水力学

1. 前进 水力学 第三章 液流型态及水头损失 主讲：熊亚南

2. 结束 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

3. 相对运动 返回 水头损失的物理概念及其分类 物理性质—— 粘滞性 产生水流阻力 损耗机械能hw 固体边界—— 图示 沿程水头损失hf 水头损失的分类 图示 局部水头损失hj 各种局部水头损失的总和 某一流段的总水头损失： 举例 各分段的沿程水头损失的总和

4. τ0 FP1=Ap1 1 湿周 2 FP2=Ap2 τ0 Z1 α Z2 1 G=ρgAL 2 L O O 沿程阻力系数 量纲分析 圆管中 返回 沿程水头损失与切应力的关系 列流动方向的平衡方程式： 水力半径——过水断面面积与湿周之比，即A/χ 整理得： 改写为：

5. 若Re<Rek，水流为层流， 若Re>Rek，水流为紊流， 返回 前进 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 雷诺数 或 （下）临界雷诺数

6. F F F F F F F F F F F F 流速分布曲线 干扰 升力 τ 选定流层 τ 涡 体 返回 紊流形成过程的分析 涡体的产生 紊流形成条件 雷诺数达到一定的数值

7. 返回 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：

8. 前进 紊流特征 液体质点互相混掺、碰撞，杂乱无章地运动着 质点运动特征： 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。

9. 紊流流速分布 当Re<105时， 层流流速分布 当Re>105时， 摩阻流速， 返回 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： 流速分布的对数公式：

10. 过渡粗糙壁面, 称为率流过渡粗糙区 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 返回 沿程阻力系数的变化规律 或 尼古拉兹实验 Lg（100λ） lgRe

11. 断面平均流速 谢齐系数 水力半径 水力坡度 返回 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。 或 3.常用计算谢齐系数的经验公式： n为粗糙系数，简称糙率。水力半径单位均采用米。 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。 例题

12. θ L G Z1 Z2 O O 3 2 1 d1 d2 V2 V1 1 3 2 x 前进 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

13. 局部阻力系数 返回 局部水头损失的通用计算公式： 应用举例

14. 流速分布 流线 流速分布 流线 理想液体 实际液体 返回 返回

15. 返回 水头损失分类举例

16. 颜色水 hf lghf 颜色水 流速由小至大 θ2 流速由大至小 颜色水 颜色水 θ1 O lgV 返回 雷诺试验

17. r r0 u 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 返回 抛物型流速分布

18. ux ux 紊流 A t t O O 返回 紊流的脉动现象 （时均）恒定流 （时均）非恒定流 或

19. 紊流 粘性底层δ0 δ0 △ δ0 △ △ δ0 返回 紊流的粘性底层 粘性底层厚度 可见，δ0随雷诺数的增加而减小。 水力光滑壁面 当Re较小时， 过渡粗糙壁面 水力粗糙壁面 当Re较大时，

20. F F F F F F F F F F F F F F F F 流速分布曲线 干扰 τ 选定流层 τ 返回 紊流形成过程的分析 升力 涡 体

21. 相对粗糙度 或相对光滑度 hf 返回 尼古拉兹实验 雷诺数Re

22. B 水面宽 1：1 1：1 h 过水断面面积 b 湿周 水力半径 谢齐系数 断面平均流速 沿程水头损失 返回 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：

23. 1 l1 l2 H 2 V0≈0 0 0 d2 2 d1 1 前进 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ζ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：

24. 1 l1 l2 H 2 V0≈0 0 0 d2 2 d1 1 返回 解： 代入数据，解得： 故所需水头为2.011m。