)三量粗三糙的三概念三后，三即三可將三尼古三拉茲三公式三用于三實際三工程管三。在紊三流過三渡區(qū)三，由三于兩三種粗三糙在三過渡三時對三流動三的影三響完全不三同，三故兩三者的三沿程三阻力三系數(shù)三變化三規(guī)律三相差三較大三。直到三19三39三年，三美國三工程三師柯三列勃三洛克三（C三ol三eb三ro三ok三）給三出了適三合于三實際三工程三管過三渡區(qū)三的計三算公三式式中e為實三際工三程管三的當(dāng)量三粗糙三度。（三直徑三相同三，紊三流粗糙三區(qū)沿三程阻三力系三數(shù)相三等的三人工三粗糙三管的三粗糙三突起三高度三e為相三應(yīng)的三實際三工程三管的三當(dāng)量三粗糙三度）19三44三年，三美國三工程三師穆三迪（三Mo三od三y）三將上三式繪三成了三圖。λRee/D沿程三阻力三系數(shù)三的經(jīng)三驗公三式（2三）謝三才（三Ch三ez三y）三公式式中v—斷三面平三均流三速；R—水三力半三徑；J—水三力坡三度；謝才三系數(shù)三可由三曼寧三（M三an三ni三ng三）公三式計三算，三即式中n—粗三糙系三數(shù)；R—水三力半三徑。C—謝三才系三數(shù)（三m0.三5/s三）。（1三）布三拉修三斯（三Bl三as三iu三s）三公式三（三紊流三光滑三區(qū)）謝才三系數(shù)三還可三由巴三甫洛三夫斯三基公三式算三得（3三）海曾三—威三廉公三式式中CHW—海曾三—威三廉粗三糙系三數(shù)；Q—三流量三。海曾三—威三廉三(H三az三en三-W三il三li三am三s)三公三式主三要用三于給三水管三道。式中巴甫三洛夫三斯基三公式三的適三用范三圍為0.三1m三≤R≤3三.0三m，三0.三01三1≤n≤0三.0三4舍維三列夫三公式三（舊三鋼管三和鑄三鐵管三）：