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工程流体力学20141205第五章管流损失和水力计算
本章研究的中心问题是总流伯努利方程中水头损失项的确定。
学****要求:
1)掌握两种流态和雷诺数概念、两种流态特性及流态判别方法;
2)掌握圆管层流的运动规律,了解圆管紊流特征、紊流速度分布;
3)理解管路沿程阻力系数的变化规律,掌握管路沿程阻力损失及局部阻力损失的计算方法和管路计算;
4) 理解水击现象及其预防;
5) 了解边界层概念和边界层分离现象及绕流阻力。
第五章管流损失和水力计算
粘性流体流经固体壁面时,紧贴固体壁面的流体质点将粘
附在壁面上,由于流体质点间也有内摩擦力的作用,过流
断面上的各点流速分布不同。
低速质点对高速质点产生牵制作用,形成粘性流体的流
动阻力。流动阻力的大小既和流体的流动状态有关,且和
流体与固体壁面的作用情况有关。
为克服流动阻力,流体在流动中必然要损失能量,产生
阻力损失。单位重量流体的能量损失称为比能损失。
过流断面上影响流动阻力的主要因素
(1)过流断面的面积 A ;
(2)过流断面的湿润周长X(湿周)。

当流量相同的流体流过面积相等的两个过流断面时,湿周长的过流断面给予流体的阻力要大些;
当流量相同的流体经过湿周相等而面积不等的两个过流断面时,面积小的过流断面给予流体的阻力要大些。

流动阻力与过流断面面积 A 的大小成反比,而与湿周X 的大小成正比。
流体运动与流动阻力的两种形式
水力半径与一般圆截面的半径是完全不同的概念。
水力半径R:过流断面面积A与湿周X之比,即
流动阻力与水力半径R成反比,当同一运动流体经过水力半径R较小的过流断面时,将受到较大的阻力;反之则受到较小的阻力。
充满圆管的流体运动中,过流断面水力半径
(r为圆管半径)
充满流体的正方形管,过流断面水力半径
(a为正方形边长)
流体运动与流动阻力的两种形式
水力直径
流体的运动所受的阻力与所经过的过流断面密切相关,流体的流动和流动阻力有两种形式:
1)均匀流动和沿程阻力损失
均匀流动:流体通过的过流断面面积大小、形状和流体流动方向不变,流体速度分布不变。
沿程阻力:在均匀流动时流体所受的沿流程不变的摩擦力。
沿程阻力损失:为克服沿程阻力消耗的能量hf 。
流体运动与流动阻力的两种形式
流体运动与流动阻力的两种形式
不均匀流动:流体通过的过流断面的面积大小、形状和流体流动方向发生急剧变化。则流体的流速分布也产生急剧变化。
局部阻力:流体在一个很短的流段内形成的阻力。
局部阻力损失:克服局部阻力而产生的能量损失hm。
流体运动与流动阻力的两种形式
2)不均匀流动和局部阻力损失
整个管道的能量损失等于各管段的沿程损失和局部损失的总和。
hl=Σhf+Σhm
      粘性流体的均匀流动
均匀流动基本方程
从定常均匀流动中取出单位长度的流体,两端面为过流断面(1)和(2),由于是均匀流动,则A1=A2=A,v1=v2=v。流体作等速流动。
沿流向的力平衡方程:
即:
在均匀流动中,势能之差用于克服摩擦阻力
均匀流动中的水头损失与摩擦阻力的关系
过流断面伯努利方程:
对均匀流动:
有
代入式
得
均匀流动的水头损失为
或
      粘性流体的均匀流动
τ0与流体的流动状态有关,当流体作层状流动时,可由牛顿内摩擦定律计算,但实际流体的流动不止这一种状态。
      粘性流体的均匀流动
均匀流动中R为已知,如果解决了τ0 的计算,便可确定水力坡度 i,计算出均匀流体中的水头损失 hf 。
流体有两种流动状态,其流动阻力与流动状态有关。
    流体流动的两种状态
(1)雷诺试验装置
1 雷诺试验
1、一端光滑修圆的喇叭口水平玻璃管 2、细管(注有有颜色的水)3、控制色水的阀门 4、盛色水的容器 5、保持一定水头的水箱 6、蜂窝板 7、溢水隔板 8、供水阀门平 9、放水管 10 、控制阀区 11、测压管 12、量水筒