第四章流動(dòng)阻力和水頭損失課件

水力坡度稱為水力坡度水頭線的斜率冠以負(fù)號(hào)測(cè)壓管坡度

稱為測(cè)壓管坡度

位置水頭線一般為總流斷面中心線。

測(cè)壓管水頭線可能在位置水頭線以下，表示當(dāng)?shù)貕簭?qiáng)是負(fù)值。恒定總流能量方程的幾何表示——水頭線總水頭線為一條逐漸下降的直線或曲線

注意：LLL

流動(dòng)阻力和損失的兩種類型雷諾試驗(yàn)——層流和紊流

均勻流基本方程圓管中的層流運(yùn)動(dòng)

紊流運(yùn)動(dòng)沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律

局部阻力及損失的計(jì)算第四章流動(dòng)阻力和水頭損失§4-1流動(dòng)阻力和水頭損失分類沿程水頭損失——在均勻流段（包括漸變流）中產(chǎn)生的流動(dòng)阻力為沿程阻力（或摩擦阻力），由此引起的水頭損失，與流程的長(zhǎng)度成正比，用hf表示；局部水頭損失——在非均勻流段（流動(dòng)邊界急劇變化-急變流）中產(chǎn)生的流動(dòng)阻力為局部阻力，由此引起的水頭損失，取決于管配件的形式，用hj表示；一、水頭損失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1.沿程阻力——沿程損失(長(zhǎng)度損失、摩擦損失)達(dá)西-魏斯巴赫公式λ——沿程阻力系數(shù)2.局部阻力——局部損失ζ——局部阻力系數(shù)二、流動(dòng)阻力hw——流體粘性引起

3.總能量損失4.用水頭線表示**說明幾點(diǎn)——粘性流體的兩種流態(tài)1.雷諾實(shí)驗(yàn)（1883年）（a）層流（b）臨界狀態(tài)（c）紊流下臨界流速vc——臨界流速上臨界流速vc’§4-2雷諾試驗(yàn)hf顏色水顏色水顏色水顏色水(a)(b)(c)2.分析雷諾實(shí)驗(yàn)層流紊流ab段層流ef段紊流be段臨界狀態(tài)結(jié)論：流態(tài)不同，沿程損失規(guī)律不同層流紊流過渡區(qū)上臨界速度下臨界速度3.雷諾數(shù)Rec——臨界雷諾數(shù)（2300左右）Re=vd/υ——雷諾數(shù)（無量綱）Re<Rec層流Re>Rec紊流（包括層流向紊流的臨界區(qū)2000~4000）結(jié)論：用雷諾數(shù)判斷流態(tài)計(jì)算公式：p68例題問題：雷諾實(shí)驗(yàn)揭示了（）與（）的關(guān)系。雷諾實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了流體流動(dòng)中存在兩種性質(zhì)不同的形態(tài)，即（）和（）。vc和vc′分別表示什么，比較它們的大小。當(dāng)v<vc時(shí)，hf～v（）；當(dāng)v>vc時(shí)，hf～v（）。雷諾數(shù)Re計(jì)算表達(dá)式為（）。通常其數(shù)值在（）附近。非圓管流動(dòng)流態(tài)的判別：對(duì)于非圓形斷面管道和明渠水流，則采用特征長(zhǎng)度R（水力半徑）表示。

——過流斷面上流體與固體接觸的周界，簡(jiǎn)稱濕周。相應(yīng)的臨界雷諾數(shù)為§4-3沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系

（均勻流基本方程）各力之間的平衡式:兩斷面的能量方程:均勻流基本方程式

分析其意義，R意義切應(yīng)力分布:

1.切應(yīng)力分布2.層流、紊流均適用§4-4圓管中的層流運(yùn)動(dòng)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：流速最大值:-----拋物型流速分布rur0每一圓筒層表面的切應(yīng)力：另依均勻流沿程水頭損失與切應(yīng)的關(guān)系式有：所以有積分整理得當(dāng)r=r0時(shí)，ux=0，代入上式得層流流速分布為拋物面流速分布返回3.沿程損失系數(shù)P71公式(4-13）（4-14）圓管層流運(yùn)動(dòng)過流斷面上速度為（）分布，其表達(dá)式，斷面平均速度是最大速度的（）。圓管層流中沿程阻力系數(shù)λ與雷諾數(shù)Re的關(guān)系式（）。所以：p55例4-2：應(yīng)用細(xì)管式粘度計(jì)測(cè)油的粘度，細(xì)管d=6mm，l=2m，Q=77cm3/s，水銀壓差計(jì)讀值h=30cm，水銀密度ρm=13600kg/m3，油的密度ρ=900kg/m3，求油的運(yùn)動(dòng)粘度υ.解：設(shè)為層流解得運(yùn)動(dòng)粘度校核流態(tài)計(jì)算成立§4-5紊流運(yùn)動(dòng)1.紊流的特性渦體的產(chǎn)生——

各流層間的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)極不規(guī)則，相互摻混，其運(yùn)動(dòng)要素在空間、時(shí)間上均呈現(xiàn)隨機(jī)的脈動(dòng)現(xiàn)象。

2.紊流運(yùn)動(dòng)的時(shí)均化和脈動(dòng)性（1）瞬時(shí)速度u（2）時(shí)均速度（3）脈動(dòng)速度u’（4）斷面平均速度v即把紊流運(yùn)動(dòng)看成為是時(shí)均流動(dòng)和脈動(dòng)流動(dòng)的疊加

紊流的切應(yīng)力紊流運(yùn)動(dòng)分解為兩種流動(dòng)的疊加：時(shí)均運(yùn)動(dòng)脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)a、時(shí)均運(yùn)動(dòng)流層間產(chǎn)生的粘性切應(yīng)力：b、脈動(dòng)流動(dòng)引起的切應(yīng)力——

（附加切應(yīng)力、慣性切應(yīng)力、雷諾切應(yīng)力）C、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6.紊流流動(dòng)結(jié)構(gòu)圖粘性底層——在固體邊壁處存在一層極薄的，紊動(dòng)附加切應(yīng)力很小忽略不計(jì)，粘性切應(yīng)力占主導(dǎo)地位的極薄流體層。也稱層流底層。其厚度與雷諾數(shù)成反比。粘性底層雖然很薄，但卻對(duì)紊流流速分布和流動(dòng)阻力具有重大影響1—層流底層；2—過渡區(qū)；3—紊流核心§4-6沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律k——絕對(duì)粗糙度k/d——相對(duì)粗糙度1.尼古拉茲實(shí)驗(yàn)（1933-1934）（1）實(shí)驗(yàn)曲線人工粗糙（尼古拉茲粗糙）尼古拉茲實(shí)驗(yàn)層流區(qū)2.層流向紊流的過渡區(qū)

范圍很小，實(shí)用意義不大；4.紊流過渡區(qū)

5.紊流粗糙區(qū)（阻力平方區(qū)）

3.紊流光滑區(qū)（2）λ變化規(guī)律——層流底層的變化紊流光滑區(qū)紊流過渡區(qū)紊流粗糙區(qū)2.紊流沿程損失系數(shù)（半經(jīng)驗(yàn)公式）（1）紊流光滑區(qū)尼古拉茲光滑區(qū)公式采用此式求解較困難（2）紊流粗糙區(qū)尼古拉茲粗糙區(qū)公式（3）紊流過渡區(qū)a.工業(yè)管道當(dāng)量粗糙度ke——和工業(yè)管道粗糙區(qū)值相等的同直徑的尼古拉茲粗糙管的粗糙度常用工業(yè)管道的ke管道材料ke(mm)管道材料ke(mm)新氯乙烯管0~0.002鍍鋅鋼管0.15鉛管、銅管、玻璃管0.01新鑄鐵管0.15~0.5鋼管0.046鋼板制風(fēng)管0.15涂瀝青鑄鐵管0.12混凝土管0.3~3.0b.柯列勃洛克公式此式為尼古拉茲光滑區(qū)和粗糙區(qū)公式的疊加c.莫迪圖＿按柯氏公式計(jì)算

經(jīng)驗(yàn)公式1.水力光滑區(qū)：布拉修斯公式（Ｒe<100000)2.粗糙區(qū)：希弗林松公式3.舍維列夫公式:紊流過渡區(qū),v≤1.2m/s

粗糙區(qū),v>1.2m/s適用于舊鋼管和舊鑄鐵管4.謝才公式----流速與水力坡度、水力半徑關(guān)系

Ｃ——謝才系數(shù)；Ｒ——水力半徑；Ｊ——水力坡度。

（1）曼寧公式：ｎ——粗糙系數(shù)。

適用范圍：（2）補(bǔ)充巴浦洛夫斯基公式：

或當(dāng)

當(dāng)

適用范圍：補(bǔ)充知識(shí)：非圓管斷面的管道沿程損失：

其中，非圓管中的流動(dòng)水力半徑Rχ——濕周圓管的水力半徑邊長(zhǎng)分別為a和b的矩形斷面水力半徑若為明渠流圓環(huán)外徑r1、內(nèi)徑r2求：水力半徑（補(bǔ)充）例題1：給水管長(zhǎng)30m，直徑d=75mm，材料為新鑄鐵管，流量Q=7.25L/s，水溫t=10℃，求該管段的沿程水頭損失。解：水溫t=10℃時(shí)，水的運(yùn)動(dòng)粘度υ=1.31×10-6m2/s當(dāng)量粗糙度ke=0.25mm，ke/d=0.003由Re、ke/d查莫迪圖，得λ=0.028或由公式，得λ=0.028例２：溫度為20℃的水在ｄ＝５0cm的焊接鋼管中流動(dòng)，已知水力坡度Ｊ＝０.006，求Ｑ．例３：用清潔的新熟鐵管輸送Ｑ＝０.25m3/s,的油,υ=0.093cm2/s,已知L=3000m,hf=23m,求管徑d.例4:有兩根管道,L相等,d相等,ks相等,但一根輸送粘度小的水，另一根輸送粘度大的油.1.如v相等,問兩者的hf是否相當(dāng)?2.如兩者的Re相等,問兩者的hf是否相當(dāng)?§4.8局部阻力及損失的計(jì)算1.局部阻力產(chǎn)生的原因2.幾種常見的局部損失系數(shù)（1）突然擴(kuò)大列1-1和2-2斷面的能量方程列動(dòng)量方程由連續(xù)性方程或注意：ζ1→v1；ζ2→v2特例：ζ=1——管道的出口損失系數(shù)（2）突然縮小特例：ζ=0.5——管道的入口損失系數(shù)ζ→v2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。bh1：11：1解：B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返回例題：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：當(dāng)管道輸水流量為25L/s時(shí)，求所需要的水頭H。l1l2V0≈0