流动型态与水头损失.doc

《流动型态与水头损失.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、第四章流动型态与水头损失任何实际液体都具有粘性，粘性的存在会使液流具有不同于理想流体的流速分布，并使相邻两层运动液体之间、液体与边界之间除压强外还相互作用着切向力(或摩擦力)，此时低速层对高速层的切向力显示为阻力。而克服阻力作功过程中就会将一部分机械能不可逆地转化为热能而散失，形成能量损失。单位重量液体的机械能损失称为水头损失(HeadLoss)。本章主要研究恒定流的阻力和水头损失规律，它是水动力学基本理论的重要组成部分。首先，从雷诺实验出发介绍流动的两种型态——层流和紊流。然后着重对两种流态的内部机理进行分析，并在此基础上引出液体在管道和明渠内流动时水头损失的计算。对于与损失密切相

2、关的边界层理论和绕流阻力仅作了概念性的简介。§4-1水流阻力与水头损失的两种型式液流边界不同，对断面流速分布有一定影响，进而影响流动阻力(FlowResistance)和水头损失。为了便于计算，水力学一元分析法根据流动边界情况，把水头损失hw分为沿程水头损失(FrictionHeadLoss)hf和局部水头损失(LocalHeadLoss)hj两种型式。1．沿程阻力和沿程水头损失当流动的固体边界使液体作均匀流动时，水流阻力中只有沿程不变的切应力，称为沿程阻力(或摩擦力)；克服沿程阻力作功而引起的水头损失则称为沿程水头损失，以hf表示。沿程阻力的特征是沿流程连续分布，因而沿程损失的大

3、小与流程的长短成正比。由伯诺里方程得出均匀流的沿程水头损失为此时用于克服阻力所消耗的能量由势能提供，从而总水头线坡度J沿程不变，总水头线是一条直线。当液体作较接近于均匀流的渐变流动时(如明渠渐变流)，水流阻力虽已不是全部但却主要为沿程阻力，此时沿程阻力的大小如同流速分布一样，沿程发生变化。可将十分接近的两过水断面之间的渐变流动看作是均匀流动，并引用均匀流的沿程水头损失计算公式，实践表明是完全可以的。在第七章中计算明渠渐变流水头损失时就是这样处理的。2．局部阻力及局部水头损失液流因固体边界急剧改变而引起速度分布的急剧改组，由此产生的阻力称为局部阻力。其相应的水头损失称为局部水头损失，以

4、hj表示。它一般发生在水流边界突变处附近，例如图(4-1-1)中水流经过“弯头”、“缩小”、“放大”及“闸门”等处。图4-1-1沿程水头损失和局部水头损失，都是由于液体在运动过程中克服阻力作功而引起的，但又具有不同的特点。沿程阻力主要显示为“摩擦阻力”的性质。而局部阻力主要是因为固体边界形状突然改变，从而引起水流内部结构遭受破坏，产生漩涡，以及在局部阻力之后，水流还要重新调整整体结构适应新的均匀流条件的过渡过程所造成的。管路或明渠中的水流阻力都是由几段等直径圆管或几段几何形状相同的等截面渠道的沿程阻力和以断面形式急剧改变引起的局部阻力所组成。因此，流段两截面间的水头损失可以表示为两截

5、面间的所有沿程损失和所有局部损失的总和，即其中n——等截面的段数；m——局部阻力个数。该式称为水头损失的叠加原理。 §4-2实际流动的两种型态十九世纪初人们就已经发现圆管中液流的水头损失和流速有一定关系。在流速很小的情况下，水头损失和流速的一次方成正比，在流速较大的情况下，水头损失则和流速的二次方或接近二次方成正比。直到1883年，由英国物理学家雷诺(OsborneReynolds)的试验研究，才使人们认识到水头损失与流速间的关系之所以不同，是因为液体运动存在着两种型态：层流和紊流。1．雷诺实验雷诺实验的装置如图4-2-1所示。由水箱A中引出水平固定的玻璃管B，上游端连接一光滑钟

6、形进口，另一端有阀门C用以调节流量。容器D内装有重度与水相近的色液，经细管E流入玻璃管中，阀门F可以调节色液的流量。图4-2-1试验时容器中装满水，并始终保持液面稳定，使水流为恒定流。先徐徐开启阀门C，使玻璃管内水的流速十分缓慢。再打开阀门F放出少量颜色水。此时可以见到玻璃管内色液呈一细股界线分明的直流束，如图4-2-1(a)，它与周围清水互不混合。这一现象说明玻璃管中水流呈层状流动，各层的质点互不掺混。这种流动状态称为层流(LaminarFlow)。如阀门C逐渐开大到玻璃管中流速足够大时，颜色水出现波动，如图4-2-1(b)所示。继续开大阀门，当管中流速增至某一数值时，颜色水突然破

7、裂、扩散遍至全管，并迅速与周围清水混掺，玻璃管中整个水流都被均匀染色(如图4-2-1(c))，层状流动已不存在。这种流动称为紊流(Turbulence)。由层流转化成紊流时的管中平均流速称为上临界流速。如果用灯光把液体照亮，可以看出：紊流状态下的颜色水体是由许多明晰的、时而产生、时而消灭的小漩涡组成。这时液体质点的运动轨迹是极不规则的，不仅有沿管轴方向(质点主流方向)的位移，而且有垂直于管轴的各方位位移。各点的瞬时速度随时间无规律地变化其方向和大小，具有明