水流形態(tài)與水頭損失

1、第四章 水流形態(tài)與水頭損失第一節(jié) 水頭損失及其分類一 、產(chǎn)生的原因 實(shí)際液體在流動(dòng)過(guò)程中,有能量損失,主要是由于水流與邊界面接觸的液體質(zhì)點(diǎn)黏附于固體表面,為零,在邊界面的法線方向上從零迅速增大,在水?dāng)嗝嫔狭魉俜植继幱诓痪鶆驙顟B(tài),這樣流層之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),實(shí)際液體又有黏滯性,有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩相鄰流層間就產(chǎn)生內(nèi)摩擦力,水流在流動(dòng)過(guò)程中,要克服這種摩擦阻力消耗一部分機(jī)械能,轉(zhuǎn)化為熱能而損失.所以,單位重量水體從一斷面流至另一斷面所損失的機(jī)械能為兩斷面間的學(xué)位能量損失,也叫水頭損失.由黏滯性產(chǎn)生的根本原因這是內(nèi)因.的外因:1橫向固體邊界的形狀和小的變化。即形狀不同，大小不同，可用的水?dāng)嗝婷娣e不同，與水流

2、接觸的長(zhǎng)度的濕周不同，產(chǎn)生的水流阻力及不同。如：兩個(gè)不同形狀的斷面，一正方行，二扁長(zhǎng)矩形，兩者的相同，水流條件相同，但扁長(zhǎng)矩形渠槽的較大，所受阻力大，所以，大，所以,也大，及阻力大。如果兩者水?dāng)嗝娴南嗤煌?，通過(guò)同樣的，水流阻力及也不相等。所以，較小，通過(guò)的較大，相應(yīng)的水流阻力及也大。所以用或來(lái)表示水力特征卻又不全面，只有將兩者結(jié)合起來(lái)才較全面，即水力半經(jīng) 主要的水力要素， , 。2水流邊界縱向輪廓對(duì)的影響，輪廓不同的水流可能發(fā)生均勻流與非均勻流。均勻流中沿水流（程）各個(gè)水?dāng)嗝娴乃σ丶癡均不變，所以：均勻流時(shí)產(chǎn)生的原因只有黏滯性。非均勻流時(shí),邊界界條件不同改變所以黏滯性及邊齊形條件卻(

3、 )水流產(chǎn)生。因此, 的類型.二 、 的分類. 為便于計(jì)算將分為.:1、 沿程水頭損失,在均勻漸變流中,由各流層間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的阻力.為內(nèi)摩擦阻力.,由于均勻地分布在水流的整個(gè)過(guò)程中,所以叫沿程阻力.沿程 ,為克服沿程阻力而產(chǎn)生的單位重量水體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的能量損失-沿程水頭損失2、局部水頭損失: 水流流動(dòng)的過(guò)界急劇變化,在局部段內(nèi)水流產(chǎn)生附加阻力,額外消耗了大量機(jī)械能. 這種阻隔力叫局部阻力.局部，為克服局部阻力而產(chǎn)生的單位重量水體的機(jī)械能量損失.注意產(chǎn)生在一個(gè)局部段內(nèi),為便于分析轉(zhuǎn)化為一個(gè)斷面,總水頭損失. 、 第二節(jié) 均勻流沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系在管運(yùn)式明渠均勻流里,任取一段總流來(lái)

4、分析.管運(yùn)軸線與水平面的夾角為,流段長(zhǎng)為L(zhǎng),過(guò)水?dāng)嗝婷娣e為A.為1-1.2-2.的動(dòng)水壓強(qiáng). Z1 Z2為1-1.2-2形心距0-0的距離高度.作用在上的外力.1.動(dòng)水壓力.P1 = PC1A1 P2 = PC2A22.重力 3.摩阻力 T=C0. C0 固體邊界作用水流上的平均切應(yīng)力.注意T與水流切應(yīng)力方向相反.均勻流是處于平衡狀態(tài). 所以F=0即： 各項(xiàng)除以 所以 即的關(guān)系式。第三節(jié) 液流體運(yùn)動(dòng)的兩種型態(tài)在自然界的條件下，水流運(yùn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)部存在著兩種流動(dòng)型態(tài)，不同的水流型態(tài)下，水流的運(yùn)動(dòng)方式，斷面流速分布規(guī)律，水頭損失各不相同，英國(guó)物理學(xué)家雷諾在1883年通過(guò)大量的試驗(yàn)，證明并解決了判斷方法

5、。一、雷諾試驗(yàn)在黑板上畫圖（雷諾試驗(yàn)裝置）層流-流線為互相平行的直線，水質(zhì)點(diǎn)做著有規(guī)律的直線運(yùn)動(dòng)。紊流-流線為互不平行的直線，水質(zhì)點(diǎn)做著規(guī)律的曲線運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)以相反方向關(guān)閉閥門，水流則由紊流轉(zhuǎn)化為層流。二、 層流，紊流的判斷1> 臨界流速的型判 斷層流紊流 紊流層流 且 > 較穩(wěn)定但不宜確定.2> 臨界雷諾數(shù)雷諾在試驗(yàn)的過(guò)程中不斷地改變水溫,管徑和液體的種類的變化較大, 判斷非常的不方便,雷諾發(fā)現(xiàn)不同的液體,溫度,管徑的情況下,液體在流動(dòng)型態(tài)轉(zhuǎn)時(shí),的數(shù)值不變,即水流型態(tài)的轉(zhuǎn)變與液體運(yùn)動(dòng)的速度,及有關(guān).所以叫雷諾數(shù)即 且在液體運(yùn)動(dòng)的型態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí),當(dāng)斷面型狀不變時(shí)為常數(shù),為臨界雷諾數(shù)

6、表示. 實(shí)際液體 < 時(shí)為層流 >時(shí)為紊流 注意:同一種形狀不同的液體和溫度及不同的邊界尺寸=常數(shù),不同的形狀常數(shù). 圓管 2320 明渠 (300500)例1:判別液流的型態(tài)1>輸入管徑,通過(guò)的流量,水溫 2>輸油管徑,通過(guò)的流量,已知油的粘滯性系數(shù). 解:1>輸水管 則 所以為紊流.2>輸油管 層流.例2:某試驗(yàn)室的矩形試驗(yàn)明槽,底寬,水深,測(cè)得其斷面平均流速,室,人的水溫為,判別槽內(nèi)的水流流態(tài)? 解: 為紊流. 在明渠和天然河道中,大多都為紊流. 三. 的意義,為什么能判斷流態(tài) 量綱分析 慣性力 量綱粘滯力 量綱所以 由此可見與的量綱相同,注意L為特征

7、長(zhǎng)度,在管流中用管徑,在明渠中用水力半徑.第四節(jié) 紊流運(yùn)動(dòng)一 、紊流的形成過(guò)程由前述可見, 表示了液體的慣性力與粘滯力的對(duì)比關(guān)系,當(dāng)大力大，當(dāng)小力較大, 在,慣性力起控制作用.當(dāng)大時(shí),慣性力較小, 小,粘滯力起控制作用等時(shí)水流為層流運(yùn)動(dòng).當(dāng)增大,實(shí)際施加外來(lái)干擾,其過(guò)水?dāng)嗝嫔系牧魉俜植加胁痪鶆虺潭燃哟?相鄰各流層間的液體質(zhì)點(diǎn)由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的,人摩擦力,增大較小時(shí),對(duì)水流擾動(dòng)影響不大,當(dāng)繼續(xù)增大,則層流產(chǎn)生波動(dòng). 波谷 波峰 上下產(chǎn)生一個(gè)模向壓力.,形成一對(duì)力偶,使波峰與波谷重疊,形成渦體, 渦體形成后,開始旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)方向與水流一致的一邊, ,另一邊 .渦體兩邊的壓強(qiáng)差較大開力,粘滯力對(duì)的渦

8、體的控制力削減, 渦體在模向壓力的作用下,擺脫粘滯力的控制而進(jìn)入另一新流層,產(chǎn)生了質(zhì)點(diǎn)間的混摻而形成的紊流.形成條件:1)渦體產(chǎn)生 2)渦體脫離原流層進(jìn)入新流層二、 紊流的特征1> 紊流運(yùn)動(dòng)的基本特征-脈動(dòng)現(xiàn)象紊流由流場(chǎng)大小不同的溜體組成,在向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí),不停地旋轉(zhuǎn),震蕩,混摻,相互碰撞,分解又重新組合,因此各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)要素( )的大小,方向就水?dāng)嗟刈兓? 任一瞬時(shí)的運(yùn)動(dòng)要素有兩部分組成,一是時(shí)均值,二是脈動(dòng)值. 脈動(dòng)值有大,有小,有正,有負(fù).但當(dāng)T有足夠長(zhǎng)時(shí),在下時(shí)段內(nèi)脈動(dòng)值為0. 時(shí)均值的大小與所取時(shí)間有關(guān)，T太短，不穩(wěn)定，所以水文測(cè)驗(yàn)中，用流速儀測(cè)定時(shí)間有一定的要求，。紊流運(yùn)動(dòng)要素

9、時(shí)均值概念的提出，給我們研究帶來(lái)方便，如果從瞬時(shí)的概念看紊流，恒定流是不是不存在的，但從時(shí)均運(yùn)動(dòng)上看，就有了時(shí)均流線和時(shí)均恒定流。 即：當(dāng)運(yùn)動(dòng)要素時(shí)均值不隨時(shí)間變化為恒定流。 當(dāng)運(yùn)動(dòng)要素時(shí)均值隨時(shí)間變化為非恒定流。恒定流與非恒定流的提出為時(shí)均的概念。脈動(dòng)現(xiàn)象的存在，使得水流對(duì)邊壁的影響變得復(fù)雜。例如：由于脈動(dòng)現(xiàn)象的存在，脈動(dòng)壓強(qiáng)不但會(huì)增加建筑物有所承受的瞬時(shí)荷載，而且會(huì)引起建筑物的振動(dòng)及產(chǎn)生空蝕現(xiàn)象。河床底部受水流的強(qiáng)烈脈動(dòng)，能使水流挾帶三、 紊流的流速分布1、層流時(shí) 水流的流速分布呈拋物線分布明渠時(shí) 圓管時(shí) 紊流時(shí) 對(duì)數(shù)公式明渠時(shí) 圓管時(shí) 而紊流中流速分布呈對(duì)數(shù)分布 比層流時(shí)要均勻多式中 積

10、分常數(shù)c 主要根據(jù)邊界條件和水流的流動(dòng)情況來(lái)確定如在水文測(cè)驗(yàn)中 要實(shí)測(cè)某明渠均勻過(guò)水?dāng)嗝嫔先我淮咕€流速分布任一點(diǎn)為y(管底部)水深當(dāng)y=H 代入公式 則 垂線上任意點(diǎn)流速與表面流速的關(guān)系。 沿垂線對(duì)u 積分可以得單位寬度上的過(guò)流量 如果深H可得 令 或者上式為垂線平均流速與表面流速的關(guān)系 將代如可得到發(fā)生的位置即 即可以得到 在水面以下 0.633H 處的點(diǎn)流速為垂線平均流速實(shí)際工作中 水文測(cè)驗(yàn)中常數(shù)水位以下0.6H處的點(diǎn)流速近似代替垂線平均流速 第五節(jié) 的分析與計(jì)算一、 的經(jīng)驗(yàn)公式 謝才公式人類在生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出一套計(jì)算的公式，在理論上不夠完善。但在生產(chǎn)實(shí)踐中廣泛應(yīng)用 并在一定程度上能滿足需

11、要需用的是1769年謝才總結(jié)了名渠水流的實(shí)測(cè)資料后的公式 叫謝才公式式中v-斷口平均流速 A-過(guò)水?dāng)嗝婷娣e X-濕周水流與固邊界接觸的周長(zhǎng) c-謝才系數(shù) 計(jì)算公式有 （1）曼寧公式 n-糙 粗糙系數(shù) 反映邊壁曼寧公式形式簡(jiǎn)單 計(jì)算方便 阻力影響的綜合系數(shù) 參數(shù)表4-2在管道及較小河渠中應(yīng)用較廣（2）巴甫洛夫斯基公式 y可近似計(jì)算 R適用范圍n值的選定 在實(shí)際工程中往往較復(fù)雜 像管道有新有舊，有生銹 ，有清潔的 ，天然河道中，糙率更復(fù)雜。例題：有一矩形斷面渠道Q=25 底寬b=6m 水深 h=3m 求渠道中發(fā)生均勻流時(shí)每公里渠道中的解： 混凝土砌面的渠道 n=0.014曼寧公式L=1公里=100

12、0m二 、的理論公式 達(dá)西 ？斯巴羅公式 前面我們導(dǎo)出了均勻流切應(yīng)力的關(guān)系式 而與v. R . u. 有關(guān).-由量綱分析和定理知道-比例系數(shù)代入 適當(dāng)處理 -反映固體邊界的平均切應(yīng)力對(duì)的影響叫沿程阻力系數(shù)令上式在均勻流條件下建立起來(lái) 適用均勻流的層流與紊流三、的測(cè)定與分析1、測(cè)定的圓管為例 畫圖分析講解 由能量方程推導(dǎo)所以 Q由稱重法得 出介紹測(cè)Q的幾種方法。2的變化規(guī)律為了研究探討的變化規(guī)律，尼古拉用不同的粒徑的人工砂貼在管壁上表示不同的粗糙度進(jìn)行一系列的實(shí)驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果繪制成反映的變化規(guī)律餓關(guān)系曲線 以后葵士格又進(jìn)行同方法在明渠中進(jìn)行試驗(yàn)也得到了相同曲線在1944年，摩迪在總結(jié)前人的經(jīng)驗(yàn)的

13、基礎(chǔ)上，對(duì)工業(yè)管道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并繪制不同相對(duì)粗糙度的管道與Re的關(guān)系曲線摩迪圖，此圖反映了、Re、的相互關(guān)系以為縱坐標(biāo)、Re為橫坐標(biāo)，參變量用相對(duì)粗糙度表示，在此圖中顯示Re分有四個(gè)流區(qū)，不同流區(qū)中，遵循不同的規(guī)律1、近壁層流區(qū)（Re<2320），緊靠近邊壁上，整個(gè)水流為層流，總之，無(wú)論在管流式明渠中，都存在兩種流動(dòng)形態(tài)層流與紊流，紊流中又分為三個(gè)流區(qū)，有著不同的規(guī)律。所以計(jì)算要先區(qū)分流態(tài)和流區(qū)對(duì)于工業(yè)管采用摩迪圖查得計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況較符合，工業(yè)管采用公式計(jì)算，但水利工程中一般采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，我們掌握第六節(jié) 邊界層概念及邊界層的分離現(xiàn)象一、 邊界層概念這一理論在1904年有普朗特提出，出

14、發(fā)點(diǎn)為 ：與實(shí)際液體與固體邊界接觸時(shí) 液體質(zhì)點(diǎn)必然粘附邊界上，與邊界沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，u=0 在邊界的法線方向水流的u從0 增大。在邊界附近存在較大的橫向的流速梯度。在這個(gè)區(qū)內(nèi)，粘滯性作用不能忽視，邊界附近的流區(qū)既為邊界層。邊界層以外的流動(dòng)橫向流速剃度較小，可以粘滯性的作用。按理想液體處理。邊界層的范圍一般是指層流間存在摩阻力的范圍 即邊界層的厚度 一般規(guī)定 u=0.99u處的垂直距離為邊界層厚度，沿水流方向增加 =f（x）邊界層現(xiàn)象在工程中經(jīng)常遇到二、 邊界層的分離現(xiàn)象 邊界層流動(dòng)在一定條件下，將產(chǎn)生邊界層的分離現(xiàn)象。如圖所示 與水流沿柱流動(dòng)時(shí) v 越接近圓柱越小p越大，達(dá)到a點(diǎn)時(shí) u=0 稱為駐點(diǎn) 液體質(zhì)點(diǎn)達(dá)到停滯點(diǎn)后便停滯不前 且知道液體為不可壓縮 在后面流來(lái)的液體質(zhì)點(diǎn)的作用下，使流質(zhì)點(diǎn)改變運(yùn)動(dòng)方向 沿圓柱發(fā)生側(cè)向流動(dòng)，同時(shí)將壓能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能當(dāng)水流有a點(diǎn)到b點(diǎn)。 由于圓柱的滯水作用形成邊界層 且 流線趨于集中 此時(shí)水流加速減壓。但過(guò)b點(diǎn)后流線擴(kuò)散。水流減速加壓，到一定點(diǎn)，例如 e點(diǎn)的斷面 u=0 有出現(xiàn)新的停滯點(diǎn)。同樣由于液體的不可壓縮。繼續(xù)流來(lái)的質(zhì)點(diǎn)改變流動(dòng)方向 脫離邊界，向外側(cè)流動(dòng) ，這種現(xiàn)象為邊界層分離現(xiàn)象。E點(diǎn)為分離點(diǎn) ，水流脫離