第四章《矿山流体机械》课件.ppt

1、第四章第四章 水头损失及管路水力计算水头损失及管路水力计算 本章学习要点本章学习要点 流体运动的两种状态流体运动的两种状态 流体在管路中的水头损失流体在管路中的水头损失 管路水力计算管路水力计算 本章小结本章小结第一节第一节 流体运动的两种状态流体运动的两种状态 1883年，英国物理学家雷诺通过实验证实：流体运动年，英国物理学家雷诺通过实验证实：流体运动时存在着层流和紊流两种不同的流动状态，且这两种流动时存在着层流和紊流两种不同的流动状态，且这两种流动状态的能量损失规律不同。状态的能量损失规律不同。层流层流是指流体运动时，各流层间质点不发生混杂，呈是指流体运动时，各流层间质点不发生混杂，呈现规

2、则的层状运动状态；现规则的层状运动状态；紊流紊流是指流体运动时，各流体质是指流体运动时，各流体质点并不是保持在某一个固定层内，而是有交混和碰撞，呈点并不是保持在某一个固定层内，而是有交混和碰撞，呈现无规则的混乱状态。现无规则的混乱状态。在层流中，流动阻力是由液体黏性引起的；在紊流中，在层流中，流动阻力是由液体黏性引起的；在紊流中，流动阻力包括液体黏性引起的阻力和流体质点间的动量交流动阻力包括液体黏性引起的阻力和流体质点间的动量交换引起的附加阻力。由于两种运动状态的流动阻力不同，换引起的附加阻力。由于两种运动状态的流动阻力不同，因此，其能量损失规律也不同。因此，其能量损失规律也不同。一、雷诺实验

3、一、雷诺实验 如下图所示为雷诺实验装置。在水箱如下图所示为雷诺实验装置。在水箱1内设有溢水板内设有溢水板5，以保证水箱中的水位以保证水箱中的水位H保持不变。在水箱保持不变。在水箱1上连接一个玻璃管上连接一个玻璃管2，在管末端装有阀门在管末端装有阀门3，用于调节管内的流量。用供水管，用于调节管内的流量。用供水管4向水向水箱箱1中供水。小水箱中供水。小水箱6内装有带色液体，并用带有开关内装有带色液体，并用带有开关8的细管的细管7把带色液体引到玻璃管把带色液体引到玻璃管2的入口内，其针状口伸入管内。的入口内，其针状口伸入管内。实验过程为：首先微开阀门实验过程为：首先微开阀门3，使少量水流出，这时管，

4、使少量水流出，这时管中水的平均流速很小，水缓慢地流出。与此同时，打开开关中水的平均流速很小，水缓慢地流出。与此同时，打开开关8，带色液体通过细管，带色液体通过细管7流入玻璃管流入玻璃管2内，并与玻璃管内，并与玻璃管2中的水中的水流一同运动。这时我们可以很清楚地看到，带色液体在玻璃流一同运动。这时我们可以很清楚地看到，带色液体在玻璃管中形成一条与管轴平行的鲜明细流，其流动非常平稳，如管中形成一条与管轴平行的鲜明细流，其流动非常平稳，如下所示。这说明带色液体质点和周围液体质点不发生混杂，下所示。这说明带色液体质点和周围液体质点不发生混杂，管中液体作层流运动。管中液体作层流运动。如果再把阀门如果再把

5、阀门3稍微开大一些，玻璃管稍微开大一些，玻璃管2中水流中水流 还会保持层流运动，但是流速加快。如果继续开大还会保持层流运动，但是流速加快。如果继续开大阀门阀门3，流速继续增大，当流速增大到某一值时，带色液体细，流速继续增大，当流速增大到某一值时，带色液体细流开始波动，如左图所示。这说明层流运动将要被破坏，此流开始波动，如左图所示。这说明层流运动将要被破坏，此时液流处于过渡状态。如果再继续开大阀门时液流处于过渡状态。如果再继续开大阀门3，波动的带色液，波动的带色液体细流将会发生破断，进而与水流相互混杂，如右图所示。体细流将会发生破断，进而与水流相互混杂，如右图所示。这说明带色液体质点和周围液体发

6、生交混，管中液体作紊流这说明带色液体质点和周围液体发生交混，管中液体作紊流运动。运动。反之，把阀门反之，把阀门3逐渐关小，则带色液体细流又会恢复到过逐渐关小，则带色液体细流又会恢复到过渡状态，再关小，就会恢复到层流状态。渡状态，再关小，就会恢复到层流状态。两种状态转换时的流体流速称为临界流速，用符号两种状态转换时的流体流速称为临界流速，用符号表表示。其中，由层流转变为紊流时的流速称为上临界流速，示。其中，由层流转变为紊流时的流速称为上临界流速，用符号用符号上上表示；由紊流转变为层流时的流速称为下临界流表示；由紊流转变为层流时的流速称为下临界流速，用符号速，用符号下下表示。实验证明，上临界流速大

7、于下临界流表示。实验证明，上临界流速大于下临界流速，即速，即上上下下。二、雷诺数及其临界值二、雷诺数及其临界值 雷诺通过大量实验建立了临界流速雷诺通过大量实验建立了临界流速、管径、管径d、流体密、流体密度度和动力黏度和动力黏度（或运动黏度（或运动黏度v）的关系，并提出了一个无）的关系，并提出了一个无因次系数，这个系数称为雷诺数，用符号因次系数，这个系数称为雷诺数，用符号Re表示，其表达表示，其表达式为：式为：vddRe 流动状态发生变化时的雷诺数称为临界雷诺数。其中，流动状态发生变化时的雷诺数称为临界雷诺数。其中，由层流变为紊流时的雷诺数称为上临界雷诺数，用符号由层流变为紊流时的雷诺数称为上临

8、界雷诺数，用符号Re上表示；由紊流变为层流时的雷诺数称为下临界雷诺数，上表示；由紊流变为层流时的雷诺数称为下临界雷诺数，用符号用符号Re下表示。下表示。实验证明：对于任何管径和流动介质，其所对应的临界实验证明：对于任何管径和流动介质，其所对应的临界雷诺数是相同的。因此，临界雷诺数可以作为判别流态的标雷诺数是相同的。因此，临界雷诺数可以作为判别流态的标准。对于圆管内流体，其上临界雷诺数准。对于圆管内流体，其上临界雷诺数Re上上13800；下临；下临界雷诺数界雷诺数Re下下2320。一般下临界雷诺数比较稳定，对于几何形状相似的一一般下临界雷诺数比较稳定，对于几何形状相似的一切流体运动，其下临界雷诺

9、数都是相等的；而上临界雷诺数切流体运动，其下临界雷诺数都是相等的；而上临界雷诺数常随试验条件和流动起始状态的不同变化。因此，通常把下常随试验条件和流动起始状态的不同变化。因此，通常把下临界雷诺数作为层流和紊流的分界。例如，圆管中流体流态临界雷诺数作为层流和紊流的分界。例如，圆管中流体流态的判别条件为：的判别条件为：Re2320 层流层流 Re2320 紊流紊流第二节第二节 流体在管路中的水头损失流体在管路中的水头损失 水头损失是指单位重量的流体从一个位置流动到另一水头损失是指单位重量的流体从一个位置流动到另一个位置时，由于克服各种阻力所消耗的能量。因此，水头个位置时，由于克服各种阻力所消耗的能

10、量。因此，水头损失是由流动阻力引起的。损失是由流动阻力引起的。流体在管路中流动时，将遇到沿程阻力和局部阻力两流体在管路中流动时，将遇到沿程阻力和局部阻力两种阻力，所以，水头损失可分为沿程水头损失和局部水头种阻力，所以，水头损失可分为沿程水头损失和局部水头损失两类。损失两类。沿程阻力沿程阻力是指运动流体层间及流体与固体壁面间所产是指运动流体层间及流体与固体壁面间所产生的摩擦阻力。单位重量的流体为克服沿程阻力而消耗的生的摩擦阻力。单位重量的流体为克服沿程阻力而消耗的能量，称为能量，称为沿程水头损失或沿程损失沿程水头损失或沿程损失，用符号，用符号hf表示。沿程表示。沿程损失只发生在过流断面无变化的直

11、线段上，而且流程愈长，损失只发生在过流断面无变化的直线段上，而且流程愈长，损失愈大。损失愈大。局部阻力局部阻力是指流体流经扩散管、收缩管、阀门或弯管等是指流体流经扩散管、收缩管、阀门或弯管等局部区域时所产生的阻力。单位重量的流体为克服局部阻力局部区域时所产生的阻力。单位重量的流体为克服局部阻力而消耗的能量，称为而消耗的能量，称为局部水头损失或局部损失局部水头损失或局部损失，用符号，用符号hj表表示。示。流体动力学伯努利方程中的流体动力学伯努利方程中的hw一项，应包括全部沿程水一项，应包括全部沿程水头损失和各种局部水头损失，即头损失和各种局部水头损失，即jfwhhh一、沿程水头损失的计算一、沿程

12、水头损失的计算 g22 对于圆管中的流体，沿程水头损失与流体流过的路程对于圆管中的流体，沿程水头损失与流体流过的路程l和速度水头和速度水头 成正比，与管路直径成正比，与管路直径d成反比，其表达式为：成反比，其表达式为：gdlhf22沿程阻力系数的确定方法如下：沿程阻力系数的确定方法如下：1在层流运动中（在层流运动中（Re2320），不同流体的沿程阻力），不同流体的沿程阻力系数系数主要取决于主要取决于Re。其中，对于水：。其中，对于水：Re64对于油：对于油：Re75 2在紊流运动中（在紊流运动中（Re2320），沿程阻力系数），沿程阻力系数主要主要取决于取决于Re和壁面粗糙度两个因素。但由于紊

13、流运动中，沿和壁面粗糙度两个因素。但由于紊流运动中，沿程阻力系数程阻力系数的计算比较复杂，因此，对于工程中常用的管的计算比较复杂，因此，对于工程中常用的管道，其道，其值可以用下面的经验公式计算。值可以用下面的经验公式计算。对于新钢管：对于新钢管：226.0210121.0dKK对于新铸铁管：对于新铸铁管：284.0210143.0dKK对于旧钢管和旧铸铁管：对于旧钢管和旧铸铁管：3.0021.0d二、局部水头损失的计算二、局部水头损失的计算 局部水头损失用速度水头的倍数来表示，其计算公式为：局部水头损失用速度水头的倍数来表示，其计算公式为：ghj22第三节第三节 管路水力计算管路水力计算 在管

14、路的水力计算中，有在管路的水力计算中，有“长管长管”与与“短管短管”之分。之分。长管是指流体在管路中流动时，局部水头损失以及流速水长管是指流体在管路中流动时，局部水头损失以及流速水头的总和小于沿程水头损失的头的总和小于沿程水头损失的5%，在水力计算中，可按沿程，在水力计算中，可按沿程水头损失的某一百分数估算，甚至可以忽略不计的管路。水头损失的某一百分数估算，甚至可以忽略不计的管路。短管是指流体在管路中流动时，局部水头损失以及流速水短管是指流体在管路中流动时，局部水头损失以及流速水头的总和大于沿程水头损失的头的总和大于沿程水头损失的5%，在水力计算中，不能忽略，在水力计算中，不能忽略，必须逐项进

15、行计算的管路。必须逐项进行计算的管路。工程上常用的管路结构类型有简单管路、串联管路、并联工程上常用的管路结构类型有简单管路、串联管路、并联管路和管网四大类。现对前三种较为简单的结构类型的水力计管路和管网四大类。现对前三种较为简单的结构类型的水力计算进行介绍。算进行介绍。一、简单管路水力计算一、简单管路水力计算 简单管路是一种沿程管径不变，流量也不变的管路，如简单管路是一种沿程管径不变，流量也不变的管路，如下图所示。它是组成各种复杂管路的基本单元，是一切复杂下图所示。它是组成各种复杂管路的基本单元，是一切复杂管路水力计算的基础。管路水力计算的基础。以断面以断面00为基准面，取断面为基准面，取断面

16、11和和22，列出其伯努，列出其伯努利方程：利方程：waahgpgpH202222211 因因10，取，取21，则，则whgH222 上式说明，系统提供的位置上式说明，系统提供的位置水头水头H除一部分用于克服流动阻除一部分用于克服流动阻力损失外，其余全部用于产生管力损失外，其余全部用于产生管道出口断面上的速度水头。道出口断面上的速度水头。速度水头和水头损失之和又称为作用水头，用速度水头和水头损失之和又称为作用水头，用符号符号He表示，即表示，即wehgHH222由于简单管路中流速沿流程不变，因此，水头损失由于简单管路中流速沿流程不变，因此，水头损失hw为：为：2242228)(2)(sQQgd

17、dlgdlhhhjfw对于短管对于短管24222228122QgddlgdlgHgHddlQ24112对于长管，可忽略其速度水头和局部水头损失对于长管，可忽略其速度水头和局部水头损失 222528QKllQgdhhHfw二、串联管路水力计算二、串联管路水力计算 串联管路是由简单管路按顺序首尾相接组成的，如下图串联管路是由简单管路按顺序首尾相接组成的，如下图所示。所示。串联管路中，各管段通过的流量相等，即串联管路中，各管段通过的流量相等，即Q1Q2QnQ。根据阻力相加原理，串联管路系统的总水头损失等于各根据阻力相加原理，串联管路系统的总水头损失等于各管段水头损失之和，即管段水头损失之和，即 wi

18、wnwwwhhhhh21则则 222222211sQQsQsQsQshiinnw因因Q1Q2QnQ，故，故 22221)(sQQsQssshinw从上式中可以看出：从上式中可以看出：insssss21三、并联管路水力计算三、并联管路水力计算 并联管路是由两节或两节以上的简单管路组成的，如并联管路是由两节或两节以上的简单管路组成的，如下图所示，其特点是流体从总管段末端分出支管段，这些支下图所示，其特点是流体从总管段末端分出支管段，这些支管段最后又汇集到另一总管段上。管段最后又汇集到另一总管段上。并联管路中，总管段的流量等于各并联支管段的流量之并联管路中，总管段的流量等于各并联支管段的流量之和，即

19、和，即QQ1Q2Qn。由于由于A、B两点为并联管路三个支两点为并联管路三个支管段共有，因此，管段共有，因此，A、B两点的测压管两点的测压管液面高差同时表示并联管路三个支管段液面高差同时表示并联管路三个支管段的水头损失，即并联管路两总管段之间的水头损失，即并联管路两总管段之间的水头损失等于各支管段的水头损失：的水头损失等于各支管段的水头损失：wwnwwhhhh21因因QQ1Q2Qn，故，故 nwnwwwshshshsh2211nssss111121故故或或22222211sQQsQsQsnn则则1221ssQQ2332ssQQ3113ssQQ3213211:1:1:sssQQQ本章小结本章小结

20、（一）流体运动的两种状态（一）流体运动的两种状态 流体运动时存在着层流和紊流两种不同的流动状态，其流体运动时存在着层流和紊流两种不同的流动状态，其能量损失规律不相同。其中，层流是指流体运动时，各流层能量损失规律不相同。其中，层流是指流体运动时，各流层间质点不发生混杂，呈现规则的层状运动状态；紊流是指流间质点不发生混杂，呈现规则的层状运动状态；紊流是指流体运动时，各流体质点并不是保持在某一个固定层内，而是体运动时，各流体质点并不是保持在某一个固定层内，而是有交混和碰撞，呈现无规则的混乱状态。有交混和碰撞，呈现无规则的混乱状态。下临界雷诺数是判别流态（层流和紊流）的标准。对于下临界雷诺数是判别流态（层流和紊流）的标准。对于圆管内流体，圆管内流体，Re2320时为层流；时为层流；Re2320时为紊流。时为紊流。（二）流体在管路中的水头损失（二）流体在管路中的水头损失 沿程水头损失的计算公式为沿程水头损失的计算公式为 ；局部；局部水头损失的计算公式为水头损失的计算公式为 。gdlhf22ghj22（三）管路的水力计算（三）管路的水力计算 简单管路水力计算中，对于短管：简单管路水力计算中，对于短管：24281QgddlH对于长管：对于长管：222528QKllQgdhHw串联管路水力计算中：串联管路水力计算中：insssss21并联管路水力计算中：并联管路水力计算中：nssss111121