1、1第六章第六章液流阻力和水头损失液流阻力和水头损失本章研究液体运动所产生的阻力和水头损失规律。液体粘滞性是产生内摩擦阻力的根源，液流在克服内摩擦阻力的同时，消耗了自身机械能（而产生了水头损失，因此须从内摩擦阻力出发来研究水头损失的规律 )。2第一节 流动阻力与水头损失的分类3 一、 水头损失的物理概念从内因条件上看，主要是由于水流与边界面接触的液体质点粘附于固体表面，其流速为零（无滑移条件）。沿边界面的外法线方向，从零迅速增大 ,过水断面上流速分布处于不均匀状态，使流层之间存在相对运动；实际液体又有粘滞性，导致相对运动的两相邻流层间产生内摩擦力，水流在流动过程中，要克服这种摩擦阻力则必然要消耗
2、一部分机械能 水头损失 ，不可逆地转化为热能而消散在水流中。 从外因条件上看，液流边界几何条件对水头损失有重大影响。 液流边界横向轮廓 的形状和大小的变化（过水断面面积、湿周）， 液流边界纵向轮廓 的形状和大小的变化（水力要素沿程不变 均匀渐变流 hf）、（水力要素沿程变化 急变流 hf hj） 4二、水头损失的 分类根据水流边界的形状和尺寸是否沿程改变，以及液体主流是否脱离固体边界或形成漩涡，把水头损失分为：(1) 沿程水头损失 ; (2)局部水头损失。1、沿程水头损失：在均匀渐变流中，由各流层间的相对运动而产生的摩阻力，称之为内摩擦阻力 。由于均匀地分布在水流的整个过程中，所以叫沿程阻力。
3、 其特点为： 固体边界形状和尺寸沿程不变，流线相互平行，主流不脱离固体边壁也没有漩涡。 为克服沿程阻力而产生的单位重量水体在运动过程中的能量损失， 称之为沿程水头损失，用符号 hf 表示。它是沿程都有并随沿程长度增加，即发生在均匀流或渐变流整个流程中的能量损失，纯粹由液体的 粘滞力 造成的损失。52、局部水头损失：发生在流动状态急剧变化的急变流中的能量损失。由于主流脱离固体边壁和漩涡的存在，局部区域内液体质点间相对运动的摩擦和碰撞 加剧 ，水流产生附加摩阻力 ,额外消耗了大量机械能，这种摩阻力叫局部阻力（ minor loss ），为克服局部阻力而产生的单位重量水体在运动过程中的能量损失，称之
4、为局部水头损失，常用 hj表示。6常见的发生局部水头损失区域 只要局部地区边界的形状或大小改变，液流内部结构就要急剧调整，流速分布进行改组流线发生弯曲并产生旋涡，在这些局部地区就有局部水头损失。 7式中： 代表该流段中各分段的沿程水头损失的总和； 代表该流段中各种局部水头损失的总和。三 水头损失的计算公式l 19世纪达西和韦氏巴赫在总结前人的基础上提出圆管沿程水头损失公式，即达西 -韦氏巴赫公式， 是一个不确定常数，一般由实验确定。l 在实验基础上，局部水头损失可按计算l 整个流程的能量损失，即 液流的总水头损失 hw是分段计算出的能量损失的叠加。8第二节 粘性流体的两种流态一、雷诺试验188
5、3年英国物理学家雷诺通过试验发现，液体运动存在两种不同的流态：层流（ laminar flow）和紊流（ turbulent flow）。 雷诺不仅证明了 在不同的流态下，水流的运动方式，断面流速分布规律，切应力（阻力）分布规律，水头损失规律各不相同；而且给出了流态的判别方法。雷诺所使用的试验装置如图所示。测压管溢流板出水阀门颜色水进水hf9将阀门 C微微开启，然后逐渐加大；随着管中流速的加大，可以看到管中颜色水呈现出： 直线 弯曲波动 完全掺混液流因为流速的不同而形成两种不同的运动状态，一种是所有流体质点作定向有规则的运动，另一种是作无规则不定向的混杂运动。前者称为 层流 ，后者称为 紊流
6、。这两种流态在质点运动轨迹、流速分布、能量损失和水头损失的规律都是不一样的。流态演示说明了这个结论：层流 ：整个流场呈一簇互相平行的流线。着色流束为一条明晰细小的直线。过渡状态 ：流体质点的运动处于不稳定状态。着色流束开始振荡。紊流 ：流体质点作复杂的无规则的运动。着色流束与周围流体相混，颜色扩散至整个玻璃管。10二、沿程水头损失 hf与平均流速 v的关系层流和紊流质点运动的方式不同，各种物理量的变化规律也是不同的。例如，随着流速 v的增加， 1 2断面之间的沿程水头损失 hf的变化规律是不同的。结论：沿程水头损失与流动状态有关，故计算各种流体通道的沿程水头损失时，必须首先判别流体的流动状态。实验结果 层流：紊流：
