常見管道局部水頭損失原因及種類分析

摘要:本文結(jié)合筆者多年工作所得經(jīng)驗(yàn)，對局部水頭損失的定義、產(chǎn)生的原因以及常見的局部水頭損失的類型進(jìn)行了比較與分析，謹(jǐn)供大家作參考之用。

關(guān)鍵詞:水頭損失 層流 紊流 雷諾試驗(yàn)

一、前言

管道中水流局部水頭損失的研究一直是水力學(xué)研究的重要問題之一。在工程問題中，水流的能量損失都是工程設(shè)計(jì)人員所必須考慮的問題。比如，農(nóng)田灌溉過程中的引水管道水頭損失也將影響到水流的灌溉效率和灌溉質(zhì)量，城市供水系統(tǒng)中管網(wǎng)中的水頭損失將影響到用戶的供水效率等等問題。而這些問題的水流管道都不可避免的需要長距離運(yùn)輸和復(fù)雜的管路變化，其沿程和局部水頭損失都是值得關(guān)注的問題。

二、局部水頭損失定義及原因

雷諾試驗(yàn)表明水流的流動存在著兩種形態(tài):層流和紊流。層流是在輸水管道內(nèi)，水流流速十分緩慢時，水流流動中水流流體質(zhì)點(diǎn)沿著流速線運(yùn)動，水流好像分成了無數(shù)個層，各層的水流質(zhì)點(diǎn)之間互不摻混，一直保持著自己的運(yùn)動狀態(tài)。而紊流則是當(dāng)水流流速達(dá)到一定的大小，水流的流體運(yùn)動開始混亂，水流質(zhì)點(diǎn)也不沿層運(yùn)動，而是相互混雜，水流中出現(xiàn)水體漩渦，并向周圍擴(kuò)散。無論是層流還是紊流，其運(yùn)動都與水體物理性質(zhì)有著直接的關(guān)系。

實(shí)際水體是具有粘性的，而層流、紊流的不同則是由于水體粘性對水流運(yùn)動影響造成的。當(dāng)水流是層流時，由于水流流速緩慢，水流流體的粘性力比慣性力對水流的影響要大，水流中出現(xiàn)小的擾動時，由于粘性力作用占主要地位，水流質(zhì)點(diǎn)仍然能保持自己的流動狀態(tài)，擾動會逐漸衰弱，趨于消失。而當(dāng)水流是紊流時，水流流體的慣性力比粘性力對水流的影響要大，水流中出現(xiàn)小的擾動時，因會慣性力作用而逐漸強(qiáng)化，粘性力抑制不了擾動，擾動向其他地方擴(kuò)散，最終形成紊流狀態(tài)。而在實(shí)際的自然界中，我們遇到的大多數(shù)水流形態(tài)都是紊流。大到海洋環(huán)流小到管道中的水流，紊流占絕大多數(shù)，層流只是少數(shù)。

無論是層流還是紊流，由于水體粘性力的作用，在流動的過程中，都存在著相應(yīng)的機(jī)械能損失。在層流中，水流流體的不同流速的流層之間，水流與固體邊壁之間，由于粘性作用，產(chǎn)生阻力，對水體作負(fù)功，消耗水流的機(jī)械能進(jìn)而轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉。在紊流中，由于水流粘性和邊界面上的滯水作用，過水?dāng)嗝嫔系牧魉俜植汲３Ｊ遣痪鶆虻?，各流層之間相互存在著切應(yīng)力作用，對于某一層來講，對它將產(chǎn)生力偶作用，由于外界擾動，在力偶作用下就會產(chǎn)生渦體。在渦體的不同側(cè)將有很大的壓強(qiáng)差，促使渦體脫離原來的流層進(jìn)入其他相臨的流層，它將會擾動相臨的流層進(jìn)一步產(chǎn)生新的渦體，隨著渦體在各個流層間的不斷混雜來回跳動，流體相互之間就會產(chǎn)生大量的能量交換，而由于渦體不斷地碰撞、合并或分裂，形成大小尺寸不等的許多渦體，這些渦體都做無規(guī)則的隨機(jī)運(yùn)動，從而導(dǎo)致流場中各個流體質(zhì)點(diǎn)也做隨機(jī)運(yùn)動，即產(chǎn)生了紊流運(yùn)動。在紊流運(yùn)動中伴隨著渦體的產(chǎn)生、碰撞、合并、分裂和消亡等，將會消耗大量的流體機(jī)械能。由于紊動產(chǎn)生的機(jī)械能耗損轉(zhuǎn)化成了流體的熱能而耗散掉。