1第一頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五

第四章流動(dòng)形態(tài)、水頭損失水頭損失產(chǎn)生的內(nèi)因是液體的粘滯性；外因是固體邊界壁的影響，使得液流流速發(fā)生改變。第一節(jié)流動(dòng)阻力、水頭損失一、水頭損失產(chǎn)生原因1、沿程阻力在固體邊界壁的形狀、尺寸沿程不變情況下，水流在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于液體質(zhì)點(diǎn)間相互摩擦、碰撞產(chǎn)生的阻力。2第二頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五固體邊界壁的形狀或尺寸沿程急劇變化，導(dǎo)致水流在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中脫離邊界壁或形成漩渦，使得液體質(zhì)點(diǎn)間相互摩擦、碰撞產(chǎn)生的阻力。由于沿程阻力產(chǎn)生的水頭損失。其特點(diǎn)是在較大范圍內(nèi)存在，并與流程長(zhǎng)成正比。均勻流、漸變流情況下的水頭損失主要是沿程水頭損失。2、局部阻力二、兩類(lèi)水頭損失1、沿程水頭損失3第三頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五由于局部阻力產(chǎn)生的水頭損失。工程計(jì)算上，認(rèn)為和單獨(dú)發(fā)生、互不影響，二者可以疊加。即其特點(diǎn)是僅在較小范圍內(nèi)存在。急變流情況下的水頭損失主要是局部水頭損失。2、局部水頭損失三、水頭損失疊加原理4第四頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五第二節(jié)實(shí)際液體流動(dòng)的兩種流態(tài)

1883年，雷諾（英國(guó)）設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，揭示了實(shí)際液體運(yùn)動(dòng)的兩種不同形態(tài)—層流、紊流。一、雷諾試驗(yàn)流動(dòng)型態(tài)不同時(shí)，水頭損失的規(guī)律也不同。5第五頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五

流速較小時(shí)，水流為層流：各流層的液體質(zhì)點(diǎn)在流動(dòng)過(guò)程中互不混摻。

流速較大時(shí)，水流為紊流：液體質(zhì)點(diǎn)在流動(dòng)過(guò)程中相互混雜。雷諾試驗(yàn)裝置6第六頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五層流區(qū)紊流區(qū)過(guò)渡區(qū)bdace7第七頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五液流型態(tài)轉(zhuǎn)變的流速。包括上臨界流速：由層流轉(zhuǎn)化為紊流的流速。c點(diǎn)。下臨界流速：由紊流轉(zhuǎn)化為層流的流速。b點(diǎn)。層流區(qū)紊流區(qū)過(guò)渡區(qū)bdace1、臨界流速8第八頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五2、沿程水頭損失規(guī)律與水流型態(tài)有關(guān)：層流時(shí)，或紊流時(shí)，或?qū)恿鲿r(shí)沿程水頭損失與流速的一次方成正比。紊流時(shí)沿程水頭損失與流速的1.75至2次方成正比。9第九頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五通過(guò)染色液體用目測(cè)方法判別層流和紊流不實(shí)際。水流的上臨界流速與下臨界流速都與管徑、液體種類(lèi)、溫度等有關(guān)。二、層流、紊流的判別而與臨界流速相應(yīng)的臨界雷諾數(shù)相對(duì)穩(wěn)定。雷諾數(shù)下臨界雷諾數(shù)上臨界雷諾數(shù)10第十頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五雷諾提出用下臨界雷諾數(shù)判別層流和紊流：水流的雷諾數(shù)大于下臨界雷諾數(shù)時(shí)，為紊流，反之為層流。有壓圓管，下臨界雷諾數(shù)約為2320，常取為2000。明渠、天然河道，下臨界雷諾數(shù)約為500。11第十一頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五有壓圓管臨界雷諾數(shù)為2000，故管內(nèi)流動(dòng)為紊流。

例：判斷管道流動(dòng)的形態(tài)。管徑d=2cm，斷面平均流速V=1m/s，水溫150c。解：對(duì)有壓圓管，根據(jù)水溫查水粘滯系數(shù)（注意各量單位）12第十二頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五雷諾數(shù)為水流的慣性力與粘滯力之比。慣性作用使紊動(dòng)加劇，而粘性作用使紊動(dòng)減弱。雷諾數(shù)表征的就是這兩種作用的對(duì)比。因此，雷諾數(shù)小時(shí)，意味著粘性作用大；雷諾數(shù)大時(shí)，意味著慣性作用大。三、雷諾數(shù)物理意義13第十三頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五習(xí)題，P156選擇題：4-1，4-2，4-3，4-12，4-15

習(xí)題：4-1，4-2

14第十四頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五第三節(jié)均勻流沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系

一、沿程水頭損失與邊壁切應(yīng)力的關(guān)系15第十五頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五沿流程方向，列寫(xiě)恒定均勻流段受力平衡方程其中，圓管均勻流基本方程16第十六頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五可見(jiàn)，圓管均勻流的切應(yīng)力按直線分布。二、圓管均勻流切應(yīng)力分布規(guī)律17第十七頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究及量綱分析，可得出計(jì)算式為

上式稱(chēng)為魏斯巴赫-達(dá)西公式，是計(jì)算圓管沿程水頭損失的通用公式。

又三、沿程水頭損失的計(jì)算公式18第十八頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五第四節(jié)圓管中的層流運(yùn)動(dòng)

分布式為：依據(jù)及可得圓管均勻流的流速上式表明，圓管均勻?qū)恿鞯牧魉俜植汲蕭佄锞€。一、圓管均勻?qū)恿鞯牧魉俜植?9第十九頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五斷面平均流速對(duì)積分，得二、圓管均勻?qū)恿鞯牧髁颗c斷面平均流速20第二十頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五上式表明：圓管均勻?qū)恿鞯难爻趟^損失與斷面流速的一次方成正比。由可得到圓管層流的沿程水頭損失三、圓管均勻?qū)恿鞯难爻趟^損失21第二十一頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五公式表明：圓管層流的沿程阻力系數(shù)只與雷諾數(shù)有關(guān)。為圓管層流的沿程阻力系數(shù)計(jì)算公式。

22第二十二頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五第五節(jié)紊流運(yùn)動(dòng)的基本概念

恒定流的紊流中，任一固定空間點(diǎn)，在不同時(shí)刻，其運(yùn)動(dòng)要素（流速、壓強(qiáng)等）隨時(shí)間隨機(jī)波動(dòng)。一、紊流的特征1、脈動(dòng)（紊動(dòng)）23第二十三頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五恒定流的空間點(diǎn)的瞬時(shí)流速隨時(shí)間變化，但在一個(gè)適當(dāng)?shù)臅r(shí)間內(nèi)，其時(shí)間平均流速卻是恒定的，即則（脈動(dòng)流速）2、時(shí)均流速24第二十四頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五恒定流中，任意空間點(diǎn)的各運(yùn)動(dòng)要素都不隨時(shí)間變化，是說(shuō)任意空間點(diǎn)各運(yùn)動(dòng)要素的時(shí)間平均值不隨時(shí)間變化。

在水力學(xué)中，通常關(guān)心的是運(yùn)動(dòng)要素的時(shí)均效應(yīng)，因此，對(duì)紊流的研究廣泛采用運(yùn)動(dòng)要素的時(shí)均值。同樣地，恒定流中，對(duì)紊流的瞬時(shí)壓強(qiáng)，有25第二十五頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五

粘性底層厚度：紊流中，在貼近固體邊界壁的地方有一層極薄的層流層存在，稱(chēng)為粘性底層，其厚度為。絕對(duì)粗糙度過(guò)渡層粘性底層紊流流核二、紊流中的粘性底層從粘性底層到紊流（紊流核心）之間的是過(guò)渡層。26第二十六頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五1、水力光滑區(qū)（）邊壁粗糙表面凸出的高度完全淹沒(méi)在粘性底層中，邊壁粗糙度對(duì)紊流的沿程阻力系數(shù)不產(chǎn)生影響。相應(yīng)的固體壁面稱(chēng)為水力光滑面。2、水力粗糙區(qū)（）邊壁粗糙度對(duì)紊流的沿程阻力系數(shù)有影響。相應(yīng)的固體壁面稱(chēng)為水力粗糙面。根據(jù)粘性底層厚度與絕對(duì)粗糙度相對(duì)大小，將紊流分為三種流區(qū)：三、紊流中的流區(qū)及其判別27第二十七頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五在水力粗糙區(qū)，沿程水頭損失與流速的平方成正比，故該區(qū)又稱(chēng)為阻力平方區(qū)。3、水力過(guò)渡粗糙區(qū)（）此時(shí)的固體壁面稱(chēng)為水力過(guò)渡粗糙面。介于以上兩者之間的情況：粘性底層的厚度不足以完全掩蓋邊壁粗糙度的影響；絕對(duì)粗糙度還沒(méi)起決定性的作用。

28第二十八頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五習(xí)題，P156選擇題：4-4，4-5，4-6，4-7，4-8，4-9

4-10，4-11，4-15，4-17

習(xí)題：4-4，4-5，4-7，4-829第二十九頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五1、絕對(duì)粗糙度對(duì)實(shí)際工程管道，通過(guò)沿程阻力系數(shù)試驗(yàn)，結(jié)合公式計(jì)算出的圓管粗糙度。3、當(dāng)量粗糙度（或）2、相對(duì)粗糙度第六節(jié)紊流的沿程水頭損失

絕對(duì)粗糙度與管徑（或水力半徑

）的比值。采用人工粗糙時(shí)，均勻沙粒的直徑

即為。管壁粗糙度表示方法30第三十頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五人工粗糙管：用粒徑相同的砂粒均勻粘貼在管徑為的管壁上制成的管道。1933年，尼古拉茲通過(guò)試驗(yàn)揭示了人工粗糙管的沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律。試驗(yàn)用相對(duì)粗糙度作為粗糙情況。一、沿程阻力系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究1、尼古拉茲試驗(yàn)31第三十一頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五試驗(yàn)粗糙度采用相對(duì)粗糙度。試驗(yàn)采用了6種。對(duì)每一種，測(cè)出一組、，再由計(jì)算，同時(shí)計(jì)算出，最后點(diǎn)繪出～～關(guān)系曲線。

32第三十二頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五Ⅴ0.20.30.40.50.60.70.80.91.01.12.63.03.43.84.24.65.05.45.8尼古拉茲試驗(yàn)結(jié)果ⅡⅣⅢ層流區(qū)過(guò)渡區(qū)紊流光滑區(qū)紊流過(guò)渡區(qū)紊流粗糙區(qū)Ⅰ第三十三頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五試驗(yàn)結(jié)論：得出了沿程阻力系數(shù)的五個(gè)不同分區(qū)Re<2320層流區(qū)（直線ab）Ⅰ區(qū)第二過(guò)渡區(qū)（直線acd與直線ef間區(qū)域）Ⅳ區(qū)水力粗糙區(qū)（直線ef右側(cè)的區(qū)域）Ⅴ區(qū)雷諾數(shù)

Re流區(qū)分區(qū)規(guī)律2320<Re<4000層流到紊流（直線ab與直線acd間區(qū)域）第一過(guò)渡區(qū)Ⅱ區(qū)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分散，無(wú)一定規(guī)律水力光滑區(qū)（直線acd）紊流區(qū)Ⅲ區(qū)Re>400034第三十四頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五（1）水力光滑區(qū)勃拉休斯公式適用條件：

適用條件：

尼古拉茲公式2、人工粗糙管的沿程阻力系數(shù)35第三十五頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五（3）水力粗糙區(qū)尼古拉茲公式：

柯列布魯克-懷特公式：

（2）過(guò)渡粗糙區(qū)適用條件：

適用條件：

36第三十六頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五實(shí)際管道的粗糙度用當(dāng)量粗糙度表示。參考表4-2。1944年，莫迪（Moody）對(duì)各種類(lèi)型的實(shí)際管道（工業(yè)管道）作了大量實(shí)驗(yàn)，繪制出了相對(duì)粗糙度、雷諾數(shù)、沿程阻力系數(shù)三者之間關(guān)系的曲線圖，供實(shí)際計(jì)算使用。實(shí)際管道的沿程阻力系數(shù)用莫迪圖查算。二、實(shí)際管道的沿程阻力系數(shù)1、莫迪圖37第三十七頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五莫迪圖第三十八頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五例4-6

水溫200C，管徑，水力坡度，求流量。解：，則和可求，再看、、三者之間的關(guān)系是否與莫迪圖一致。如一致，則假設(shè)的正確，否則重新。由及知，只要假設(shè)也可以假設(shè)，求出、，以后思路與上一致。39第三十九頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，；2、謝維列夫公式40第四十頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五例4-8管徑，，水溫100C。求。解：先用謝維列夫公式計(jì)算，再用魏斯巴赫—達(dá)西公式計(jì)算。41第四十一頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五試算法；圖解法（即采用莫迪圖）。在事先不知道液流的型態(tài)屬于哪個(gè)區(qū)情況下，無(wú)法選用相應(yīng)的沿程阻力系數(shù)的計(jì)算公式，故采用試算法。3、沿程阻力系數(shù)計(jì)算方法42第四十二頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五結(jié)束是假設(shè)計(jì)算根據(jù)大小判斷流區(qū)根據(jù)流區(qū)選用相應(yīng)公式計(jì)算重新假設(shè)否試算法計(jì)算流程：43第四十三頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五例：水管直徑ｄ=２0cm，管壁絕對(duì)粗糙度△=0.2mm，液體運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)為=0.015cm2/s。求流量Q=5000cm3/s時(shí)，管道的沿程阻力系數(shù)。解：管道斷面平均流速，為紊流。假設(shè)，，屬于紊流光滑區(qū)。，故選用伯拉修斯公式計(jì)算：，與假設(shè)一致，則。44第四十四頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五前面討論了計(jì)算沿程水頭損失的方法：采用魏斯巴赫—達(dá)西公式。魏斯巴赫—達(dá)西公式中的沿程阻力系數(shù)的計(jì)算可采用試算法或圖解法。試算法、圖解法中，都涉及到當(dāng)量粗糙度的計(jì)算。目前，尚缺乏當(dāng)量粗糙度的完整資料，這限制了這類(lèi)方法的廣泛應(yīng)用。早在200多年前，人們從生產(chǎn)實(shí)踐中，總結(jié)出了一套計(jì)算沿程水頭損失的經(jīng)驗(yàn)公式，他們至今在工程實(shí)踐中被廣泛應(yīng)用。三、計(jì)算沿程水頭損失的經(jīng)驗(yàn)公式45第四十五頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五適用條件：紊流阻力平方區(qū)、明渠與管流的阻力平方區(qū)。曼寧公式其中，n為糙率，見(jiàn)表4-3。1、舍齊公式（謝才公式）2、舍齊系數(shù)計(jì)算方法46第四十六頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五可見(jiàn)，謝才公式與魏斯巴赫—達(dá)西公式是一致的。巴浦洛夫斯基公式3、謝才公式與魏斯巴赫-達(dá)西公式的一致性

47第四十七頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五

注意：

謝才公式計(jì)算謝才系數(shù)時(shí)，因?yàn)橐貌诼寿Y料多為水力粗糙區(qū)，這使得謝才公式只適用于明渠或管道的阻力平方區(qū)。魏斯巴赫-達(dá)西公式是一個(gè)通用公式。48第四十八頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五習(xí)題，P156選擇題：4-13，4-14，4-16

習(xí)題：4-12，4-13，4-15，4-1649第四十九頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五第七節(jié)局部水頭損失目前，局部水頭損失的計(jì)算，在理論上有很大困難。因?yàn)榧弊兞鳁l件下，邊界壁上動(dòng)水壓強(qiáng)難以確定。除了少數(shù)幾種情況可用理論方法近似計(jì)算局部水頭損失之外，多數(shù)情況下，局部水頭損失的計(jì)算只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法加以解決。50第五十頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五對(duì)圓管突然擴(kuò)大情況，局部水頭損失可計(jì)算。一、圓管突然擴(kuò)大的局部水頭損失51第五十一頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五以上兩式可寫(xiě)為局部水頭損失計(jì)算統(tǒng)一公式：

其中，局部水頭損失系數(shù)。

52第五十二頁(yè)，共五十九頁(yè)，