流动阻力与水头损失

流动阻力与水头损失的思维导图，内容有水头损失的物理概念及其分类、液流边界几何条件对水头损失的影响、均匀流沿程水头损失与切应力的关系、液体运动的两种型态、圆管中层流运动及其沿程水头损失、湍流的特征、沿程阻力系数的变化规律、计算沿程水头损失的经验公式——谢才公式、局部水头损失，一起来看。

流动阻力与水头损失

• 水头损失的物理概念及其分类
  • 水头损失：单位重量的液体从一个断面流至另一断面所损失的机械能
  • 水头损失的原因: 实际液体具有粘滞性，与边界接触的液体质点将粘附在固态表面，使过水断面上的流速分布不均匀，相邻流层间有相对运动，有内摩擦切应力发生。 水头损失产生的条件： 1.液体具有粘滞性（起决定性作用的） 2.由于固体边界的影响，液体内部质点发生相对运动
  • 沿程水头损失：在固体边界较平直的水道中，单位重量的液体从一个断面流至另一断面所损失的机械能是沿程都有并随流程长度而增长的，常记为
  • 局部水头损失：在流动局部地区因边界急剧改变引起流动急剧调整、消耗能量而损失的水头，记为
  • 常发生局部水头损失的区域：只要局部区域的边界或的形状或大小改变，液体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，就有局部水头损失。
  • 液体的总水头损失
• 液流边界几何条件对水头损失的影响
  • 一、横截面的形状和大小
    • 可用过水断面的水力因素表证，如过水断面的面积A，水力半径R，湿周
      • 湿周：
      • 水力半径：
      • 对圆管：
  • 二、纵向面形状
    • 因边界纵向轮廓不同，可有两种不同形式的液流：均匀流，非均匀流
    • 均匀流时无局部水头损失，非均匀渐变流时局部水头损失可忽略不计，非均匀急变流时两种水头损失都有
• 均匀流沿程水头损失与切应力的关系
  • 动水压力：作用在断面1-1，2-2上的动水压力
  • 重力：
  • 摩擦阻力：
  • 列流动方向的平衡方程式：
  • 整理得：
  • 改写为：
• 液体运动的两种型态
  • 层流：在流速较小时，液体质点作有条不紊的有序直线运动，水流各层或个微小流束上彼此胡不掺杂的流动
  • 过渡流：层流与湍流间的过渡状态
  • 湍流：随流速增大，流层逐渐不稳定，质点互相混掺，液体质点运动轨迹极不规则的流动
  • 用测压管测水头损失：
    • 用体积法测流量：
      • 结论：液体型态不同，沿程水头损失的规律也不同
  • 层流段与湍流段水头损失与流速的关系：
  • 雷诺数与临界雷诺数
    • 临界流速
      • 由量纲分析得到无量量纲：
    • 临界雷诺数
  • 涡流
    • 涡流形成的前提： 1.对于某一选定的流层，它所承受的切应力，有构成力矩，使流层产生旋转的倾向。 2.外界的微小干扰或来流中残存的扰动，使该流层出现局部性的波动。
    • 涡流的形成是混掺作用产生的根源
    • 涡流的形成不一定形成湍流，只有当惯性作用与粘滞作用相比强大到一定程度时，才可能形成湍流。所有雷诺数是表征惯性力与粘滞力的比例。
• 圆管中层流运动及其沿程水头损失
• 湍流的特征
  • 运动要素的脉动
    • 湍流的基本特征是许许多多大小不等的涡流相互混掺着前进，它们的位置、形态、流速都在时刻不断地变化着，因此当大小不一的涡体通过湍流中某一定点时，必定会反映出这一点上瞬时运动要素随时间发生波动的现象，即为运动要素的脉动。
      • 恒定流时，瞬时流速虽有变化，但在足够长的时间过程中，它的时间平均值是不变的
    • 瞬时流速与时间平均流速之差叫做脉动流速
  • 湍流产生附加切应力
  • 湍流中存在粘性底层
    • 湍流中紧靠固体边界表面有一层极薄的层流层存在，叫粘性底层。粘性底层之外的才是湍流
    • 研究粘性底层的厚度
  • 湍流使流速分布均匀化
    • 湍流中由于液体质点互相混掺，相互碰撞，因而产生了液体内部各质点间的动量传递，造成了断面流速的均匀化
    • 湍流流速分布的表达式
      • 流速分布的指数公式：
      • 流速分布的对数公式：
      • 尼库拉兹管道流速分布公式：
• 沿程阻力系数的变化规律
  • 湍流分区标准及沿程阻力系数的经验公式：
• 计算沿程水头损失的经验公式——谢才公式
  • 关于巴普洛夫斯基公式
• 局部水头损失
  • 局部水头损失的通用公式：