【正文】 水力學(xué)輔導(dǎo)材料 第 5 章 流動阻力和能量損失 【教學(xué)基本要求】 ，掌握流態(tài)判別標(biāo)準(zhǔn)。 ，掌握沿程損失和局部損失的計算方法。 【學(xué) 習(xí) 重 點】 ，雷諾數(shù)的表示方法和物理意義， ，圓管均勻流的流速分布規(guī)律，層流沿程阻力系數(shù)的確定， ，紊流沿程阻力系數(shù)的計算。 。 【內(nèi)容提要和學(xué)習(xí)指導(dǎo)】 兩種流態(tài)和判別標(biāo)準(zhǔn) 通過雷諾實驗可以觀察到運動的流體存在兩種流態(tài)，即層流與紊流。層流與紊流的過渡區(qū)可以近似用過渡區(qū)下限轉(zhuǎn)變點代替。用無量綱雷諾數(shù)來描述流體運動時，轉(zhuǎn)變點上的雷諾數(shù)為臨界雷諾數(shù)，它是兩種流態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)雷諾數(shù)小于臨界雷諾數(shù)時，流態(tài)為層流；當(dāng)雷諾數(shù)大于臨界雷諾數(shù)時，流態(tài)為紊流。管流中臨界雷諾數(shù)為 2022。 在理解兩種流態(tài)形成機理的基礎(chǔ)上，掌握雷諾數(shù) ??? vdvd ??Re 的表達式和各物理量之間的關(guān)系，弄清臨界雷諾數(shù)來源，牢記管流中臨界雷諾數(shù)為 2022 的層流與紊流的判別標(biāo)準(zhǔn)。 邊界層與邊界層分離現(xiàn)象簡介 本節(jié)不要求 掌握 。 流動阻力與能量損失的關(guān)系 由于流體運動接觸到的邊壁形狀不同，邊壁對流體的阻礙作用不同，流體流動受到的阻力也不同。流動阻力分為兩種，即 沿程阻力和局部阻力 ，對應(yīng)這兩種阻力的 能量損失是沿程損失和局部損失。 了解不同邊壁形狀與流動阻力的關(guān)系，注意區(qū)分流動系統(tǒng)中的沿程損失和局部損失，掌握沿程損失和局部損失的表達式和各物理量之間的關(guān)系。 均勻流基本方程 根據(jù)均勻流定義、能量方程和力的平衡方程，推導(dǎo)出 沿程損失與管徑、切應(yīng)力等物理量的關(guān)系。 能量方程中的 能量損失是過流斷面的平均值，過流斷面上各點的能量損失均 相等，由此可以得到切應(yīng)力分布與管徑的線性、正比關(guān)系。這一沿程損失與管徑、切應(yīng)力等物理量的關(guān)系或切應(yīng)力分布與管徑的線性、正比關(guān)系就是 均勻流基本方程。 學(xué)習(xí)中應(yīng)注意方程推導(dǎo)的條件，每一條件產(chǎn)生的結(jié)論，直至最終結(jié)論。 掌握文字 結(jié)論和導(dǎo)出方程，理解 各物理量的意義和它們之間的關(guān)系。 層流運動 流體做層流運動時， 粘性 切應(yīng)力與速度沿垂向梯度的關(guān)系符合牛頓內(nèi)摩擦定律，引入均勻流基本方程后，得到圓管中層流的拋物線型流速分布。由此可得①圓管中 過流斷面的最大流速； ②圓管中 過流斷面的平均流速；和 ③層流 沿程阻力系數(shù)公式。 應(yīng)注意 層流運動中 粘性 切應(yīng)力分布（線性）與速度分布（拋物線型）的關(guān)系，在均勻流中 過流斷面的平均流速是表征流動的重要物理量。 層流 沿程損失以平均流速表示， 層流 沿程阻力系數(shù)也是以平均流速表示，只是平均流速被包含在雷諾數(shù)中，即 Re64?? 。 紊流運動 流體的紊流運動看似雜亂無章，但從數(shù)學(xué)統(tǒng)計規(guī)律上可以將瞬時流速分解為時均流速和脈動流速。時均的均勻流服從層流運動規(guī)律，脈動流速在某一時間周期 T 內(nèi)平均值為零。脈動流速引起紊流慣性切應(yīng)力（又稱為雷諾切應(yīng)力）與單位面積上的動量有關(guān)。紊流運動的紊流切應(yīng)力是層流 粘性 切應(yīng)力和紊流慣性切應(yīng)力之和 。根據(jù)混合長度理論和均勻流基本方程得到對數(shù)型的紊流流速分布，這一公式具有理論性和經(jīng)驗性，公式中的待定常數(shù)需要由實驗確定。 學(xué)習(xí)本節(jié)應(yīng)注意科學(xué)分析與近似理論相結(jié)合的研究方法，熟悉紊流瞬時流速的分解方法， 掌握 慣性切應(yīng)力與粘性切應(yīng)力之比為雷諾數(shù)的物理特征，了解紊流流速分布公式中的 物理量意義。 紊流沿程阻力系數(shù) 尼古拉茲通過 人工粗糙管流 實驗，確定出 沿程阻力系數(shù)與雷諾數(shù)、相對粗糙度之間的關(guān)系， 實驗曲線被劃分為 5個區(qū)域，即 1．層流區(qū) 2．臨界過渡區(qū) 3．紊流光滑區(qū) 4．紊流過渡區(qū) 5．紊流粗糙區(qū)（阻力平方區(qū)）。 莫迪采 用工業(yè)管道 實際粗糙進行了相應(yīng)的 管流 實驗。將實驗成果代入 紊流流速分布積分式可以確定各 區(qū)域的 紊流流速分布公式中的代定系數(shù)和紊流沿程阻力系數(shù)公式。并給出了紊流各區(qū)的 沿程阻力系數(shù)的經(jīng)驗公式。 工程中的理論公式需要實驗成果驗證和完善， 本節(jié)應(yīng)掌握 尼古拉茲實驗條件和實驗結(jié)果，了解尼古拉茲實驗和莫迪實驗的相同和不同點，熟練運用 紊流沿程阻力系數(shù)的經(jīng)驗公式。 非圓管道流動中的沿程損失 采用圓管道流動理論計算非圓形斷面管道中的流動問題，首先選取非圓管的當(dāng)量直徑，然后按圓形管道公式計算。當(dāng)量直徑是在水力半徑相等的條件下得到的 ，明渠流中的謝才公式、曼寧公式和巴氏公式均于水力半徑相關(guān)。 掌握當(dāng)量直徑的計算方法，了解圓管道與非圓形斷面管道的區(qū)別，能應(yīng)用謝才公式、曼寧公式進行計算。 管道流動中的局部損失 圓管中突然放大處的局部阻力系數(shù)可以通過連續(xù)、能量和動量方程聯(lián)立求解獲得，更多的各種各樣的局部阻力系數(shù)需要實驗測定。局部損失的減阻措施為：（ 1）在流體內(nèi)部投放極少量的某種添加劑，改變流體紊流運動的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，達到降低阻力的目的。（ 2）大量采用的是改善邊壁條件的減阻措施。 掌握圓管中突然放大處的局部阻力系數(shù)的兩種表示方法，了解各種局部 阻力系數(shù)的查閱方法。 【思 考 題】 ，隨流量增大，雷諾數(shù)是增大還是減少？當(dāng)輸水管流量一定時，隨管徑加大，雷諾數(shù)是增大還是減少？ ，通過不同粘滯性的液體，它們的臨界雷諾數(shù)是否相同？ ，層流、紊流中各個流區(qū)的 ? 與 Re 和 dK 的關(guān)系怎樣？ 【解 題 指 導(dǎo)】 思 5— 1 解答：根據(jù) 雷諾數(shù)定義 ??? vdvd ??Re ， 雷諾數(shù)與水管直徑、平均流速成正比，當(dāng)輸水管直徑一定時，隨流量增大，雷諾數(shù)增大；當(dāng)輸水管流量一定時，隨管徑加大，雷諾數(shù)增大。 思 5— 2 解答：管流臨界 雷諾 數(shù)為 2022，無論管徑和液體粘滯性如何變化， 管流臨界 雷諾數(shù)不變，所以它們的臨界雷諾數(shù)是相同的。 思 5— 3 提示：熟記 尼古拉茲實驗成果的分區(qū)和 ? 與 Re 和 dK 的定性關(guān)系 。 第 6 章 孔口、管嘴及有壓管流 【教學(xué)基本要求】 、管嘴出流的水流特征；掌握它們的水力計算方法。 ；知道枝狀、環(huán)狀管網(wǎng)的計算方法。 。 【學(xué) 習(xí) 重 點】 、管嘴出流的有關(guān)概念及其水力計算。 。 【內(nèi)容提要和學(xué)習(xí)指導(dǎo)】 薄壁孔口出流 本節(jié)學(xué)習(xí)孔口出 流的分類、薄壁小孔口恒定自由出流和薄壁小孔口恒定淹沒出流。 注意區(qū)分孔口出流的類型，掌握薄壁小孔口恒定自由出流和薄壁小孔口恒定淹沒出流中作用水頭的推導(dǎo)條件和導(dǎo)出結(jié)果，能應(yīng)用導(dǎo)出結(jié)果進行計算。 管嘴恒定出流 本節(jié)學(xué)習(xí)圓柱形外延管嘴的恒定出流、管嘴出流中收縮斷面的真空度和管嘴正常出流的條件，介紹其它型式的管嘴。 熟悉圓柱形外延管嘴的恒定出流的分析方法，能確定管嘴出流中收縮斷面的真空度，掌握管嘴正常出流的條件： 1．作用水頭（ mH ? ） 2．管嘴長度（ dl )4~3(? ）。 短管的水力計算 本節(jié)學(xué)習(xí)短管自由出流和 短管淹沒 出流，短管的水力計算問題包括虹吸管的水力計算、水泵吸水管的水力計算和倒虹吸管的水力計算。 熟練掌握 短管的水力計算問題：（ 1）虹吸管的水力計算，（ 2）水泵吸水管的水力計算，（ 3）倒虹吸管的水力計算。 長管的水力計算 本節(jié)學(xué)習(xí)簡單管道、串聯(lián)管道和并聯(lián)管道。 熟知串聯(lián)管道和并聯(lián)管道的特點和計算公式， 熟練掌握簡單 串聯(lián)管道和并聯(lián)管道中 阻抗 的計算方法。 管網(wǎng)水力計算基礎(chǔ) 本節(jié)不做要求。 有壓管道中的水擊 分析水擊過程產(chǎn)生的原因，研究直接水擊、間接水擊、水擊波的傳播速度等計算方法，介紹降低水擊壓強 的技術(shù)措施。 了解水擊過程產(chǎn)生的原因，能區(qū)分直接水擊和間接水擊的出現(xiàn)條件，了解降低水擊壓強的技術(shù)措施。 【思 考 題】 61 水箱側(cè)壁相同高度處，開設(shè)孔徑相同的孔口和管嘴各一個，比較兩者流速和流量的大小。