水頭損失及其分類

1、5 5 液流形態(tài)與水頭損失液流形態(tài)與水頭損失 前一章討論了理想液體和實際液體的能量前一章討論了理想液體和實際液體的能量方程，方程中有一項為水頭損失。方程，方程中有一項為水頭損失。 本章首先對理想液體和實際液體，在不同邊界條件本章首先對理想液體和實際液體，在不同邊界條件下的液流特征進行剖析，認清水頭損失的本質(zhì)。在此基下的液流特征進行剖析，認清水頭損失的本質(zhì)。在此基礎上，礎上， 重點介紹水頭損失變化規(guī)律及其計算方法。重點介紹水頭損失變化規(guī)律及其計算方法。 水頭損失變化規(guī)律及其計算方法水頭損失變化規(guī)律及其計算方法 5.1 5.1 水頭損失及其分類水頭損失及其分類 5.1.1 5.1.1 水流阻力與水

2、頭損失水流阻力與水頭損失5.1.2 5.1.2 橫縱斷面水力要素對水頭損失的影響橫縱斷面水力要素對水頭損失的影響5.1 5.1 水頭損失及其分類水頭損失及其分類 5.1.1 5.1.1 水流阻力與水頭損失水流阻力與水頭損失5.1.2 5.1.2 橫縱斷面水力要素對水頭損失的影響橫縱斷面水力要素對水頭損失的影響5.1 5.1 水頭損失及其分類水頭損失及其分類 5.1.1 5.1.1 水流阻力與水頭損失水流阻力與水頭損失 水流阻力水流阻力 水頭損失水頭損失 水頭損失分類水頭損失分類 兩種水頭損失比較兩種水頭損失比較 總水頭損失總水頭損失5.1 5.1 水頭損失及其分類水頭損失及其分類 5.1.1

3、5.1.1 水流阻力與水頭損失水流阻力與水頭損失 水流阻力水流阻力 水頭損失水頭損失 水頭損失分類水頭損失分類 兩種水頭損失比較兩種水頭損失比較 總水頭損失總水頭損失 理想液體的運動是沒有能量損失的，而實際液理想液體的運動是沒有能量損失的，而實際液體流動為什么會產(chǎn)生水頭損失體流動為什么會產(chǎn)生水頭損失 ? 理想液體：運動時沒有相對運動，流速均勻分理想液體：運動時沒有相對運動，流速均勻分布，無流速梯度和粘性切應力。因而，不存在布，無流速梯度和粘性切應力。因而，不存在能量損失能量損失 。流線流線流速分布流速分布u(y實際液體：具有粘性，過水斷面上流速分布不均勻，實際液體：具有粘性，過水斷面上流速分布

4、不均勻，相鄰液層間有相對運動，也就存在內(nèi)摩擦力。液體相鄰液層間有相對運動，也就存在內(nèi)摩擦力。液體要運動，就要克服摩擦阻力（水流阻力）做功，消要運動，就要克服摩擦阻力（水流阻力）做功，消耗一部分液流機械能，轉化為熱能而散失。耗一部分液流機械能，轉化為熱能而散失。 流速分布流速分布切應力分布切應力分布uy水流阻力就是粘性切應力水流阻力就是粘性切應力流速分布流速分布切應力分布切應力分布uy5.1 5.1 水頭損失及其分類水頭損失及其分類 5.1.1 5.1.1 水流阻力與水頭損失水流阻力與水頭損失 水流阻力水流阻力 水頭損失水頭損失 水頭損失分類水頭損失分類 兩種水頭損失比較兩種水頭損失比較 總水頭

5、損失總水頭損失用單位液重的能量損失用單位液重的能量損失 hw 表示水流的能量損失表示水流的能量損失5.1 5.1 水頭損失及其分類水頭損失及其分類 5.1.1 5.1.1 水流阻力與水頭損失水流阻力與水頭損失 水流阻力水流阻力 水頭損失水頭損失 水頭損失分類水頭損失分類 兩種水頭損失比較兩種水頭損失比較 總水頭損失總水頭損失 水頭損失（依據(jù)邊界條件以及作用范圍）水頭損失（依據(jù)邊界條件以及作用范圍） 沿程損失沿程損失 hf 局部損失局部損失 hj hw 沿程水頭損失沿程水頭損失hf hf s 在在平直的固體邊界平直的固體邊界水道中，單位液重的液體從水道中，單位液重的液體從一個斷面流至另一個斷面的

6、機械能損失。一個斷面流至另一個斷面的機械能損失。 這種水頭這種水頭損失隨沿程長度的增加而增加，故稱沿程水頭損失。損失隨沿程長度的增加而增加，故稱沿程水頭損失。局部水頭損失局部水頭損失hj 用圓柱體繞流說明局部水頭損失用圓柱體繞流說明局部水頭損失hj 局部水頭損失局部水頭損失hj 液體繞圓柱體流動液體繞圓柱體流動 分析通過圓心的一條流線（圖中紅線）分析通過圓心的一條流線（圖中紅線）通過圓心的紅線是一條流線通過圓心的紅線是一條流線 液體質(zhì)點流向圓柱體時，流線間距逐漸增大，流速液體質(zhì)點流向圓柱體時，流線間距逐漸增大，流速逐漸降低，由能量方程可知，壓強必然逐漸增加。逐漸降低，由能量方程可知，壓強必然逐

7、漸增加。 存在駐點存在駐點 當液體質(zhì)點流至當液體質(zhì)點流至A A點，流速降為零，動能轉化為壓能，點，流速降為零，動能轉化為壓能，使其增加到最大。使其增加到最大。A點點稱駐點（畢托管測速原理）。稱駐點（畢托管測速原理）。 A駐點駐點A 液體質(zhì)點到達駐點，停滯不前，以后繼續(xù)流來的液體質(zhì)點到達駐點，停滯不前，以后繼續(xù)流來的質(zhì)點就要改變原有流動方向，沿圓柱體兩側繼續(xù)流動。質(zhì)點就要改變原有流動方向，沿圓柱體兩側繼續(xù)流動。 AC理想液體理想液體 沿柱面兩側邊壁附近的流動沿柱面兩側邊壁附近的流動液體質(zhì)點運動液體質(zhì)點運動 A AC C 動能增加（液體擠壓）動能增加（液體擠壓） 壓能減少壓能減少壓能的減少部分轉化

8、為動能壓能的減少部分轉化為動能 ACBC 液體質(zhì)點運動液體質(zhì)點運動 CCB B 動能減少（液體擴散）動能減少（液體擴散） 壓能增加壓能增加 減少的動能完全轉化為壓能。減少的動能完全轉化為壓能。 ACBC液體質(zhì)點運動液體質(zhì)點運動 C CB B 動能減少（液體擴散）動能減少（液體擴散） 壓能增加壓能增加 減少的動能完全補充為壓能。減少的動能完全補充為壓能。 液體質(zhì)點運動液體質(zhì)點運動 A AC C 動能增加（液體擠壓）動能增加（液體擠壓） 壓能減少壓能減少減少的壓能補充為動能減少的壓能補充為動能ACBC液體質(zhì)點運動液體質(zhì)點運動 C C B B動能減少（液體擴散）動能減少（液體擴散） 壓能增加壓能增加

9、 減少的動能完全補充為壓能。減少的動能完全補充為壓能。 液體質(zhì)點運動液體質(zhì)點運動 A AC C 動能增加（液體擠壓）動能增加（液體擠壓） 壓能減少壓能減少減少的壓能補充為動能減少的壓能補充為動能 由于液體繞流運動無能量損失。因此，液體從由于液體繞流運動無能量損失。因此，液體從A AB B 時，時，A A和和B B點的流速和壓強相同，其他流線情況類似。點的流速和壓強相同，其他流線情況類似。實際液體繞圓柱流動實際液體繞圓柱流動 ACBC液體質(zhì)點運動液體質(zhì)點運動 A AC C 動能增加動能增加 壓能減少壓能減少減少的壓能轉化為動能減少的壓能轉化為動能動能還要用于克服能量損失動能還要用于克服能量損失A

10、CBC液體質(zhì)點運動液體質(zhì)點運動 C C B B動能減少動能減少 壓能增加壓能增加減少的動能轉化為壓能減少的動能轉化為壓能能量損失還要消耗動能能量損失還要消耗動能 ACBC形成分離點：形成分離點：D 近壁液體從近壁液體從C-B 運動時，液體動能一部分用于克服摩運動時，液體動能一部分用于克服摩擦阻力，另一部分用于轉化為壓能，越用越少，以至于擦阻力，另一部分用于轉化為壓能，越用越少，以至于沒有足夠動能完全恢復為壓能（理想液體全部恢復），沒有足夠動能完全恢復為壓能（理想液體全部恢復），在柱面在柱面B以上的某一位置以上的某一位置 D，流速降低為零，不再繼續(xù)，流速降低為零，不再繼續(xù)下行。下行。ACBC形成

11、分離點：形成分離點：D D點以上的液體就要改變流向，沿另一條流線運點以上的液體就要改變流向，沿另一條流線運動，使主流脫離圓柱面，形成分離點。動，使主流脫離圓柱面，形成分離點。 ACBCD 沿圓柱面，分離點下游壓強大于分離處壓強，在沿圓柱面，分離點下游壓強大于分離處壓強，在壓差作用下，圓柱下游液體立即填補主流所空出的壓差作用下，圓柱下游液體立即填補主流所空出的區(qū)域，形成了漩渦。區(qū)域，形成了漩渦。分離點后形成漩渦區(qū)分離點后形成漩渦區(qū)ACBCD 沿圓柱面，分離點下游壓強大于分離處壓強，在沿圓柱面，分離點下游壓強大于分離處壓強，在壓差作用下，圓柱下游液體立即填補主流所空出的壓差作用下，圓柱下游液體立即

12、填補主流所空出的區(qū)域，形成了漩渦。區(qū)域，形成了漩渦。分離點后形成漩渦區(qū)分離點后形成漩渦區(qū)漩渦區(qū)漩渦區(qū)ACBCD 沿圓柱面，分離點下游壓強大于分離處壓強，在沿圓柱面，分離點下游壓強大于分離處壓強，在壓差作用下，圓柱下游液體立即填補主流所空出的壓差作用下，圓柱下游液體立即填補主流所空出的區(qū)域，形成了漩渦。區(qū)域，形成了漩渦。分離點后形成漩渦區(qū)分離點后形成漩渦區(qū)漩渦區(qū)漩渦區(qū)ACBCD漩渦區(qū)漩渦區(qū) 漩渦體形成、運轉，漩渦體形成、運轉，經(jīng)過一經(jīng)過一段時間后，逐漸消失。段時間后，逐漸消失。漩渦區(qū)中產(chǎn)生了較大的能量損失漩渦區(qū)中產(chǎn)生了較大的能量損失ACBCD 流速分布急劇變化流速分布急劇變化。 漩渦區(qū)中產(chǎn)生了較

13、大的能量損失漩渦區(qū)中產(chǎn)生了較大的能量損失ACBCD漩渦區(qū)中產(chǎn)生了較大的能量損失漩渦區(qū)中產(chǎn)生了較大的能量損失 漩渦的形成，運轉和分裂；流速分布急劇變化，都漩渦的形成，運轉和分裂；流速分布急劇變化，都使液體產(chǎn)生較大的能量損失。這種能量損失產(chǎn)生在使液體產(chǎn)生較大的能量損失。這種能量損失產(chǎn)生在局部范圍之內(nèi)，叫局部水頭損失局部范圍之內(nèi)，叫局部水頭損失hj 。 當液體運動時，由于局部邊界形狀和大小的改當液體運動時，由于局部邊界形狀和大小的改變、局部障礙，液體產(chǎn)生漩渦，使液體在局部范圍變、局部障礙，液體產(chǎn)生漩渦，使液體在局部范圍內(nèi)產(chǎn)生了較大的能量損失，這種能量損失稱局部水內(nèi)產(chǎn)生了較大的能量損失，這種能量損失稱

14、局部水頭損失。頭損失。 局部水頭損失局部水頭損失 突然管道縮小突然管道縮小漩渦區(qū)漩渦區(qū) 管道中的閘門局部開啟管道中的閘門局部開啟漩渦區(qū)漩渦區(qū)彎道轉彎彎道轉彎漩渦區(qū)漩渦區(qū)5.1 5.1 水頭損失及其分類水頭損失及其分類 5.1.1 5.1.1 水流阻力與水頭損失水流阻力與水頭損失 水流阻力水流阻力 水頭損失水頭損失 水頭損失分類水頭損失分類 兩種水頭損失比較兩種水頭損失比較 總水頭損失總水頭損失 產(chǎn)生漩渦的局部范圍產(chǎn)生漩渦的局部范圍局部水頭損失局部水頭損失沿程水頭損失沿程水頭損失 hf s發(fā)生發(fā)生邊界邊界 平直的固體邊界水道中平直的固體邊界水道中大小大小 與漩渦尺度、強度與漩渦尺度、強度, 邊界

15、邊界形狀等因素相關形狀等因素相關耗耗能方式能方式通過液體粘性將其能量耗散通過液體粘性將其能量耗散外在外在原因原因 液體運動的沿程阻力液體運動的沿程阻力 邊界層分離邊界層分離5.1 5.1 水頭損失及其分類水頭損失及其分類 5.1.1 5.1.1 水流阻力與水頭損失水流阻力與水頭損失 水流阻力水流阻力 水頭損失水頭損失 水頭損失分類水頭損失分類 兩種水頭損失比較兩種水頭損失比較 總水頭損失總水頭損失 水頭損失水頭損失沿程損失沿程損失 hf 局部損失局部損失 hj jfwhhh 液體以下管道時的沿程損失包括四段液體以下管道時的沿程損失包括四段hf 1hf 2hf 3hf 4 液體經(jīng)過時的局部損失包

16、括五段：液體經(jīng)過時的局部損失包括五段：進口、突然放大、突然縮小、彎管和閘門進口、突然放大、突然縮小、彎管和閘門進口進口突然放大突然放大突然縮小突然縮小彎管彎管閘門閘門5.1 5.1 水頭損失及其分類水頭損失及其分類 5.1.1 5.1.1 水流阻力與水頭損失水流阻力與水頭損失 水頭損失水頭損失沿程損失沿程損失 hf 局部損失局部損失 hj jfwhhh5.1 5.1 水頭損失及其分類水頭損失及其分類 5.1.1 5.1.1 水流阻力與水頭損失水流阻力與水頭損失5.1.2 5.1.2 橫縱斷面水力要素對水頭損失的影響橫縱斷面水力要素對水頭損失的影響液流邊界幾何條件對水頭損失的影響液流邊界幾何條件

17、對水頭損失的影響 產(chǎn)生水頭損失的根源是實際液體本身具有粘滯性，產(chǎn)生水頭損失的根源是實際液體本身具有粘滯性，而固體邊界的幾何條件（輪廓形狀和大?。λ^損失而固體邊界的幾何條件（輪廓形狀和大?。λ^損失也有很大的影響。也有很大的影響。l液流橫向邊界對水頭損失的影響液流橫向邊界對水頭損失的影響A過水斷面的面積過水斷面的面積 過水斷面的面積是一個因素，但僅靠過水斷面面積過水斷面的面積是一個因素，但僅靠過水斷面面積尚不足表征過水斷面幾何形狀和大小對水流的影響。尚不足表征過水斷面幾何形狀和大小對水流的影響。 A過水斷面的面積過水斷面的面積 例如，兩個過水斷面面積相同的斷面，一個正方形，例如，兩個過水斷

18、面面積相同的斷面，一個正方形，一個是扁長方形。顯然，后者對水流運動的阻力大，水一個是扁長方形。顯然，后者對水流運動的阻力大，水頭損失要大。頭損失要大。 原因：扁長方形明渠中液流與固體邊界接觸周界長。原因：扁長方形明渠中液流與固體邊界接觸周界長。 即使通過相同的流量，面積較小的過水斷面，液流即使通過相同的流量，面積較小的過水斷面，液流通過的流速較大，水流的阻力及水頭損失也大。通過的流速較大，水流的阻力及水頭損失也大。 濕周濕周 液流過水斷面與固體邊界接觸的周界線，叫液流過水斷面與固體邊界接觸的周界線，叫濕周，濕周，是過水斷面重要的水力要素之一。其值越大，對水流是過水斷面重要的水力要素之一。其值越

19、大，對水流的阻力越大，水頭損失越大。的阻力越大，水頭損失越大。 兩個過水斷面的濕周相同，形狀不同，過水斷面兩個過水斷面的濕周相同，形狀不同，過水斷面面積一般不相同，水頭損失也就不同。面積一般不相同，水頭損失也就不同。 因此，僅靠濕周也不能表征斷面幾何形狀的影響。因此，僅靠濕周也不能表征斷面幾何形狀的影響。 由于兩個因素都不能完全反由于兩個因素都不能完全反映橫向邊界對水頭損失的影響，映橫向邊界對水頭損失的影響，將過水斷面的面積和濕周結合起將過水斷面的面積和濕周結合起來，用來，用R表示，全面反映橫向邊表示，全面反映橫向邊界對水頭損失影響。界對水頭損失影響。 R越大，則越大，則水頭損失越小。水頭損失

20、越小。水力半徑水力半徑R: AR 管管 道道442dddAR d矩形斷面明渠矩形斷面明渠hbbhAR2 bh梯形斷面明渠梯形斷面明渠212)(mhbhmhbAR bhml 液流縱向邊界對水頭損失的影響液流縱向邊界對水頭損失的影響 液流縱向邊界的水力要素包括：底坡、局部障液流縱向邊界的水力要素包括：底坡、局部障礙、斷面形狀沿程發(fā)生變化等。這些要素對水頭損礙、斷面形狀沿程發(fā)生變化等。這些要素對水頭損失的綜合效果表現(xiàn)為液流產(chǎn)生漸變流，還是急變流，失的綜合效果表現(xiàn)為液流產(chǎn)生漸變流，還是急變流，急變流會增加液流的水頭損失。急變流會增加液流的水頭損失。 均勻流：均勻流： 沿程水頭損失沿程水頭損失 非均勻流漸變流非均勻流漸變流: 沿程水頭損失沿程水頭損失 非均勻急變流非均勻急變流: 沿程和局部水頭損失沿程和局部水頭損失均勻流均勻流 A，R，v 沿程不變，液流只有沿程水頭損沿