水力学 4.1VIP免费

第四章层流和紊流、液流阻力和水头损失本章的学习重点1.两种流态的特点、判别方法、雷诺数的物理意义。2.沿程水头损失的变化规律与计算。3.达西公式。4.沿程水头损失计算。5.局部水头损失计算。1.水流阻力是由于液体的粘滞性作用和固体边界的影响，使液体与固体之间、液体内部有相对运动的各液层之间存在的摩擦阻力的合力，水流阻力必然与水流的运动方向相反。2.水流在运动过程中克服水流阻力而消耗的能量称为水头损失。其中边界对水流的阻力是产生水头损失的外因，液体的粘滞性是产生水头损失的内因，也是主要原因。一.水头损失产生的原因★★★3.水头损失的概念：总流单位重量液体的平均机械能损失二.水头损失的类型★★★根据边界条件的不同，可以把水头损失分为两类：1.沿程水头损失：克服边壁对水流的阻力而消耗的水头损失。对于平顺的边界，水头损失与流程成正比；fh？沿程水头损失发生在什么位置？2.局部水头损失：由于局部边界急剧改变，导致水流结构改变、流速分布调整并产生旋涡区，从而引起的水头损失。？局部水头损失发生在什么位置？3.特征：（1）沿程水头损失：均匀分布在流段,与流段长度成正比。（2）局部水头损失：仅存在于局部区域与边界变化程度（形状）有关。mh图2-局部水头损失4.对于在某个流程上运动的液体，它的总水头损失hw遵循叠加原理即5.为了反映过流断面面积和湿周对水流阻力和水头损失的综合影响，我们引入水力半径的概念，即水力半径是水力学中应用广泛的重要的水力要素。ARmfwhhh三.液体流动的两种型态和流态的判别★★★1.雷诺实验1883年英国科学家雷诺，通过实验发现液体在流动中存在两种内部结构完全不同的流态：层流和紊流。（1）层流当流速较小时，液体质点以平行方式，各流层质点互不混杂，这种型态的流动叫层流。（2）紊流当流速较大时，各流层质点形成涡体互相混掺，这种型态的流动叫做紊流。hf雷诺试验lgVlghfO流速由小至大流速由大至小kVkVθ1θ21.0,cfVVhV1.75~2.0,cfVVhV颜色水颜色水颜色水颜色水返回2.水流流动型态的判别—雷诺数Re作为判据的同时发现，层流的沿程水头损失hf与流速一次方成正比，紊流的hf与流速的1.75～2.0次方成正比；在层流与紊流之间存在过渡区，hf与流速的变化规律不明确。vVcdevVcRd明渠水流临界雷诺数Rek=575。当Re＜575为层流，Re＞575为紊流。对于圆管水流RecVdv圆管水流临界雷诺数Rek=2300。当Re＜2300为层流，Re＞2300为紊流。对于明渠水流RecVRv例题1管道直径d=10mm，通过流量Q=20cm3/s，运动粘度=0.0101cm2/s。问管中水流流态属层流还是紊流？若将直径改为d=30mm，水温、流量不变，问管中水流属何种流态？解：（1）2025.480.78511QvcmsAVVscmAQ83.23785.0202（2）当直径改为30mm时紊流230025230101.0148.25dRev层流230059.8400101.0383.2dRevVVRecVRv四、沿程水头损失与切应力的关系1122LαOOZ1Z2221112221222fpVpVZZhgggg有均匀流的特点可得：1212()()fpphZZgg对均匀流有：沿程水头损失与切应力的关系1122LαOOZ1Z2列流动方向的平衡方程式：120sin0ApApgALLFP1=Ap1τ0τ0G=ρgALFP2=Ap20TL湿周整理得：01212()()ppLZZggAg改写为：00'fLLhAgRg'0fhgRL水力半径——过水断面面积与湿周之比，即A/χ'0gRJ圆管中4dR返回'00044dgJgRJrdgRJrgJ0gRJ圆管直径任意：五.圆管层流运动和沿程水头损失圆管层流运动可以应用牛顿内摩擦定律表达式和均匀流内切应力表达式，通过积分求出过水断面上的流速分布为抛物型分布。2204rrJu最大流速在管轴线处204maxrJurur0对于层流每一圆筒层表面的切应力：xdudr另依均匀流沿程水头损失与切应的关系式有：0gRJgRJ或所以有2xrdugJdr积分整理得24xgJurC当r=r0时，ux=0，代入上式得204gJCr层流流速分布为220()4xgJurr抛物型流速分布返回前进最大流速在管轴线处204maxrJu积分得...