第4章--流动形态与水头损失定稿.pptx
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1、1 前一章讨论了实际液体的能量方程,方前一章讨论了实际液体的能量方程,方程中有一项为能量损失。程中有一项为能量损失。当水流运动时,会产生粘性阻力,水流当水流运动时,会产生粘性阻力,水流克服阻力就要消耗一部分机械能,转化为热克服阻力就要消耗一部分机械能,转化为热能,造成能量损失。能,造成能量损失。产生能量损失的原因在于:产生能量损失的原因在于:水流有粘滞性水流有粘滞性4 4流动型态和水头损失流动型态和水头损失2水头损失与液流的物理性质和边界特征密切相关。水头损失与液流的物理性质和边界特征密切相关。本章首先对理想液体和实际液体,在不同边界条件本章首先对理想液体和实际液体,在不同边界条件下的液流特征
2、进行剖析,认清水头损失的物理概念。下的液流特征进行剖析,认清水头损失的物理概念。在此基础上,在此基础上,介绍水头损失变化规律及其计算方法。介绍水头损失变化规律及其计算方法。液流型态及其特征液流型态及其特征 水头损失变化规律及其计算方法水头损失变化规律及其计算方法 3 34.1 4.1 水头损失及其分类水头损失及其分类4.3 4.3 均匀流沿程水头损失与水流阻力关系均匀流沿程水头损失与水流阻力关系4.2 4.2 流动的两种形态流动的两种形态4.4 4.4 层流运动层流运动4.5 4.5 紊流运动紊流运动4.6 4.6 紊流的沿程水头损失紊流的沿程水头损失4.7 4.7 局部水头损失局部水头损失4
3、 4 流动型态和水头损失流动型态和水头损失返回目录返回目录4.8 4.8 边界层理论简介边界层理论简介4.9 4.9 绕流阻力绕流阻力4 44.1 4.1 水头损失及其分类水头损失及其分类4.3 4.3 均匀流沿程水头损失与水流阻力关系均匀流沿程水头损失与水流阻力关系4.2 4.2 流动的两种形态流动的两种形态4.4 4.4 层流运动层流运动4.5 4.5 紊流运动紊流运动4.6 4.6 紊流的沿程水头损失紊流的沿程水头损失4.7 4.7 局部水头损失局部水头损失4 4 流动型态和水头损失流动型态和水头损失4.1 4.1 水头损失及其分类水头损失及其分类返回目录返回目录4.8 4.8 边界层理
4、论简介边界层理论简介4.9 4.9 绕流阻力绕流阻力54.1 4.1 水头损失及其分类水头损失及其分类 4.1.1 4.1.1 水流阻力与水头损失水流阻力与水头损失 理想液体的运动是没有能量损失的,而理想液体的运动是没有能量损失的,而实际液体在流动的中为什么会产生水头损失实际液体在流动的中为什么会产生水头损失?6理想液体:理想液体:运动时没有相对运动,流速是均匀分布,无流速运动时没有相对运动,流速是均匀分布,无流速梯度和粘性切应力,因而,也不存在能量损失梯度和粘性切应力,因而,也不存在能量损失 。流线流线流速分布流速分布u(y)4.1.1 4.1.1 水流阻力与水头损失水流阻力与水头损失7 7
5、实际液体实际液体:其有粘性,过水断面上流速分布不均匀。因此,其有粘性,过水断面上流速分布不均匀。因此,相邻液层间有相对运动,两流层间存在内摩擦力。液相邻液层间有相对运动,两流层间存在内摩擦力。液体运动中,要克服摩擦阻力(水流阻力)做功,消耗体运动中,要克服摩擦阻力(水流阻力)做功,消耗一部分液流机械能,转化为热能而散失。一部分液流机械能,转化为热能而散失。流速分布流速分布切切应应力力分分布布uy y4.1.1 4.1.1 水流阻力与水头损失水流阻力与水头损失8水头损失(依据边界条件以及作用范围)水头损失(依据边界条件以及作用范围)沿程损失沿程损失hf局部损失局部损失hjhw4.1.14.1.1
6、水流阻力与水头损失水流阻力与水头损失用单位重量用单位重量液体的能量损失液体的能量损失hw表示水流的能量损失表示水流的能量损失9沿程水头损失沿程水头损失hf hf s在平直的固体边界水道中,单位重量在平直的固体边界水道中,单位重量的液体从一个断面流至另一个断面的机械的液体从一个断面流至另一个断面的机械能损失。能损失。这种水头损失随沿程长度增加而这种水头损失随沿程长度增加而增加,称沿程水头损失。增加,称沿程水头损失。4.1.1 4.1.1 水流阻力与水头损失水流阻力与水头损失10局部水头损失局部水头损失hj用圆柱体绕流说明局部水头损失用圆柱体绕流说明局部水头损失hj 4.1.1 4.1.1 水流阻
7、力与水头损失水流阻力与水头损失11AC理想液体理想液体分析沿柱面两侧边壁附近的流动分析沿柱面两侧边壁附近的流动液体质点运动液体质点运动 A AC C 动能增加(液体挤压),压能减少动能增加(液体挤压),压能减少压能的减少部分转化为动能压能的减少部分转化为动能12ACBC 液体质点运动液体质点运动 CCB B 动能减少(液体扩散),压能增加动能减少(液体扩散),压能增加减少的动能完全转化为压能。减少的动能完全转化为压能。13ACBC液体质点运动液体质点运动 A AC C 动能增加(液体挤压),压能减少动能增加(液体挤压),压能减少减少的压能补充为动能减少的压能补充为动能液体质点运动液体质点运动
8、C CB B动能减少(液体扩散),压能增加动能减少(液体扩散),压能增加 减少的动能减少的动能完全补充完全补充为压能。为压能。14ACBC 由于液体绕流运动无能量损失,因此,液体从由于液体绕流运动无能量损失,因此,液体从A AB B 时,时,A A和和B B点的流速和压强相同。其他流线情况类似。点的流速和压强相同。其他流线情况类似。液体质点运动液体质点运动 A AC C 动能增加(液体挤压),压能减少动能增加(液体挤压),压能减少减少的压能补充为动能减少的压能补充为动能液体质点运动液体质点运动 C CB B动能减少(液体扩散),压能增加动能减少(液体扩散),压能增加 减少的动能减少的动能完全补
9、充完全补充为压能。为压能。15ACBC实际液体绕圆柱流动实际液体绕圆柱流动 液体质点运动液体质点运动AC,动能增加,动能增加,压能减少,压能减少,减少的压能转化为动能,并用于克服能量损失减少的压能转化为动能,并用于克服能量损失16ACBC液体质点运动液体质点运动CB,动能减小,动能减小,压能增加,压能增加,减少的动能转化为压能,并用于克服能量损失减少的动能转化为压能,并用于克服能量损失17ACBC形成分离点:形成分离点:D 近壁液体从近壁液体从C-BC-B运动时,液体的动能一部分用于克服摩运动时,液体的动能一部分用于克服摩擦阻力,另一部分用于转化为压能。因此液体没有足够动能擦阻力,另一部分用于
10、转化为压能。因此液体没有足够动能完全恢复为压能(理想液体全部恢复)。在柱面某一位置,完全恢复为压能(理想液体全部恢复)。在柱面某一位置,例如例如D D 处,流速降低为零,不再继续下行。处,流速降低为零,不再继续下行。18ACBC形成分离点:形成分离点:D D D点以后的液体就要改变流向,沿另一条流线点以后的液体就要改变流向,沿另一条流线运动,这样就使主流脱离了圆柱面,形成分离点。运动,这样就使主流脱离了圆柱面,形成分离点。19ACBCD 沿圆柱面,分离点下游压强大于分离处压强,在压差沿圆柱面,分离点下游压强大于分离处压强,在压差作用下,圆柱下游液体立即填补主流所空出的区域,形作用下,圆柱下游液
11、体立即填补主流所空出的区域,形成了漩涡。漩涡随流带走,经过一段时间后,逐渐消失。成了漩涡。漩涡随流带走,经过一段时间后,逐渐消失。分离点后形成漩涡区分离点后形成漩涡区漩涡区漩涡区20ACBCD漩涡区漩涡区 漩涡体形成、运转和分裂漩涡体形成、运转和分裂漩涡区中产生了较大的能量损失漩涡区中产生了较大的能量损失21ACBCD 流速分布急剧变化流速分布急剧变化漩涡区中产生了较大的能量损失漩涡区中产生了较大的能量损失22ACBCD 漩涡的形成,运转和分裂;流速分布急剧变化,都使漩涡的形成,运转和分裂;流速分布急剧变化,都使液体产生较大的能量损失。液体产生较大的能量损失。这种能量损失产生在局部范围之内,叫
12、做局部水头损这种能量损失产生在局部范围之内,叫做局部水头损失失hj。漩涡区中产生了较大的能量损失漩涡区中产生了较大的能量损失23 当液体运动时,由于局部边界形状和大小当液体运动时,由于局部边界形状和大小的改变、局部障碍,液体产生漩涡,使得液体的改变、局部障碍,液体产生漩涡,使得液体在局部范围内产生了较大的能量损失,这种能在局部范围内产生了较大的能量损失,这种能量损失称为局部水头损失。量损失称为局部水头损失。局部水头损失局部水头损失4.1.1 4.1.1 水流阻力与水头损失水流阻力与水头损失2424管道突然缩小管道突然缩小漩涡区漩涡区局部水头损失发生的位置局部水头损失发生的位置4.1.1 4.1
13、.1 水流阻力与水头损失水流阻力与水头损失2525 管道中的闸门局部开启管道中的闸门局部开启漩涡区漩涡区局部水头损失发生的位置局部水头损失发生的位置4.1.1 4.1.1 水流阻力与水头损失水流阻力与水头损失2626 弯道水流弯道水流漩涡区漩涡区局部水头损失发生的位置局部水头损失发生的位置4.1.1 4.1.1 水流阻力与水头损失水流阻力与水头损失2727通过液体粘性将其能量耗散通过液体粘性将其能量耗散 产生漩涡的局部范围产生漩涡的局部范围局部水头损失局部水头损失沿程水头损失沿程水头损失 hf s发生边界发生边界 平直的固体边界水道中平直的固体边界水道中大小大小 与漩涡尺度、强度与漩涡尺度、强
14、度,边界形边界形状等因素相关状等因素相关耗能方式耗能方式外在原因外在原因 液体运动的摩擦阻力液体运动的摩擦阻力 边界层分离或形状阻力边界层分离或形状阻力28水头损失水头损失沿程损失沿程损失hf局部损失局部损失hj4.1.1 4.1.1 水流阻力与水头损失水流阻力与水头损失29液体在下列管道的沿程损失包括四段:液体在下列管道的沿程损失包括四段:hf 1hf 2hf 3hf 44.1.1 4.1.1 水流阻力与水头损失水流阻力与水头损失30 液体经过时的局部损失包括五段:液体经过时的局部损失包括五段:进口、突然放大、突然缩小、弯管和闸门。进口、突然放大、突然缩小、弯管和闸门。进口进口突然放大突然放
15、大突然缩小突然缩小弯管弯管闸闸门门31314.1.2 4.1.2 过流断面的水力要素过流断面的水力要素4.1.1 4.1.1 水流阻力与水头损失水流阻力与水头损失4.1 4.1 水头损失及其分类水头损失及其分类 32324.1.2 4.1.2 过流断面的水力要素过流断面的水力要素液流边界几何条件对水头损失的影响液流边界几何条件对水头损失的影响 产生水头损失的根源是实际液体本身具有粘滞产生水头损失的根源是实际液体本身具有粘滞性,而固体边界的几何条件(轮廓形状和大小)对性,而固体边界的几何条件(轮廓形状和大小)对水头损失也有很大的影响。水头损失也有很大的影响。3333l液流液流横向边界横向边界对水
16、头损失的影响对水头损失的影响A A过水断面的面积过水断面的面积 过水断面的面积是一个因素,但仅靠过过水断面的面积是一个因素,但仅靠过水断面面积尚不足表征过水断面几何形状和水断面面积尚不足表征过水断面几何形状和大小对水流的影响。大小对水流的影响。3434A A过水断面的面积过水断面的面积 例如,两个过水断面面积相同的断面,一个正方例如,两个过水断面面积相同的断面,一个正方形,一个是圆形。显然,前者对水流运动的阻力大,形,一个是圆形。显然,前者对水流运动的阻力大,水头损失要大。水头损失要大。原因:方形断面中液流与固体边界接触周界长。原因:方形断面中液流与固体边界接触周界长。l液流液流横向边界横向边
17、界对水头损失的影响对水头损失的影响3535 液流过水断面与固体边界接触的周界液流过水断面与固体边界接触的周界线,是过水断面的重要的水力要素之一。线,是过水断面的重要的水力要素之一。其值越大,对水流的阻力越大,水头损失其值越大,对水流的阻力越大,水头损失越大。越大。湿周湿周l液流液流横向边界横向边界对水头损失的影响对水头损失的影响3636 即使通过相同的流量,面积较小的过水断面,液即使通过相同的流量,面积较小的过水断面,液流通过的流速较大,水流的阻力及水头损失也大。因流通过的流速较大,水流的阻力及水头损失也大。因此,仅靠湿周也不能表征断面几何形状的影响。此,仅靠湿周也不能表征断面几何形状的影响。
18、两个过水断面的湿周相同,形状不同,过水断面面两个过水断面的湿周相同,形状不同,过水断面面积一般不相同,水头损失也就不同。积一般不相同,水头损失也就不同。l液流液流横向边界横向边界对水头损失的影响对水头损失的影响37 由于两个因素都不能完全反映横向边界对水头损失由于两个因素都不能完全反映横向边界对水头损失的影响,因此,将过水断面的面积和湿周结合起来,全的影响,因此,将过水断面的面积和湿周结合起来,全面反映横向边界对水头损失影响。面反映横向边界对水头损失影响。水力半径水力半径Rl液流液流横向边界横向边界对水头损失的影响对水头损失的影响38管管 道道dl液流液流横向边界横向边界对水头损失的影响对水头
19、损失的影响39矩形断面明渠矩形断面明渠bhl液流液流横向边界横向边界对水头损失的影响对水头损失的影响40梯形断面明渠梯形断面明渠bhml液流液流横向边界横向边界对水头损失的影响对水头损失的影响4141l 液流液流纵向边界纵向边界对水头损失的影响对水头损失的影响 液流纵向边界包括:底坡、局部障碍、断面形状液流纵向边界包括:底坡、局部障碍、断面形状沿程发生变化等。这些因素归结为液体是均匀流还是沿程发生变化等。这些因素归结为液体是均匀流还是非均匀流。非均匀流。均匀流:产生沿程水头损失均匀流:产生沿程水头损失 非均匀流渐变流非均匀流渐变流:产生沿程水头损失产生沿程水头损失 非均匀急变流非均匀急变流:产
20、生沿程和局部水头损失产生沿程和局部水头损失 4242 均匀流均匀流 A A,R R,v v 沿程不变,液流只有沿程水头损沿程不变,液流只有沿程水头损失。测压管水头线和总水头线是平行的。失。测压管水头线和总水头线是平行的。l 液流液流纵向边界纵向边界对水头损失的影响对水头损失的影响43lz1P1z2v1v2hfp1/p2/1122v222gv122gv1v200总水头线总水头线 J J测压管水头线测压管水头线J Jp p 均匀流均匀流 A A,R R,v v 沿程不变,液流只有沿程水头损失。沿程不变,液流只有沿程水头损失。测压管水头线和总水头线是平行的。测压管水头线和总水头线是平行的。P244v
21、21212水面测压管水头线水面测压管水头线Jpv11v122g2v222gz1z2hf总水头线总水头线JP2P10Gl p1 p24545非均匀流非均匀流 A A、R R、v v 沿程改变,液流有沿程和局部水头损失。沿程改变,液流有沿程和局部水头损失。测压管水头线和总水头线是不平行的曲线。测压管水头线和总水头线是不平行的曲线。非均匀渐变流:局部水头损失可忽略非均匀渐变流:局部水头损失可忽略,沿程水头损沿程水头损失不可忽略。失不可忽略。非均匀急变流:两种水头损失都不可忽略。非均匀急变流:两种水头损失都不可忽略。46非均匀急变流非均匀急变流 总水头线总水头线hjv1v2v122gv222g 测压管
22、水头线测压管水头线47474.3 4.3 均匀流沿程水头损失与水流阻力关系均匀流沿程水头损失与水流阻力关系4.2 4.2 流动的两种形态流动的两种形态4.4 4.4 层流运动层流运动4.5 4.5 紊流运动紊流运动4.6 4.6 紊流的沿程水头损失紊流的沿程水头损失4.7 4.7 局部水头损失局部水头损失4 4 流动型态和水头损失流动型态和水头损失4.1 4.1 水头损失及其分类水头损失及其分类返回目录返回目录4.8 4.8 边界层理论简介边界层理论简介4.7 4.7 绕流阻力绕流阻力4848问 题为什么要区分水流的两种流动型态?为什么要区分水流的两种流动型态?实际流体有哪两种流动型态?实际流
23、体有哪两种流动型态?这两种流动型态有什么不同?这两种流动型态有什么不同?怎样区分这两种流动型态?怎样区分这两种流动型态?4.2 4.2 流动的两种形态流动的两种形态4949为什么要区分水流的两种流动型态?为什么要区分水流的两种流动型态?实际流体恒定总流的能量方程实际流体恒定总流的能量方程:单位重量液体所具有的单位重量液体所具有的动能动能(流速水头)(流速水头)单位重量液体所具有的单位重量液体所具有的压强势能压强势能(压强水头)(压强水头)单位重量液体所具有的单位重量液体所具有的位置势能位置势能(位置水头)(位置水头)单位重量液体从单位重量液体从1断面到断面到2断面的断面的 能量损失能量损失(水
24、头损失水头损失)。)。?5050对水头损失的研究对水头损失的研究:早在19世纪初,水力学家发现:圆管中液体流动的流速不同,液流的水头损失规律也不相同。1883年,英国科学家雷诺(O.Reynolds)做了著名的雷诺实验,试图找到流动中由于粘性存在而产生的能量损失规律。雷诺实验水头损失水流速度水头损失流动型态为什么要区分水流的两种流动型态?为什么要区分水流的两种流动型态?5151雷诺:雷诺:O.Reynolds(1842O.Reynolds(18421912)1912)英国力学家、物理学家和工程师,杰出实验科学家英国力学家、物理学家和工程师,杰出实验科学家 18671867年年-剑桥大学王后学院
25、毕业剑桥大学王后学院毕业 18681868年年-曼彻斯特欧文学院工程学教授曼彻斯特欧文学院工程学教授 18771877年年-皇家学会会员皇家学会会员 18881888年年-获皇家勋章获皇家勋章 19051905年年-因健康原因退休因健康原因退休5252 雷诺兴趣广泛,一生著述很多,近雷诺兴趣广泛,一生著述很多,近7070篇论文都有很深远的影响。论文内容包篇论文都有很深远的影响。论文内容包括括 力学力学 热力学热力学 电学电学 航空学航空学 蒸汽机特性蒸汽机特性等等5353 在流体力学方面最重要的贡献:在流体力学方面最重要的贡献:l 18831883年年 发现液流两种流态:发现液流两种流态:层流
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