水头损失计算.docx

关于水头损失计算的整合与研究摘要:在世纪液体恒定总流量方程式中的hw，表示液体在流动过程中单位重量液 体克服阻力做功所消耗的机械能，称之为水头损失(Loss head)或能量损失，它 是液流机械能损耗的基本度量指标造成水头损失的外因是：影响相对运动与水流阻力强度的固体边界状况；水 头损失内因是：相对运动与摩擦阻力的水流粘滞性，也是根本原因产生水头损 失的方式是：液体与固体边壁之间、液层与液层之间或液体质点之间的摩擦、碰 撞和混掺关键词：水头损失计算一：概念分析1：沿程水头损失：克服沿程阻力做功而引起的水头损失局部水头损失：水流克服局部阻力做功引起的水头损失2：水流阻力与水头损失水流阻力和水头损失是两个不同而又相关联的重要概念，确定它们的性质、 大小和变化规律在工程实践中有十分重要的意义I )水流阻力是由于固体边界的影响和液体的粘滞性作用，使液体与固体之 间、液体内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 是根本原因3）根据边界条件的不同把水头损失分为两类：对于平顺的边界，水头损失 与流程成正比的称为沿程水头损失，用 hf 表示；由局部边界急剧改变导致水流 结构改变、流速分布改变并产生旋涡区而引起的水头损失称为局部水头损失，用 hj 表示。

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：hw 二》hf +》hj （ 4 - l ）（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，引 入水力半径的概念，即：R二A/c （4 - 2 ）水力半径是水力学中应用广泛的重要水力要素3：层流和紊流1883 年雷诺通过实验发现：流速不同时水流流动形态不同当流速较小时， 液体质点作有条不紊、互不混掺的运动，这种流动形态称为层流；当流速较大时， 质点运动轨迹曲折杂乱，各流层的质点互相混掺，形成大量大小不一的涡体，这 种流动形态称为紊流；紊流中各处的流速、压强等运动要素值均随时间作不规则 变化的现象称为紊流脉动由于紊流的脉动性，在研究紊流时，把运动要素值视为由时均值和脉动值迭 加而成时均值是指在足够长的时间间隔内所取的时间平均值在水力学分析中， 流线、恒定流等概念均具有时均值意义雷诺数和临界雷诺数密度为p、粘性系数为n的液体，在直径为d的管中以 断面平均流速v流动时，可以用无因次数Re二pvd/n反映管流的惯性力和粘性 力的相对比值， Re 称为雷诺数雷诺数小时，粘性力相对大，对紊动干扰起约 束作用，因而易于保持层流状态；雷诺数大时则相反，易于成为紊流状态。

水流 从紊流状态转为层流状态时的流速 vc 称为临界流速，以临界流速构成的雷诺数 Rec二pvcd/n称为临界雷诺数雷诺实验证明，Rec为一常数，约为2000对 于圆管有压流动，当Re 二 pvd/n<2000 时为层流；Re = pvd/n>2000 时为紊流对于明渠流，雷诺数为Re = pvR/n,式中R = A/x称为水力半径；A为过水 断面面积；x为湿周，即在过水断面上水与固体界壁相接触的周界长度；临界雷 诺数为 Rec 二 pvcR/n 二 500 ,当Re 二 pvR/n<500 时为层流；Re = pvR/n>500时一般为紊流 以上判别流态标准，限于断面形状不变的长直管渠中的均匀流动二：水头损失计算方法 1：沿程阻力和沿程水头损失水流在固体边界的断面形状和尺寸、固壁表面粗糙状况等沿程不发生变化的 长直流段内所产生的阻力，称为沿程阻力相应的单位能量损失，称为沿程水头损失当流动为层流时，沿程阻力是各流层之间的粘滞切应力根据牛顿内摩擦定律粘滞切应力(T)的大小为(1)由均匀流的能量方程和动量方程可得沿程阻力与沿程水头损失之间的关系式为(2)公式(2)称为均匀流基本方程式中Y为液体重度；I为流段的长度。

对圆管层流的沿程水头损失计算公式yd2(3)当流动为紊流时，液体内部除了在各流层之间存在粘滞切应力 T1 外，还有由于 液体质点的横向混掺而引起的紊动切应力t2(又称惯性切应力)因此，总的切应力为t = t1+t2 (4)由于对紊流理论的研究至今尚未成熟，关于紊动切应力的计算，各研究者所提出 的理论仍都是半经验性的，其中有代表性的理论是L.普朗特在1925年提出的动 量传递理论对于紊流沿程水头损失的计算，目前仍只能用经验公式，常用的经验公式是1857年H.-P.-G.达西根据长直圆管有压流动的观测资料总结出的经验公式(5)式中入为沿程阻力系数，无因次数，其值与雷诺数及管壁相对粗糙度A/d有关； △是管壁粗糙凸起高度，称为绝对粗糙度达西公式也适用于层流2：局部阻力和局部水头损失水流在固体边界的断面形状、尺寸或纵向方向发生急剧变化的地方，往往发生主流与边壁脱离的现象，在分离点后面形成旋涡区在旋涡区及其下游一局部 流段内水流紊动剧烈，产生较大的惯性阻力及粘性阻力，称为局部阻力相应的 单位能量损失，称为局部水头损失 hj局部水头损失按下式计算h尸塢 ⑹式中勺为局部阻力系数，无因次数 弋值的大小与局部阻碍的几何形状、尺寸、边壁的粗糙有关。

局部阻碍的形式繁多,水力现象极其复杂,目前除了少数几种情 况（如圆管断面突然扩大）外，勺值尚只能由实验确定如果两个局部障碍距离很近，会发生局部障碍之间的相互干扰，总的局部水 头损失不等于这两个局部水头损失的和，而是可能出现大幅度的增大或减小在整个流段中所产生的水头损失hl等于各流段全部沿程水头损失hf和全部局部水头损失 hj 之和，即3：绕流阻力hl 二》hf+》hj+… (7)水流绕物体流动时，水流受到物体的作用而产生的阻力，称为绕流阻力绕 流阻力包括摩擦阻力和形状阻力（或称压差阻力）两部分绕流阻力 F 按下式计算(8)式中CD为绕流阻力系数，无因次，其值由实验确定；p为水流密度；vO为未受 物体干扰的来流流速;A为物体在垂直于来流流速方向上的投影面积。