水力學系統(tǒng)講義課件第五章(1)-流動形態(tài)及水頭損失

第五五章章液體體的的流流動動型型態(tài)態(tài)及及水水頭頭損損失失§5-1水頭頭損損失失產產生生的的原原因因及及分分類類§5-2均勻勻流流中中沿沿程程水水頭頭損損失失的的計計算算公公式式§5-3液體體流流動動的的兩兩種種型型態(tài)態(tài)輸水水管管路路系系統(tǒng)統(tǒng)§5-1水頭頭損損失失產產生生的的原原因因及及分分類類產生生原原因因：：液體體的的粘粘滯滯性性和和液液體體質質點點間間的的動動量量交交換換而而引引起起的的。。沿程程水水頭頭損損失失：：在管管徑徑沿沿程程不不變變的的直直管管段段內內產產生生，，記記為為hf，其大大小小和和管管長長成成比比例例。。產生生原原因因：：局部部地地區(qū)區(qū)產產生生漩漩渦渦。。漩漩渦渦的的產產生生及及維維持持，，漩漩渦渦水水體體與與主主流流之之間間的的動動量量交交換換，，漩漩渦渦間間的的碰碰撞撞與與摩摩擦擦均均需需消消耗耗能能量量而而引引起起水水頭頭損損失失。。局部部水水頭頭損損失失：：在水水流流方方向向、、斷斷面面形形狀狀和和尺尺寸寸改改變變以以及及障障礙礙處處產產生生，記記為為hj。過水水斷斷面面的的形形狀狀和和尺尺寸寸對對沿沿程程水水頭頭損損失失的的影影響響濕周周：過過水水斷斷面面上上被被液液體體濕濕潤潤的的固固體體周周界界長長度度，，記記為為χ。結論論：在在同同樣樣的的流流量量，，同同樣樣的的管管材材、、管管長長、、過過水水斷斷面面積積的的前前提提下下，，濕濕周周越越小小，，沿沿程程水水頭頭損損失失越越小小。。過水斷面的形形狀和尺寸對對沿程水頭損損失的影響結論：不能單純用用過水斷面積積和濕周的大大小反映過水水斷面的形狀狀和尺寸對沿沿程水頭損失失的影響。水力半徑過水斷面積A與濕周χ之比定義為水水力半徑：其他條件相同同：水力半徑徑大者沿程水水頭損失小。。對于半徑為r或者直徑為d的圓形過水斷斷面，水力半半徑為綜合反映過水水斷面積和濕濕周對沿程水水頭損失的影影響。對于底寬為b，水深為h，邊坡系數(shù)為m的梯形過水斷斷面渠道的水水力半徑為矩形過水斷面面渠道的水力力半徑，令m=0，則對于h/b<1/10的寬矩形過水水斷面渠道的的水力半徑§5-2均勻流中沿程程水頭損失的的計算公式圓管總流中取取出長度為s的一段作為控控制體，研究究其平衡。假假設流動是恒恒定的均勻流流，且液體是是不可壓縮的的。恒定流，沒有有時間加速度度；均勻流，，沒有位移加加速度，故該該流動液體的的全部加速度度為零?？刂企w上的表表面力：動水水總壓力；摩摩擦力控制體上的質質量力：重力力分量動水總壓力摩擦力重力分量寫1－1和2－2斷面的能量方方程式圓管均勻流過過水斷面上的的切應力按直直線規(guī)律分布布，管壁處最最大，管軸線線處為零。對于水力半徑徑為R`的同心圓筒式式元流，其元元流表面的切切應力τ為由量綱分析我我們可以得到到切應力τ0為均勻流情況下下的沿程水頭頭損失公式對于圓管達西-威斯巴赫（Darcy-Weisbach）公式例5.2.1水流在直徑d=30cm的圓管中流動動時，在l=100管長上測得水水頭損失hf=2m。試求：（1）管壁上的切切應力τ0；（2）當沿程水頭損損失系數(shù)λ=0.025時的斷面平均均流速v。解：（1）τ0計算（2）斷面平均流流速計算§5-3液體流動的兩兩種型態(tài)雷諾實驗液流型態(tài)的判判別雷諾數(shù)的物理理意義5.3.1雷諾實驗實驗裝置上游是一個保保持恒定水位位的水箱，由由側壁引出一一根平直的玻玻璃管。水箱箱頂部放有一一盛紅顏色水水的容器，在在其下用細管管引入到水平平玻璃管的入入口處。兩個個測壓管是為為了測量沿程程水頭損失。。通過閥門K可以調節(jié)管中中的流速。下下游設有接水水容器。實驗操作及現(xiàn)現(xiàn)象先將閥門K微微打開，在在玻璃管中有有一條平直的的色線。再將閥門K逐漸開大，玻玻璃管中的流流速就逐漸增增大，管中的色線開始始顫動并彎曲曲，有波狀外外形。當流速速達到一定值值時，色線完完全破裂形成成許許多多的的小旋渦充滿滿整個玻璃管管。當實驗以相反反的程序進行行時，則流動動從紊流轉變變?yōu)閷恿?。由紊流轉變?yōu)闉閷恿鲿r的流流速比由層流流轉變?yōu)槲闪髁鲿r的流速小小。實驗結論1.同一種液體在在同一個管道道中流動，當當流速不同時時液體有兩種種不同的運動動型態(tài)：（1）層流：是指指在流速較小小時，液體質質點作有條不不紊的直線運運動，水流各各層上的質點點互不摻混。。（2）紊流（湍流流）：是指在在流速較大時時，流層逐漸漸不穩(wěn)定，質質點相互摻混混，液體質點點運動軌跡極極不規(guī)則的流流動。2.沿程水頭損失失hf與平均流速的的關系。沿程水頭損失失hf與平均流速的的關系由1-1，2-2斷面的能量方方程兩根測壓管中中的水位差就就是1-1，2-2斷面間的水頭頭損失；通過下游容器器可測量流量量，進而可計計算管中的斷斷面平均流速速v。以lgv為橫坐標軸，，以lghf為縱坐標軸。。線段AC與水平軸的夾夾角為45o；線段DE與水平軸的夾夾角在60o15ˊˊ～63o26ˊˊ之間。5.3.2液流型態(tài)的判判別用顏色水觀察察水流型態(tài)（（可操作性差差）用臨界流速判判斷（缺乏普普適性）實驗發(fā)現(xiàn)，采采用無量綱雷雷諾數(shù)判斷液液流型態(tài)更適適合相應于下臨界界流速的的雷諾數(shù)為下下臨界雷諾數(shù)數(shù)；相相應于上臨界界流速的的雷諾數(shù)為上上臨界雷諾數(shù)數(shù)。臨界雷諾數(shù)由于下臨界雷雷諾數(shù)比較穩(wěn)穩(wěn)定，因此用用下臨界雷諾諾數(shù)作為判斷斷液流型態(tài)的的依據(jù)。下臨界雷諾數(shù)數(shù)以上的液流流總是紊流，，下臨界雷諾諾數(shù)以下的液液流總是層流流。對于圓管中的的流動，臨界界雷諾數(shù)為對于明渠及天天然河道中的的流動，臨界界雷諾數(shù)為5.3.3雷諾數(shù)的物理理意義雷諾數(shù)表示作作用在液流上上的慣性力與與粘性力的比比值。紊流：雷諾數(shù)數(shù)較大，作用用在液流上的的慣性力起主主導作用，粘粘性力約束不不住液流的質質點，液體質質點在慣性力力的作用下互互相摻混而呈呈紊流型態(tài)。。層流