水利工程网htp://ww.shigong.com (b) 图1-1-1 它的极限情况即是均匀流。 渐变流中的过水断面可近似看为平面,动水压强在过水断面 上按静水压强分布规律分布。 2)急变流,不满足渐变流上述两个条件之一的水流称为 急变流。 急变流中的过水断面一般为曲面,其动水压强要考虑由于流 线弯曲的影响,因而过水断面上动水压强不按静水压强分布规律 分布。例如图1-1-2(a)的水流绕一向上凸的圆弧边界流动,图 1-1-2(b)的水流绕一向下凹的固弧边界流动,由于水流质点绕 曲面作曲线运动,因而受离心力的作用,其动水压强在图1-1 a)较静水压强小,在图1-1-2(b)较静水压强大,其变化的 具体规律需要由试验确定。 四、一度流、二度流和三 度流 一度流、二度流和三度流, 图11-2 也称一维、二维和三维流动,或 l一静水压力分布:2一动水压力分布 一元、二元和三元流动。 设所有的水流运动要素只依赖于一个坐标的描述,则称该流 动为一度流,依赖二个坐标的称为二度流,依赖三个坐标的称为 三度流。实际水流一般都为三度流,但在有些情况下,也存在二 度流(或近似二度流)和一度流(或近似一度流) 由无数流线组成的管状封闭面称为流管,充满于流管内的液 流称为流束;将流束的过水断面扩大到全部流动的边界(例如管 道的管壁或河渠的岸壁渠底和水面),这时的流束称为总流;常 用一元分析法去研究以流束或总流为对象的液流
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水利工程网http://www.shuigong.com §1-1-2水流内部流态 层流和素流 层流与紊流(或称湍流)是两种性质不同的流态,它们是从 水流内在结构来分类的 (一)层流 水流质点作有条不素的线状运动,各层间互不混杂,这种水 流称为层流。层流不存在流速和压力等水流运动要素的脉动量。 对于层流运动,水流各层间的切应力τ(即单位面积上的切 力),可用牛顿液体内摩擦力定律来表示,即 (1-1-4) 式中——距管轴γ处(即距管壁为y处)的纵向流速(对于 明渠流,即是距槽底为y处的纵向流速) 一水的粘滞性系数(其值见表1-1-1 (二)素流(湍流) 紊流是由大小不同尺度的涡体(或漩涡)组成的,而且对时 间和空间都是随机运动。图1-1-3为管道紊流中瞬时流动图案。 般情况下小涡体靠近边界,大涡体位于边壁较远处。具有边壁 →大的伸长涡体和 含较小涡体的大涡体 比较小的涡体 生高强度的小涡体 7777777 图1-1-3
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水利工程网http://www.shuigong.com 的素流(如管流和明渠流),是因为靠近边壁的流速梯(a 和切应力都比较大,从而边壁附近容易形成涡体。 紊流中各种尺度的涡体,都伴随着有一定程度的脉动周期和 动能含量。大涡体混杂运动的脉动周期长,振幅大,频率低,含 的有效能量大,大涡体主要起能量的传递作用;小涡体脉动周期 短,振幅小,频率高,与周围流体之间形成的相对速度大,粘性 切力作用也大,所以能量损失主要是通过小涡体的粘性作用产 生 紊流最本质的特征是:对时间和空间都是随机性运动,图 1-4表示紊流中某一固定点上流速随时间的变化。紊流中的运动 要素(流速、压力等),可分成瞬时值,时均值和脉动值 由于素流中涡体相互混杂,对水流运动产生以下三方面的影 响: (1)产生强烈的动量传递。动量传递表现为阻力,因而 方面使水流的时均流速饭沿过水断面的分布比层流中的分布要均 匀,如图1-1-5所示,另方面比 层流多了混掺切应力,大大的增 l A-加了能量损失。 图1-1-5 a)层流;(b)素流 (2)产生强烈的质量传递。质量传递表现为物质的扩散或 转移,如泥沙在水中的悬浮,水受污染后的扩散过程等。 (3)产生强烈的能量传递。表现为热传导,或高能量区 (如管中心区)的能量通过大涡体转移到靠近固体边界的低能量 区等作用
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水利工程网http://www.shuigong.com (三)雷诺数( Reynolds number) 雷诺数(Re)反映水流的惯性力与粘滞力之比,是一个无 量纲数。对管流一般表示为Re=p,对明渠流表示为B= ,式中的v为水的运动粘滞性系数(其值见表1-1-1),d 为管道直径;R为水力半径,R=z,其中为过水断面,为 湿周;为断面平均流速。 雷诺数是一个反映水流流态特性的一个量,当紊流过渡到层 流开始出现层流时的雷诺数称为下临界雷诺数,用Rck表示。下 临界雷诺数是一个比较稳定的数值,它只与边界的几何形状有 关,与液体的性质,边界尺寸的大小无关。 就圆管管流讲, Rek≈2000 因此,当 一>2000时,水流为素流y Re <2000时,水流为层流 就明渠水流讲, Rek≈500 R 因此,当=->50时,水流为素流 Re=n-<50时,水流为层流。 二、急流和缓流 明渠水流中,可从水流所具有的动能和势能的对比,或从水 流的流速与干扰波波速的对比来区分水流流态。 (一)弗汝德数( Froude number) 弗汝德数(用F表示),是判别急流与缓流的参数,它反 映过水断面上水流具有的动能和势能的对比关系,一般表达式 为
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水利工程网http://www.shuigong.com F (1-1-5) 对于矩形断面明渠水流, (1-1-6) 式中B—水面宽 一水深y a——动能修正系数(见§1-3-4) 9—重力加速度。 当Fr=1时,水流为临界流,这时水流流速与干扰波的波速 相等 当FT>1时,水流为急流,这时水流的流速大于干扰波波 速,干扰波不能向上游传播。 当F<1时,水流为缓流,这时水流的流速小于干扰波波 速,干扰波可向上游传播 (二)临界水深 水流为临界流时的水深,称为临界水深,用λ表示。在小底 坡情况下bk可由下式求得: 9=B (1-1-7) 对于矩形断面, (11-8) 式中Q—流量 q—单宽流量y k、Bk—分别为临界流时的过水断面面积和水面宽度。 梯形断面的临界水深可利用附表I或附图I求解,圆形断面的 临界水深也可利用附图求解。 临界水深的一个重要特性是:它仅与断面形状、尺寸和流量
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