1、水力學(xué),第三章 液流型態(tài)及水頭損失,主要內(nèi)容：,水頭損失的物理概念及其分類,沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系,液體運(yùn)動(dòng)的兩種流態(tài),圓管中的層流運(yùn)動(dòng)及其沿程水頭損失的計(jì)算,紊流特征,沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律,計(jì)算沿程水頭損失的經(jīng)驗(yàn)公式謝齊公式,局部水頭損失,粘滯性,相對(duì)運(yùn)動(dòng),物理性質(zhì),固體邊界,產(chǎn)生水流阻力,損耗機(jī)械能hw,水頭損失的物理概念及其分類,圖示,圖示,水頭損失的分類,沿程水頭損失hf,局部水頭損失hj,某一流段的總水頭損失：,各分段的沿程水頭損失的總和,各種局部水頭損失的總和,舉例,沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系,列流動(dòng)方向的平衡方程式：,整理得：,改寫為：,水力半徑過水?dāng)嗝婷娣e與濕周之比，即A

2、/,沿程阻力系數(shù),液體運(yùn)動(dòng)的兩種流態(tài),雷諾試驗(yàn),揭示了水流運(yùn)動(dòng)具有層流與紊流兩種流態(tài)。,當(dāng)流速較小時(shí)，各流層的液體質(zhì)點(diǎn)是有條不紊地運(yùn)動(dòng)，互不混雜，這種型態(tài)的流動(dòng)叫做層流。,當(dāng)流速較大，各流層的液體質(zhì)點(diǎn)形成渦體，在流動(dòng)過程中，互相混摻，這種型態(tài)的流動(dòng)叫做紊流。,層流與紊流的判別,（下）臨界雷諾數(shù),雷諾數(shù),或,若ReRek，水流為層流，,若ReRek，水流為紊流，,紊流形成過程的分析,紊流形成條件,渦體的產(chǎn)生,雷諾數(shù)達(dá)到一定的數(shù)值,圓管中的層流運(yùn)動(dòng)及其沿程水頭損失的計(jì)算,質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)特征（圖示）：,液體質(zhì)點(diǎn)是分層有條不紊、互不混雜地運(yùn)動(dòng)著,切應(yīng)力：,流速分布（推演）：,斷面平均流速：,沿程水頭損失：,

3、沿程阻力系數(shù)：,紊流特征,運(yùn)動(dòng)要素的脈動(dòng)現(xiàn)象,瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)要素（如流速、壓強(qiáng)等）隨時(shí)間發(fā)生波動(dòng)的現(xiàn)象,圖示,紊流產(chǎn)生附加切應(yīng)力,由相鄰兩流層間時(shí)間平均流速相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的粘滯切應(yīng)力,純粹由脈動(dòng)流速所產(chǎn)生的附加切應(yīng)力,紊流粘性底層,在紊流中緊靠固體邊界附近，有一極薄的層流層，其中粘滯切應(yīng)力起主導(dǎo)作用，而由脈動(dòng)引起的附加切應(yīng)力很小，該層流叫做粘性底層。,圖示,粘性底層雖然很薄，但對(duì)紊流的流動(dòng)有很大的影響。所以，粘性底層對(duì)紊流沿程阻力規(guī)律的研究有重大意義。,質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)特征：,液體質(zhì)點(diǎn)互相混摻、碰撞，雜亂無章地運(yùn)動(dòng)著,紊動(dòng)使流速分布均勻化,紊流中由于液體質(zhì)點(diǎn)相互混摻，互相碰撞，因而產(chǎn)生了液體內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)間的動(dòng)

4、量傳遞，動(dòng)量大的質(zhì)點(diǎn)將動(dòng)量傳給動(dòng)量小的質(zhì)點(diǎn)，動(dòng)量小的質(zhì)點(diǎn)影響動(dòng)量大的質(zhì)點(diǎn)，結(jié)果造成斷面流速分布的均勻化。,流速分布的指數(shù)公式：,當(dāng)Re105時(shí)，,當(dāng)Re105時(shí)，,流速分布的對(duì)數(shù)公式：,摩阻流速，,沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律,尼古拉茲實(shí)驗(yàn),或,Lg（100）,lgRe,層流時(shí),水力光滑壁面, 稱為紊流光滑區(qū),水力粗糙壁面, 稱為紊流粗糙區(qū),過渡粗糙壁面, 稱為率流過渡粗糙區(qū),計(jì)算沿程水頭損失的經(jīng)驗(yàn)公式謝齊公式,1.謝齊系數(shù)有量綱，量綱為L(zhǎng)1/2T-1，單位為m1/2/s。,2.謝齊公式可適用于不同流態(tài)和流區(qū)，既可適用于明渠水流也可應(yīng)用于管流。,3.常用計(jì)算謝齊系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式：,曼寧公式,巴甫洛夫斯

5、基公式,這兩個(gè)公式均依據(jù)阻力平方區(qū)紊流的實(shí)測(cè)資料求得，故只能適用于阻力平方區(qū)的紊流。,或,n為粗糙系數(shù)，簡(jiǎn)稱糙率。水力半徑單位均采用米。,例題,局部水頭損失,對(duì)1-1、2-2斷面列能量方程式,列X方向的動(dòng)量方程式,化簡(jiǎn)整理得：,所以有,局部水頭損失的通用計(jì)算公式：,應(yīng)用舉例,水頭損失分類舉例,雷諾試驗(yàn),拋物型流速分布,紊流的脈動(dòng)現(xiàn)象,或,（時(shí)均）恒定流,（時(shí)均）非恒定流,紊流的粘性底層,粘性底層厚度,可見，0隨雷諾數(shù)的增加而減小。,當(dāng)Re較小時(shí)，,水力光滑壁面,當(dāng)Re較大時(shí)，,水力粗糙壁面,過渡粗糙壁面,紊流形成過程的分析,升力,渦 體,尼古拉茲實(shí)驗(yàn),相對(duì)粗糙度 或相對(duì)光滑度,雷諾數(shù)Re,例題：有一混凝土護(hù)面的梯形渠道，底寬10m，水深3m，兩岸邊坡為1：1，粗糙系數(shù)為0.017，流量為39m3/s，水流屬于阻力平方區(qū)的紊流，求每公里渠道上的沿程水頭損失。,解：,水面寬,過水?dāng)嗝婷娣e,濕周,水力半徑,謝齊系數(shù),沿程水頭損失,斷面平均流速,例題：水從水箱流入一管徑不同的管道，管道連接情況如圖所示，已知：,（以上值均采用