工程流体力学1341.ppt

第四章 流动形态和水力损失 p* College of Water Resources and Hydropower, Wuhan University Shehua HUANG 武汉大学水利水电学院 April, 2013 h U y/h - 2 回流 P= -3 - 1 1 2 3 0 ux / U 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 §4-1 流动阻力、水头损失及其影响因素 流动（水力）阻力和水头损失 1、流动阻力 流体内部各流团或流层之间必然会产生阻抗相对运动的内摩擦力。 理解此定义时应注意：固体边界（管壁或河床）与流体接触面上的流体无滑移运动，即这部分流体质点速度为零。边界对流体的阻碍作用是通过影响流动结构而实现的，可认为是间接作用。 2、水头损失 流动阻力做功的结果，导致能量损失，则定义： 水头损失是单位重量流体由一个过流断面流至另一个断面时所损失的平均能量。 3、水头损失分类 （1）沿程水头损失：发生在渠道或管道直线段，沿流程分布较均匀并随流程长度而逐渐增加的水头损失，用 hf 表示。 （2）局部水头损失：发生在流体边界突然变化处的局部范围内的水头损失，用 hj 表示。 （3）总水头损失：hw=hf+hj ，或者 4、产生水头损失的必要条件 （1）粘性 ；（2）边界存在的影响 。 水头损失的影响因素（与界面有关的） 1、边界横向轮廓和面积大小 （1）轮廓 湿周 x 定义：液流过水断面与固体边界接触的周界线，称为湿周。 x↑→阻力大↑→hw ↑，故 hw ∝ x ； 例： ▽ (a)梯形明渠 (b)网状过流断面 （2）面积（A）←→断面大小、形状，因为面积小时，通过同样流量的 流速大，相对运动就大，则流动阻力大，hw↑，故 综合（1）、（2）的结果得： 可见，可以用一个比值表征一个过水断面影响水力损失的综合能力， 于是定义： 称为断面的水力半径，具有长度的单位（m），则 所以水力半径是断面的一个与水力损失相关的特征参数，也是非常重要的水力要素，对圆管而言， 其中d 为圆管直径。 2、 液流边界纵向轮廓 形态 （1）均匀流、渐变流：沿程水头损失（ hf ）； （2）急变流：hf →小，可略，因为流程 l 短；hj → 大。 §4-2 实际流体流动的两种形态 著名的雷诺试验（Reynolds experiment） 4－1(a) 雷诺试验示意图 4－1(b) 工作段局部放大图 如图4-1，试验过程简介，见书。 以上试验结果表明，当流速不同时，同样的流体在同一管道中的运动有两种不同的型态： 1、当流速较小时，各流层的液体质点的运动十分规则，互不混杂，以层状有条不紊的运动，这种型态的流动称为层流（Laminar flow）； 2、当流速较大时，各流层液体重点形成涡体，在流动过程中，涡体破碎，质点间剧烈碰撞和掺混，形成杂乱无章的运动，这种流动型态叫做紊流或湍流 (Turbulence) ； 雷诺试验涉及了沿程水头损失 hf 与断面平均流速的关系 ： 二均匀流断面间的沿程水头损失测量 图4-2 层流和紊流沿程阻力与流速的关系曲线 如图4-2的结果表明：液流型态不同，沿程水头损失的规律也不相同（图中不同的直线代表不同的流态） 定义：相应于流体运动型态转变时的流速，称为临界流速Vcr。 上临界流速：当 V 由小→大试验时的临界流速 ； 下临界流速：当 V 由大→小试验时的临界流速 。 显然， 的区域为层流区， 的区域为湍流区；而两个临界流 速之间的区域称为过渡区，沿程水头损失与平均速度的数学关系式（经验）为： 对层流：m=1，说明沿程水头损失与平均流速的一次方成正比 ； 对紊流：m=1.75～2，说明 hf 与 v 的1.75～2 次方成比例。 可见：随流动型态不同，m 值不同，进而 hf 不同，故欲确定 hf，必先判别流型。 流动形态的判别和雷诺数 1、临界雷诺数和雷诺数 雷诺在试验中发现：临界流速与二个因素有关 ： ① 管径d↑，Vc↓； ② 流体运动粘性系数v↑，Vc ↑。即 为给出等式关系，加一个比例系数，用Rec 表示，即 则 称 Rec 为临界雷诺数，它是一个无量纲的比例常数，因此用来作为判断流动型态的标准是合适的。例如对有压圆管流，将任意直径下测得的下临 界流速 代入上式： 对于任意的圆管中的流速 V