4-液流形态及水头损失范例.ppt

* * 前进 第四章 液流形态与水头损失 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 结束 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 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： 沿程水头损失与切应力的关系 1 1 2 2 L α O O Z1 Z2 列流动方向的平衡方程式： FP1=Ap1 τ0 τ0 G=ρgAL FP2=Ap2 湿周 整理得： 改写为： 水力半径——过水断面面积与湿周之比，即A/χ 量纲分析 圆管中 沿程阻力系数 返回 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， 返回 前进 紊流形成过程的分析 返回 选定流层 流速分布曲线 τ τ 干扰 F F F F F F F F F F F F 升力 涡 体 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： 沿程阻力系数： 返回 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 前进 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， 层流流速分布 紊流流速分布 返回 沿程阻力系数的变化规律 返回 尼古拉兹实验 或 Lg（100λ） 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 返回 断面平均流速 谢齐系数 水力半径 水力坡度 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 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 d1 d2 V1 V2 2 2 1 1 3 3 L 局部水头损失 前进 Z1 Z2 O O θ G x 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 返回 局部水头损失的通用计算公式： 局部阻力系数 应用举例 理想液体 流线 实际液体 流线 流速分布 流速分布 返回 返回 水头损失分类举例 返回 hf 雷诺试验 lgV lghf O 流速由小至大 流速由大至小 θ1 θ2 颜色水 颜色水 颜色水 颜色水 返回 r u r0 每一圆筒层表面的切应力： 另依均匀流沿程水头损失与切应的关系式有： 所以有 积分整理得 当r=r0时，ux=0，代入上式得 层流流速分布为 抛物型流速分布 返回