第4章水流阻力和水头损失

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1、水力学第4章水流阻力和水头损失主讲：刘海芳§4.1沿程水头损失和局部水头损失4.1.1沿程水头损失1、沿程阻力：在边壁沿程不变的管段上，流动阻力沿程也基本不变，称这类阻力为沿程阻力。2、沿程损失克服沿程阻力引起的能量损失由于沿程损失沿管段均布，即与管段的长度成正比，所以也称为长度损失。3、沿程损失的经验公式4.1.2局部水头损失1、局部阻力在边界急剧变化的区域，阻力主要地集中在该区域内及其附近，这种集中分布的阻力称为局部阻力2、局部损失克服局部阻力的能量损失3、局部损失的经验公式4.1.3水头损失

2、叠加原理上述公式称为能量损失的叠加原理。§4.2实际液体运动的两种形态4.2.1沿程水头损失和平均流速的关系沿程水头损失实验改变流量，将与对应关系绘于双对数坐标纸上，得到lgVlghfO流速由小至大流速由大至小θ2θ14.2.2两种流态1、雷诺试验雷诺实验装置图层流：分层有规则的流动状态称为层流。紊流：流体质点的运动轨迹是极不规则的，各部分流体互相剧烈掺混，这种流动状态称为紊流。2、临界流速上临界流速：受环境和初始条件的影响而变化下临界流速vk：不受环境和初始条件的变化而变化4.2.3流态的判别准

3、则－临界雷诺数雷诺等人进一步的实验表明：流动状态不仅和流速v有关，还和管径d、流体的动力粘滞系数μ和密度ρ有关。以上四个参数可组合成一个无因次数，叫做雷诺数，用Re表示。若ReRek，水流为紊流，公式只适用于圆管，对于非圆管用当量直径来实现，如下：非圆管湿周：过水断面中液体与固体接触的边界长度当量直径：非圆管的水力半径和圆管的水力半径d/4相等的非圆管的当量直径。水力半径：对于圆管水力半径4.2.4流态分析选定流层流速分布曲线ττ干扰FFFFFFFFFFFF升力涡体紊

4、流形成条件涡体的产生雷诺数达到一定的数值用雷诺数判断流态的原因雷诺数可理解为水流惯性力和粘滞力量纲之比量纲：称为因次，指物理量的性质和类别，例如长度和质量，分别用[L]和[M]表达量纲为层流底层、过渡层和紊流核心几个基本概念§4.3均匀流基本方程列1-1、2-2断面伯努利方程式：1、沿程水头损失与切应力的关系面积1O列流动方向的平衡方程式：湿周整理得：改写为：水力半径——过水断面面积与湿周之比，即A/χτ0τ0G=ρgAL122LOZ1Z22、切应力的分布建立和之间的关系，可得：——阻力速度§4.

5、4圆管层流的沿程阻力系数质点运动特征（图示）：液体质点是分层有条不紊、互不混杂地运动着切应力：4.4.1流速分布（推演）：断面平均流速：沿程水头损失：4.4.2圆管层流沿程阻力系数：【例题】输送润滑油的管子直径8mm，管长15m，如图6-12所示。油的运动粘度m2/s，流量12cm3/s，求油箱的水头（不计局部损失）。图示润滑油管路（m/s）雷诺数为层流列截面1-1和2-2的伯努利方程解：认为油箱面积足够大，取(m)，则运动要素的脉动现象——瞬时运动要素（如流速、压强等）随时间发生波动的现象图示由

6、相邻两流层间时间平均流速相对运动所产生的粘滞切应力纯粹由脉动流速所产生的附加切应力（2）紊流切应力（1）紊流的脉动与时均化质点运动特征：液体质点互相混掺、碰撞，杂乱无章地运动着4.5.1紊流特征§4.5圆管紊流的沿程阻力系数（3）紊动流速分布紊流中由于液体质点相互混掺，互相碰撞，因而产生了液体内部各质点间的动量传递，动量大的质点将动量传给动量小的质点，动量小的质点影响动量大的质点，结果造成断面流速分布的均匀化。流速分布的对数公式：层流流速分布紊流流速分布4.5.2尼古拉兹实验（1）沿程阻力系数及其

7、影响因素的分析层流：圆管层流的沿程阻力系数与Re成反比，和管壁粗糙度无关。紊流：其能量损失取决于两个方面：1）Re；粗糙的突起高度2）壁面的粗糙糙粒的形状糙粒的排列疏密尼古拉兹粗糙把大小基本相同，形状近似球体的砂粒用漆汁均匀而稠密地粘附于管壁上。（2）沿程阻力系数的测定和阻力分区图相对粗糙的变化范围为实测不同流量时均v和hf算出λ和Re沿程阻力系数的变化规律尼古拉兹实验Lg（100λ）lgRe层流时,紊流光滑区称为紊流过渡区称为紊流粗糙区又称为阻力平方区临界过渡区,阻力分区层流底层在紊流中紧靠固体

8、边界附近，有一极薄的层流层，其中粘滞切应力起主导作用，而由脉动引起的附加切应力很小，该流层叫做层流底层。图示粘性（层流）底层虽然很薄，但对紊流的流动有很大的影响。所以，粘性底层对紊流沿程阻力规律的研究有重大意义。（3）断面流速分布测定①紊流光滑区的流速分布紊流核心区：层流底层：②紊流粗糙区的流速分布2、普朗特－卡门流速分布的指数公式3、流速分布的七分之一次方定律1、尼古拉兹粗糙区流速分布（4）紊流沿程阻力系数的半经验公式①光滑区沿程阻力系数半经验公式②粗糙区沿程阻力系数半经验公式4