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1、水力学,第三章 液流型态及水头损失,主要内容：,水头损失的物理概念及其分类,沿程水头损失与切应力的关系,液体运动的两种流态,圆管中的层流运动及其沿程水头损失的计算,紊流特征,沿程阻力系数的变化规律,计算沿程水头损失的经验公式谢齐公式,局部水头损失,粘滞性,相对运动,物理性质,固体边界,产生水流阻力,损耗机械能hw,水头损失的物理概念及其分类,图示,图示,水头损失的分类,沿程水头损失hf,局部水头损失hj,某一流段的总水头损失：,各分段的沿程水头损失的总和,各种局部水头损失的总和,举例,沿程水头损失与切应力的关系,列流动方向的平衡方程式：,整理得：,改写为：,水力半径过水断面面积与湿周之比，即A
2、/,沿程阻力系数,液体运动的两种流态,雷诺试验,揭示了水流运动具有层流与紊流两种流态。,当流速较小时，各流层的液体质点是有条不紊地运动，互不混杂，这种型态的流动叫做层流。,当流速较大，各流层的液体质点形成涡体，在流动过程中，互相混掺，这种型态的流动叫做紊流。,层流与紊流的判别,（下）临界雷诺数,雷诺数,或,若ReRek，水流为层流，,若ReRek，水流为紊流，,紊流形成过程的分析,紊流形成条件,涡体的产生,雷诺数达到一定的数值,圆管中的层流运动及其沿程水头损失的计算,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：,流速分布（推演）：,断面平均流速：,沿程水头损失：,
3、沿程阻力系数：,紊流特征,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,紊流产生附加切应力,由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,紊流粘性底层,在紊流中紧靠固体边界附近，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，该层流叫做粘性底层。,图示,粘性底层虽然很薄，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。,质点运动特征：,液体质点互相混掺、碰撞，杂乱无章地运动着,紊动使流速分布均匀化,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
4、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。,流速分布的指数公式：,当Re105时，,当Re105时，,流速分布的对数公式：,摩阻流速，,沿程阻力系数的变化规律,尼古拉兹实验,或,Lg（100）,lgRe,层流时,水力光滑壁面,称为紊流光滑区,水力粗糙壁面,称为紊流粗糙区,过渡粗糙壁面,称为率流过渡粗糙区,计算沿程水头损失的经验公式谢齐公式,1.谢齐系数有量纲，量纲为L1/2T-1，单位为m1/2/s。,2.谢齐公式可适用于不同流态和流区，既可适用于明渠水流也可应用于管流。,3.常用计算谢齐系数的经验公式：,曼宁公式,巴甫洛夫斯基公式
5、,这两个公式均依据阻力平方区紊流的实测资料求得，故只能适用于阻力平方区的紊流。,或,n为粗糙系数，简称糙率。水力半径单位均采用米。,例题,局部水头损失,对1-1、2-2断面列能量方程式,列X方向的动量方程式,化简整理得：,所以有,局部水头损失的通用计算公式：,应用举例,水头损失分类举例,雷诺试验,抛物型流速分布,紊流的脉动现象,或,（时均）恒定流,（时均）非恒定流,紊流的粘性底层,粘性底层厚度,可见，0随雷诺数的增加而减小。,当Re较小时，,水力光滑壁面,当Re较大时，,水力粗糙壁面,过渡粗糙壁面,紊流形成过程的分析,升力,涡 体,尼古拉兹实验,相对粗糙度 或相对光滑度,雷诺数Re,例题：有一混凝土护面的梯形渠道，底宽10m，水深3m，两岸边坡为1：1，粗糙系数为0.017，流量为39m3/s，水流属于阻力平方区的紊流，求每公里渠道上的沿程水头损失。,解：,水面宽,过水断面面积,湿周,水力半径,谢齐系数,沿程水头损失,断面平均流速,例题：水从水箱流入一管径不同的管道，管道连接情况如图所示，已知：,（以上值均采用发生局部水头损失后的流速）,当管道输水流量为25l/s时，求所需要的水头H。,分析：用能量方程式，三选定，,列能量方程：,解：,代入数据，解得：,故所需水头为2.011m。,
