【正文】 在這種情況下，一般是從技術(shù)和經(jīng)濟條件綜合考慮選定管道直徑：(i)管道使用的技術(shù)要求。即先假定一個直徑求μc，再按公式計算d，當假設(shè)值與計算所得值相等時即為所求。公式中的流量系數(shù)μc與管徑有關(guān)。這時可能出現(xiàn)下述兩種情況：1. 管道的輸水能力Q、管長l及管道的總水頭H均已確定。2. 當已知管道尺寸和輸水能力時，計算水頭損失；即要求確定通過一定流量時所必須的水頭。四．短管路的水力計算問題 對于恒定流，有壓管道的水力計算主要有下列幾種：1. 輸水能力計算。三．水頭線及測壓管水頭線的繪制在已知管流各斷面的z、p/γ和αv2/2g的情況下，可以繪制11，22斷面間的水頭線和測壓管水頭線。故其他條件相同時兩者的μc值實際上是相等的。當行近流速水頭可以略去時，則流量公式變?yōu)? 56比較56式與54式可以看出：淹沒出流時的有效水頭是上下游水位差z，自由出流時是出口中心以上的水頭H；其次，兩種情況下流量系數(shù)μc的計算公式形式上雖然不同，但數(shù)值是相等的。相對于管道過水斷面積來說，A2一般都很大，所以可忽略不計，則 即 (55)上式表明，管道在淹沒出流的情況下，其包括行近流速的上下游水位差z0完全消耗于沿程損失及局部損失。此時公式(5－3)可寫作 (54)二、淹沒出流管道出口如果淹沒在水下，便稱淹沒出流。因為沿程損失　局部損失為管路中各局部水頭損失系數(shù)的總和；故(5－1)式可改為：取α2=1則可得管中流速　　　　　　(52)通過管道的流量 (53)式中：A為管道的過水斷面面積；　稱為管道系統(tǒng)的流量系數(shù)。（圖5－3印刷有誤，H、H0應(yīng)為從水面到基準面的高差）。一、自由出流如圖53為一簡單管道和水池相接，末端流入大氣。這種管道出流稱為淹沒出流。管道出口水流流入大氣，水股四周都受大氣壓強的作用，稱為自由出流管道。所謂簡單管道是指管道直徑不變且無分支的管道。復(fù)雜管道又可分為串聯(lián)管道、并聯(lián)管道及分叉管道。水泵的吸水管、虹吸管、混凝土壩內(nèi)的壓力泄水管都應(yīng)按短管計算；只有長度較大而局部損失較小的管道才能按長管計算。水頭損失包括沿程水頭損失及局部水頭損失兩種。若有壓管中液體的運動要素不隨時間而變，稱為有壓管中的恒定流；若任一運動要素隨時間而變，則稱為有壓管中的非恒定流。這類管道的整個斷面均被液體所充滿，斷面的周界就是濕周；所以管道周界上的各點均受到液體壓強的作用，因此稱為有壓管道。本章介紹有壓管中恒定流的水力計算。基本概念：⑴短管路?、崎L管路　⑶自由出流?、妊蜎]出流?、珊唵喂苈贰、蕪?fù)雜管路?、舜?lián)管路?、滩⒙?lián)管路　⑼流量模數(shù)重點掌握：⒈弄清短管路和長管路的概念，會進行短管路和長管路的水力計算詳細內(nèi)容：在以上各章中討論了液體運動的基本規(guī)律，導(dǎo)出了水力學(xué)中的三個基本方程——連續(xù)方程、能量方程及動量方程，并闡述了水頭損失的計算方法。基本要求：①理解簡單管道，復(fù)雜管道，自由出流，淹沒出流，短管、長管等概念。在查資料時應(yīng)特別注意，某些資料在給出ξ值時常注明相應(yīng)的流速的位置。目前只有少數(shù)幾種情況可以用理論來作近似分析，大多數(shù)情況還只能用實驗方法來解決。所以當液體流經(jīng)這些部位時都要產(chǎn)生局部水頭損失。這樣，水流在流動過程中，流向或過水斷面有所改變，則水流內(nèi)部各質(zhì)點的流速、壓強也都要改變，即水流內(nèi)部結(jié)構(gòu)在發(fā)生改變。第七節(jié) 局部水頭損失實際管道往往是由許多管段組成，有時各段管徑并不一樣，在各管段之間也用各種型式的管件來聯(lián)接，如彎管、漸變管等；直段上還可能裝置有閥門。雖然如此，至今對粗糙系數(shù)n值的選擇已積累了比較豐富的實測資料，而對當量粗糙度Δ的選擇困難更大，所以計算沿程水頭損失時，在水利工程上仍廣泛采用包含有n值的曼寧公式或巴甫洛夫斯基公式。天然河道的變化更為復(fù)雜，即使在同一斷面上，河灘與河槽的土壤性質(zhì)及顆粒大小也不相同，草木生長的情況更是千變?nèi)f化，而且河槽形態(tài)對粗糙系數(shù)也有一定的影響。糙率n為表征邊界表面影響水流阻力的種種因素的一個綜合系數(shù)，其概念不如絕對粗糙度那樣單純而明確。三、當量粗糙與糙率在計算阻力系數(shù)λ及謝才系數(shù)C時，總要涉及粗糙度Δ和糙率n。2． 巴甫洛夫斯基公式：　　y用4―39或4―40式計算。計算謝才系數(shù)的經(jīng)驗公式很多，我們只介紹常用的兩個。由于明渠一般均為阻力平方區(qū)，謝才公式為經(jīng)驗公式，其謝才系數(shù)是由阻力平方區(qū)的試驗資料獲得的。二、工程原型觀測研究1769年謝才分析了明渠實測資料后提出了謝才公式。由于λ中不含Red因子，故沿程水頭損失與流速的平方成正比，所以該區(qū)又稱阻力平方區(qū)。(2)過渡粗糙區(qū)：該區(qū)λ按圖中Ⅲ區(qū)的規(guī)律變化，即。2．紊流區(qū)(Red4000)Red4000時，水流進入充分紊流狀態(tài)，此后δ0因Red的增大而變薄，從而使λ出現(xiàn)三種規(guī)律：(1)水力光滑區(qū)；該區(qū)各種不同相對粗糙度的λ均沿圖中直線段Ⅱ變化，這表明λ仍與Δ／d無關(guān)，只與Red相關(guān)，此區(qū)λ的規(guī)律可用經(jīng)驗公式表達。由圖可以看出，根據(jù)λ的變化可以分為四種規(guī)律或變化區(qū)，其中層流一種，紊流三種。一、管道人工粗糙試驗研究尼庫拉茲用不同粒徑的人工砂粘貼在不同直徑的管道的內(nèi)壁上，用不同的流速進行試驗，砂粒直徑Δ與管道直徑d的比值Δ／d稱為相對粗糙度。第六節(jié) 沿程阻力系數(shù)入的規(guī)律為了探求紊流的沿程阻力系數(shù)λ的規(guī)律，水力學(xué)者們進行了大量試驗研究，其中，尼庫拉茲對人工粗糙的管道的研究結(jié)果，被廣泛用于工程實踐。尼庫拉茲采用管壁貼均勻砂的辦法，進行試驗給出了結(jié)果，這里就不介紹了。均勻紊流的流速分布可用指數(shù)或?qū)?shù)式來表達。(3)粗糙壁面(粗糙區(qū)) Δ／δ06粘性底層很薄已不起掩蓋壁面粗糙的作用，粗糙度A對水流的擾動達到充分程度，故為粗糙壁面(區(qū))。(2)過渡粗糙壁面(過渡粗糙區(qū))Δ／δ06粘性底層部分掩蓋Δ對水流的擾動，故稱為過渡粗糙壁面(區(qū))。粗糙度的存在會干擾水流，增加水流的阻力，但因粘性底層的存在，會在不同程度上掩蓋或降低壁畫粗糙的摩阻作用。即壁面的凸起高度。計算公式為　　在求出粘性底層厚度的基礎(chǔ)上，可將其對阻力的影響機理進行分析。因此紊流中并不是整個液流都是紊流，在緊靠固體邊界表面有一層極薄的層流層存在，該層流層叫粘性底層。所以紊流總切應(yīng)力為＝1＋2。但紊流運動則不同，各流層間除有相對運動外，還有橫向的質(zhì)點交換。其他運動要素如動水壓強也可用同樣方法來表示。只要建立了時間平均的概念，則我們以前所提到的分析水流運動規(guī)律的方法，對紊流的運動仍可適用。試驗研究的結(jié)果表明：瞬時流速雖有變化，但在足夠長的時間過程中，它的時間平均值是不變的。以流速為例，根據(jù)歐拉法，若在恒定流中選定某一空間定點，觀察液體質(zhì)點通過該點的運動狀態(tài)，則在該定點上，不同時刻就有不同液體質(zhì)點通過，各質(zhì)點通過時的流速方向及大小都是不同的。紊流的基本特征是許多大小不等的渦體相互混摻著前進，它們的位置、形態(tài)、流速都在時刻不斷地變化著。邊壁附近，因流速梯度較大，以及邊壁粗糙的擾動成為渦體的發(fā)源地，紊流最先由此發(fā)生。一方面因為渦體由于慣性有保持其本身運動的傾向，另一方面因為液體是有粘滯性的，粘滯作用又要約束渦體的運動，所以渦體能否脫離原流層而摻入鄰層，就要看慣性作用與粘滯作用兩者的對比關(guān)系。如此發(fā)展下去，層流即轉(zhuǎn)化為紊流。流速大的一邊壓強小，流速小的一邊壓強大，這樣就使渦體上下兩邊產(chǎn)生壓差，形成作用于渦體的升力。渦體的形成是混摻作用產(chǎn)生的根源。波幅增大到一定程度以后，由于橫向壓力與切應(yīng)力的綜合作用，使液層發(fā)生卷曲，最后，使波峰與波谷重疊，形成渦體。這樣就使發(fā)生微小波動的流層各段承受不同方向的橫向壓力P。波峰附近由于發(fā)生流線間距變化，在波峰上面，微小流束過水斷面變小，流速變大，根據(jù)伯諾里方程，壓強要降低；而波峰下面，微小流束過水斷面增大，流速變小，壓強增大。對于某—選定的流層來說，流速較大的鄰層加于它的切應(yīng)力是順流向的，流速較小的鄰層加于它的切應(yīng)力是逆流向的，因此該選定的流層所承受的切應(yīng)力，有構(gòu)成力矩，使流層發(fā)生旋轉(zhuǎn)的傾向。第五節(jié) 紊流特征及其阻力 一、紊流發(fā)生的機理由雷諾試驗可知，層流與紊流的主要區(qū)別在于紊流時各流層之間液體質(zhì)點有不斷地互相混摻作用而層流則無。當流速分布已知后，即可求Q、v、α、β等。二、圓管均勻?qū)恿骷八^損失因液體的附著作用，使管壁處流速為零(壁面無滑動條件)，液體距邊壁愈遠，其流速愈大，至管軸處達到最大值。否則稱為非牛頓流體。不同性質(zhì)的液體，其流變曲線不同，即流速梯度與切應(yīng)力的關(guān)系不同。 雷諾數(shù)在水力學(xué)中具有重要作用，雷諾數(shù)的大小不僅能判別流態(tài)，而且能反映水流層、紊的程度。水流慣性力F＝m控制質(zhì)點作層、紊運動的力主要有兩個，即慣性力和粘滯力，慣性力具有產(chǎn)生紊動的能力，粘滯力具有限制紊動的能力，而雷諾數(shù)本身正是反映過水斷面水流的慣性力和粘滯力之比，當比值大到一定程度時，慣性力使質(zhì)點能夠克服粘滯力的束縛，由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪?。對于圓管流，由于R=d/4，因而有壓管流的實際雷諾數(shù)可表示為因而圓管的臨界雷諾數(shù)為RedK=2320。設(shè)水流實際雷諾數(shù)為Re，則當Re≤580時，為層流；當Re580時，為紊流。由于臨界流速vK是隨水力半徑等因素而變化的，用常數(shù)C作為判別標準則更為簡便，為此以臨界雷諾數(shù)ReK代替C。實際上水流總是受到各種因素的擾動，因而下臨界流 速具有判別流態(tài)的實用價值。由上可知，為了正確計算沿程損失，應(yīng)首先對其流態(tài)進行判別，不同的流態(tài)有不同的規(guī)律。據(jù)試驗結(jié)果：層流時水頭損失與流速成正比。Ｃ點所對應(yīng)的流速叫上臨界流速vk’ 。相應(yīng)于液體運動型態(tài)轉(zhuǎn)變時的流速叫做臨界流速。據(jù)雷諾試驗的結(jié)果，液流型態(tài)不同，沿程水頭損失的規(guī)律也不同。為了研究不同的流態(tài)水頭損失的規(guī)律，可以在雷諾試驗的玻璃管上取兩個斷面11及22，在其上各安一根測壓管，則可測出斷面11至22間的水頭差。）上面的實驗并不只限于圓管，流動的液體也并不只限于水，因此可以得出下述結(jié)論：任何實際流體的流動都具有兩種流動型態(tài)，即層流和紊流。在后一種流動里，液體質(zhì)點在沿管軸方向運動過程中互相混摻，這種流動型態(tài)叫做紊流。上述試驗說明，同一液體，同一管道，因流速的不同而形成兩種性質(zhì)不同的流動型態(tài)。當閥門微微開啟，水就經(jīng)玻璃管中流出，如將注入顏色水的閥門部分開啟，則可以看到玻璃管的水流中出現(xiàn)一條固定而明顯的著色直線，這說明流動中的質(zhì)點互不混摻。第三節(jié)　層、紊流態(tài)及其判別一、層、紊流態(tài)及其對沿程水頭損失的影響實際液體的流動由于粘滯性的存在而具有兩種不同的型態(tài)，1885年雷諾通過試驗深入地提示了這兩種流動型態(tài)不同的本質(zhì)。因為均勻流沒有加速度，所以各作用力處于平衡狀態(tài)，沿流動方向的平衡方程式為：　　即：　　又sinα=(z1z2)/l 代入并兩邊同除以γA 得： 即：　　 或此式為總流為均勻流時邊壁切應(yīng)力與水頭損失的關(guān)系。需要考慮的僅為不能抵消的總流與粘著在壁面上的液體質(zhì)點之間的內(nèi)摩擦力。令pp2分別表示作用于斷面11及22的形心上的動水壓強；zz2表示該兩斷面形心距基準面的高度?，F(xiàn)以有壓管流為例，如圖，任意取出一段總流來分析。第二節(jié)　沿程水頭損失與阻力的關(guān)系為了建立沿程水頭損失與水流阻力的關(guān)系，下面對恒定均勻流進行分析。水力學(xué)正是在此假定的基礎(chǔ)上，對hf和hj的規(guī)律進行研究，以最終解決總水頭損失h w的計算。我們把水頭損失區(qū)分為沿程損失與局部損失，對液流本身來說，僅僅在于造成水頭損失的外在原因有所不同，這兩種水頭損失在液流內(nèi)部的物理作用方面沒有任何本質(zhì)上的區(qū)別，都是由于液體的粘滯性作用而引起的。由此可知，均勻流時總水頭線和測壓管水頭線是相互平行的直線。所以，均勻流時只有沿程水頭損失，而且沿程的水力坡度Ｊ不變，總水頭損失應(yīng)為一直線。所以實際液體總流能量方程式中的總水頭損失，可表示為：　　如果液流邊界縱向輪廓不變時，就會產(chǎn)生均勻流。由于邊界條件的局部改變，使流速大小和分布在局部范圍內(nèi)發(fā)生急劇變化，水流強烈混摻，往往伴隨產(chǎn)生旋渦區(qū)，使內(nèi)摩擦力增加，產(chǎn)生較大的能量損失，這種能量損失是發(fā)生在局部范圍之內(nèi)的，叫做局部水頭損失，用hj表示。第一節(jié)　水頭損失的兩種規(guī)律影響水頭損失的因素有液體的物理特性和邊界特征，舉例如下：液體在固體平面上流動，產(chǎn)生均勻流，（分理想液體與實際液體，從流速分布上解釋）單位重量的液體自一斷面流至另一斷面所損失的機械能叫做該兩斷面之間的水頭損失，這種水頭損失是沿程都有并隨沿程長度而增加的，所以叫做沿程水頭損失，用hf表示。水頭損失與液體的物理特性和邊界特征均有密切關(guān)系?；靖拍睿孩啪植克^損失?、蒲爻趟^損失?、菍恿鳌、任闪鳌±字Z數(shù)⑸牛頓流體與非牛頓流體?、矢郊忧袘?yīng)力　⑺粘性底層?、檀植诙取、退饣瑓^(qū)?、芜^渡粗糙區(qū)　⑾粗糙區(qū)?、醒爻套枇ο禂?shù)　⒀局部阻力系數(shù)?、也诼省≈攸c掌握：⒈層流、紊流的特征及判別方法?、怖字Z數(shù)的表達式及物理意義　⒊沿程阻力系數(shù)在層流區(qū)，紊流的光滑區(qū)，過渡粗糙區(qū)和粗糙區(qū)中的影響因素和變化規(guī)律。掌握沿程阻力系數(shù)在層流，紊流的光滑區(qū)，過渡粗糙和粗糙區(qū)中的函數(shù)關(guān)系?；疽螅孩僬_理解沿程水頭損失和局部水頭損失的物理概念、了解雷諾實驗的意義、過程，層流和紊流的主要特征以及液流型態(tài)的判別方法。第四章 水流阻力及水頭損失《水流阻力與水頭損失》授課學(xué)時為6個學(xué)時，其中第一、二、三節(jié)為2個學(xué)時，第四、第五節(jié)為2個學(xué)時，第六、第七節(jié)為2個學(xué)時，第八節(jié)不作要求。⑵選好坐標方向，注意確定式中各項的正負。實際中可取為１。可以證明β≥0。通過分析控制體的受力情況和動量變化情況，可得動量方程：即：作用于控制體上液體外力的矢量和等于由控制體流出的動量與流入的動量差。它是自然界動量守恒定律在水流運動中的具體表現(xiàn)，反映了水流動力量變化與作用力之間的關(guān)系。由于水輪機中同樣有漏損、水頭損失以及機械摩損，水輪機出力要小于水流