水流阻力和水頭損失

層流和紊流　1883年O.雷諾通過實驗發(fā)現(xiàn)：流速不同時水流流動形態(tài)不同。當(dāng)流速較小時，液體質(zhì)點作有條不紊、互不混摻的運動，這種流動形態(tài)稱為層流；當(dāng)流速較大時，質(zhì)點運動軌跡曲折雜亂，各流層的質(zhì)點互相混摻，形成大量大小不一的渦體，這種流動形態(tài)稱為紊流；紊流中各處的流速、壓強(qiáng)等運動要素值均隨時間作不規(guī)則變化的現(xiàn)象稱為紊流脈動。由于紊流的脈動性，在研究紊流時，把運動要素值視為由時均值和脈動值迭加而成。時均值是指在足夠長的時間間隔內(nèi)所取的時間平均值。在水力學(xué)分析中，流線、恒定流等概念均具有時均值意義。雷諾數(shù)和臨界雷諾數(shù)　密度為ρ、粘性系數(shù)為η的液體，在直徑為d的管中以斷面平均流速v流動時，可以用無因次數(shù)Re＝ρvd/η反映管流的慣性力和粘性力的相對比值，Re稱為雷諾數(shù)。雷諾數(shù)小時，粘性力相對大，對紊動干擾起約束作用，因而易于保持層流狀態(tài)；雷諾數(shù)大時則相反，易于成為紊流狀態(tài)。水流從紊流狀態(tài)轉(zhuǎn)為層流狀態(tài)時的流速vc稱為臨界流速，以臨界流速構(gòu)成的雷諾數(shù)Rec＝ρvcd/η稱為臨界雷諾數(shù)。雷諾實驗證明，Rec為一常數(shù)，約為2000。對于圓管有壓流動，當(dāng)Re＝ρvd/η＜2000時為層流；Re＝ρvd/η＞2000時為紊流。對于明渠流，雷諾數(shù)為Re＝ρvR/η，式中R＝A/ⅹ稱為水力半徑；A為過水?dāng)嗝婷娣e；ⅹ為濕周，即在過水?dāng)嗝嫔纤c固體界壁相接觸的周界長度；臨界雷諾數(shù)為Rec＝ρvcR/η＝500，當(dāng)Re＝ρvR/η＜500時為層流；Re＝ρvR/η＞500時一般為紊流。以上判別流態(tài)標(biāo)準(zhǔn)，限于斷面形狀不變的長直管渠中的均勻流動。沿程阻力和沿程水頭損失　水流在固體邊界的斷面形狀和尺寸、固壁表面粗糙狀況等沿程不發(fā)生變化的長直流段內(nèi)所產(chǎn)生的阻力，稱為沿程阻力。相應(yīng)的單位能量損失，稱為沿程水頭損失。當(dāng)流動為層流時，沿程阻力是各流層之間的粘滯切應(yīng)力。根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律粘滯切應(yīng)力（τ）的大小為(1)由均勻流的能量方程和動量方程可得沿程阻力與沿程水頭損失之間的關(guān)系式為　(2)公式(2)稱為均勻流基本方程。式中γ為液體重度；l為流段的長度。對圓管層流的沿程水頭損失計算公式(3)當(dāng)流動為紊流時，液體內(nèi)部除了在各流層之間存在粘滯切應(yīng)力τ1外，還有由于液體質(zhì)點的橫向混摻而引起的紊動切應(yīng)力τ2（又稱慣性切應(yīng)力）。因此，總的切應(yīng)力為τ＝τ1 τ2(4)由于對紊流理論的研究至今尚未成熟，關(guān)于紊動切應(yīng)力的計算，各研究者所提出的理論仍都是半經(jīng)驗性的，其中有代表性的理論是L.普朗特在1925年提出的動量傳遞理論。對于紊流沿程水頭損失的計算，目前仍只能用經(jīng)驗公式，常用的經(jīng)驗公式是1857年H.-P.-G.達(dá)西根據(jù)長直圓管有壓流動的觀測資料總結(jié)出的經(jīng)驗公式(5)式中λ為沿程阻力系數(shù)，無因次數(shù)，其值與雷諾數(shù)及管壁相對粗糙度Δ/d有關(guān)；Δ是管壁粗糙凸起高度，稱為絕對粗糙度。達(dá)西公式也適用于層流。局部阻力和局部水頭損失　水流在固體邊界的斷面形狀、尺寸或縱向方向發(fā)生急劇變化的地方，往往發(fā)生主流與邊壁脫離的現(xiàn)象，在分離點后面形成旋渦區(qū)。在旋渦區(qū)及其下游一局部流段內(nèi)水流紊動劇烈，產(chǎn)生較大的慣性阻力及粘性阻力，稱為局部阻力。相應(yīng)的單位能量損失，稱為局部水頭損失hj。局部水頭損失按下式計算　(6)式中ξ為局部阻力系數(shù)，無因次數(shù)，ξ值的大小與局部阻礙的幾何形狀、尺寸、邊壁的粗糙有關(guān)。局部阻礙的形式繁多，水力現(xiàn)象極其復(fù)雜，目前除了少數(shù)幾種情況（如圓管斷面突然擴(kuò)大）外，ξ值尚只能由實驗確定。如果兩個局部障礙距離很近，會發(fā)生局部障礙之間的相互干擾，總的局部水頭損失不等于這兩個局部水頭損失的和，而是可能出現(xiàn)大幅度的增大或減小。在整個流段中所產(chǎn)生的水頭損失hl等于各流段全部沿程水頭損失hf和全部局部水頭損失hj之和，即hl＝Σhf＋Σhj …(7)繞流阻力　水流繞物體流動時，水流受到物體的作用而產(chǎn)生的阻力，稱為繞流阻力。繞流阻力包括摩擦阻力和形狀阻力（或稱壓差阻力）兩部分。繞流阻力F按下式計算　(8)式中CD為繞流阻力系數(shù)，無因次，其值由實驗確定；ρ為水流密度；v0為未受物體干擾的來流流速；A為物體在垂直于來流流速方向上的投影面積。參考書目　成都科技大學(xué)水力學(xué)教研組編：《水力學(xué)》上冊，高等教育出版社，北京，1982。 2100433B

沿程阻力——流動中水流內(nèi)摩擦力（黏性力）。

局部阻力——局部邊界突變引起流速突變產(chǎn)生的慣性力（如斷面突大突小或閘閥等） 。

水流阻力(flow resistance)水流與物體作相對運動時，物體與水流接觸面上的作用力沿運動方向的分力。水流阻力是相鄰液層間的摩擦切力。這際液體流動時，由于液體具有粘滯性，緊貼固體壁面的液體質(zhì)點將粘貼附在壁面上，液體流速從固體壁面上零值增加到主流流速，形成一定的流速梯度。根據(jù)牛頓內(nèi)摩定律，這種流速梯度的存在，便會引起相鄰液層間的摩擦切力，即水流阻力 。

造成了水頭損失，實際流體在管內(nèi)流動時，由于粘性的存在，總要產(chǎn)生能量損失。產(chǎn)生能量損失的原因和影響因素很復(fù)雜，通?？砂ㄕ承宰枇υ斐傻恼承該p失和局部阻力造成的局部損失兩部分 。