水力学课件：4第四章 水流型态与水头损失.ppt

'YangzhouUniv水力学全国水文水资源专业进修班熊亚南扬州大学水利与能源动力工程学院 第四章水流型态与水头损失§1水头损失的分类§2层流与紊流两种型态§4沿程水头损失的计算《水力学》YangzhouUniv§5局部水头损失的计算§3紊流的特征§6自记水位计测井中水位滞后问题 《水力学》YangzhouUniv第四章水头损失§1水头损失的分类1水头损失的分类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沿程阻力局部阻力沿程水头损失局部水头损失某一流段的总水头损失：各分段的沿程水头损失的总和各种局部水头损失的总和 《水力学》YangzhouUniv第四章水头损失§2层流与紊流两种型态2层流与紊流两种型态当流量（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。当流量（流速）较大时，各流层的液体质点形成涡体，在流动过程中，相互混掺，这种型态的流动叫做紊流。2.1雷诺试验 2.2层流与紊流的判别雷诺数或若ReRek，水流为紊流《水力学》第四章水头损失§2层流与紊流两种型态YangzhouUniv 2.3水流流动型态与水头损失的关系水流为层流时，m=1.0，即：水流为紊流时，m=1.75~2.0，即：《水力学》第四章水头损失§2层流与紊流两种型态YangzhouUniv 3紊流的基本特征运动要素随时间发生随机脉动的现象叫做紊流的脉动现象。恒定流非恒定流瞬时值时均值脉动值《水力学》第四章水头损失§3紊流的基本特征YangzhouUniv3.1紊流的脉动现象水文测验规范中对测速历时的规定，就是为了消除这一脉动（紊动）影响 《水力学》YangzhouUniv3.2紊流产生的附加切应力在层流运动中，由于流层间有相对运动而引起的内摩擦阻力，称为粘滞切应力。在紊流运动中，各流层间除有相对运动引起的粘滞切应力，还有由于横向的质点混掺而引起的阻力，称为紊流的附加阻力，又称为附加切应力。3紊流的基本特征第四章水头损失§3紊流的基本特征 《水力学》YangzhouUniv3.3紊流的粘性底层粘性底层的厚度随着紊动程度的加剧而急剧减小。粘性底层δl3紊流的基本特征第四章水头损失§3紊流的基本特征 《水力学》YangzhouUniv3.3紊流的粘性底层当Re较小时，水力光滑壁面当Re较大时，△δl△δl水力粗糙壁面△δl水力过渡粗糙壁面3紊流的基本特征第四章水头损失§3紊流的基本特征 《水力学》YangzhouUniv3.4紊流的流速分布层流流速分布紊流流速分布流速分布的对数公式：摩阻流速，紊流中由于液体质点相互混掺，互相碰撞，使得断面流速分布均匀化。3紊流的基本特征第四章水头损失§3紊流的基本特征 《水力学》YangzhouUniv第四章水头损失§4沿程水头损失的计算4沿程水头损失的计算4.1沿程水头损失的经验公式——谢才公式断面平均流速谢才系数水力半径水力坡度 《水力学》YangzhouUniv第四章水头损失§4沿程水头损失的计算4沿程水头损失的计算4.1沿程水头损失的经验公式——谢才公式谢才系数有量纲，单位为m1/2/s曼宁公式n为粗糙系数，简称糙率水力半径采用米为单位巴甫洛夫斯基公式 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，求每公里渠道上的沿程水头损失。bh1：11：1解：B水面宽过水断面面积湿周水力半径谢齐系数沿程水头损失断面平均流速《水力学》第四章水头损失§4沿程水头损失的计算YangzhouUniv 《水力学》YangzhouUniv第四章水头损失§4沿程水头损失的计算4沿程水头损失的计算4.2沿程水头损失的通用计算公式（达西公式）或λ称为沿程阻力系数雷诺数Re相对粗糙度△/dλ的影响因素 《水力学》YangzhouUniv第四章水头损失§4沿程水头损失的计算已知：某输水管长L=500m，内径d=200mm，若输水流量Q=10l/s，沿程阻力系数λ=0.0227，要求：计算沿程水头损失。解：断面平均流速沿程水头损失 《水力学》YangzhouUniv第四章水头损失§5局部水头损失的计算5局部水头损失的计算局部水头损失的通用计算公式ζ称为局部阻力系数 《水力学》YangzhouUniv第四章水头损失水头损失计算的综合应用例题：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。l1l2V0≈0d2d1H112200 《水力学》YangzhouUniv第四章水头损失水头损失计算的综合应用解：代入数据，解得：故所需水头为2.011m。列能量方程：其中 《水力学》YangzhouUniv第四章水头损失§6测井水位的滞后问题6自记水位计测井中水位滞后问题的分析计算河流水位的上涨或下落，水流以一定的速度传到测井，由于测井进水管道及管道的进出口有水头损失，致使测井内水位略低或略高于河流水位，这种现象称为“滞后” 《水力学》YangzhouUniv研究测井水位的滞后现象，可以合理设计进水管尺寸，把滞后量限制在某一允许范围内，如不超过2cm第四章水头损失§6测井水位的滞后问题6自记水位计测井中水位滞后问题的分析计算 《水力学》YangzhouUniv测井水位的滞后量与测井水位的变率、测井截面积、管道截面积、阻力系数等因素有关第四章水头损失§6测井水位的滞后问题6自记水位计测井中水位滞后问题的分析计算 《水力学》YangzhouUniv6.1测井进水管流量公式的建立第四章水头损失§6测井水位的滞后问题6自记水位计测井中水位滞后问题的分析计算 《水力学》YangzhouUniv6.1测井进水管流量公式的建立设在任一时刻t，河流与测井间水位差为△Z0，经历很短时间dt之后，河流水位上涨dz、测井水位上涨dz’，二者之差为△Z第四章水头损失§6测井水位的滞后问题6自记水位计测井中水位滞后问题的分析计算 《水力学》YangzhouUniv6.1测井进水管流量公式的建立由于dt很短，dz、dz’相差不多，故可近似地用△z作为dt时段内平均水位差第四章水头损失§6测井水位的滞后问题6自记水位计测井中水位滞后问题的分析计算 《水力学》YangzhouUniv6.1测井进水管流量公式的建立按有压管淹没出流计算，t时刻第四章水头损失§6测井水位的滞后问题6自记水位计测井中水位滞后问题的分析计算 6自记水位计测井中水位滞后问题的分析计算《水力学》YangzhouUniv6.2测井水位滞后量公式的推导由水量平衡可知，在dt时段内，流过进水管的水量等于测井内增加的水量第四章水头损失§6测井水位的滞后问题 《水力学》YangzhouUniv测井内水位的滞后量测井截面积与管道截面积之比测井水位的变率流量系数与管径、管长、阻力系数有关第四章水头损失§6测井水位的滞后问题 《水力学》YangzhouUniv设计进水管尺寸时，可采用河道水位变率代替测井水位变率。若给滞后量以一定的规定值，则求出进水管的尺寸，并能保证以后的滞后量小于规定值。若采用河道中最大水位变率，则可求得最大水位滞后量：第四章水头损失§6测井水位的滞后问题 6自记水位计测井中水位滞后问题的分析计算《水力学》YangzhouUniv6.3进水管直径的计算若进水管为圆管，直径为d，则，式中单位长度用m，面积用m2，时间用s第四章水头损失§6测井水位的滞后问题 《水力学》YangzhouUniv6.3进水管直径的计算根据已知条件，假设不同的d，进行计算求出一个d，若两个d基本相等时，假设的d即为所求；否则重新假设再计算，直到符合要求为止。第四章水头损失§6测井水位的滞后问题6自记水位计测井中水位滞后问题的分析计算 《水力学》YangzhouUniv6.3进水管直径的计算建议方法：由上式，依据河道最大水位变率及其它条件，假定一个进水管直径d，可计算出相应的测井水位滞后量△Z，满足规则定值的直径即可选用。第四章水头损失§6测井水位的滞后问题6自记水位计测井中水位滞后问题的分析计算 《水力学》YangzhouUniv例：已知测井进水管长度L＝10m，测井直径为0.8m，河中水位最大涨率＝2.78×10-4m/s，进水管采用钢管，查糙率表知n=0.011，测井水位滞后量限制在1cm以内，求进水管直径？解：第四章水头损失§6测井水位的滞后问题 《水力学》YangzhouUniv假设d=0.03m，则再假设d=0.04m，则再假设d=0.038m，则再假设d=0.039m，则可选用可选用第四章水头损失§6测井水位的滞后问题 《水力学》YangzhouUniv第四章水头损失课外练习题思考题1.简述水头损失的产生机理。2.水头损失可分为哪两类?3.“在边界有变化的地方只有局部水头损失”这种说法是否正确?为什么？4.什么是层流与紊流流态?'