第四章 流动阻力和水头损失
主要内容
阻力产生的原因及分类
两种流态
实际流体运动微分方程式（N－S方程）
因次分析方法、相似原理
水头损失的计算方法
第一节 流动阻力产生的原因及分类
一、基本概念
1、 湿周：管子断面上流体与固体壁接触的边界周长。以 表示。
单位：米
2、水力半径：断面面积和湿周之比。
AR
单位：米
例： 圆管： 442dddR 正方：442aaaR
圆环流： 明渠流：
4422dDdDdDR 42212aaaR
3、绝对粗糙度：壁面上粗糙突起的高度。
4、平均粗糙度：壁面上粗糙颗粒的平均高度或突起高度的平均值。以Δ表示。
5、相对粗糙度：Δ/D （D——管径）。
二、阻力产生的原因
1、外因：
（a）管子的几何形状与几何尺寸。
面积： A1＝a2 A2＝a2 A3＝3a2/4
湿周： a41 a52 a43
水力半径： R1＝0.25a > R2＝0.2a > R3＝0.1875a
实验结论： 阻力1 < 阻力2 < 阻力3
水力半径R，与阻力成反比。R↑，阻力↓
（b）管壁的粗糙度。 Δ↑ ，阻力↑
（c）管长。 与 hf 成正比。L↑，阻力↑
2、内因：
流体在流动中永远存在质点的摩擦和撞击现象，流体质点由于相互摩擦所表现出的粘性，以及质点撞击引起速度变化所表现出的惯性，才是流动阻力产生的根本原因。
沿程阻力：粘性造成的摩擦阻力和惯性造成的能量消耗。
局部阻力：液流中流速重新分布，旋涡中粘性力做功和质点碰撞产生动量交换。
4-1第四章 流动阻力和水头损失
主要内容
] 阻力产生的原因及分类
] 两种流态
] 实际流体运动微分方程式（N－S方程）
] 因次分析方法、相似原理
] 水头损失的计算方法
第一节 流动阻力产生的原因及分类
一、基本概念
1、湿周：管子断面上流体与固体壁接触的边界周长。以 χ
表示。
单位：米
2、水力半径：断面面积和湿周之比。
χA
R=
单位：米
例： 圆管：
442
d
dd
R==
ππ
正方：
442
a
aa
R==
圆环流： 明渠流：
()
()()
4422
dD
dDdD
R−
=
+−
=
ππ
4221
2
a
aa
R==
3、绝对粗糙度：壁面上粗糙突起的高度。
4、平均粗糙度：壁面上粗糙颗粒的平均高度或突起高度的平均值。以Δ表示。
5、相对粗糙度：Δ/D （D——管径）。
4-2二、阻力产生的原因
1、外因：
（a）管子的几何形状与几何尺寸。
面积： A
1＝a2
A
2＝a2
A
3＝3a2
/4
湿周：
a4
1=χ
a5
2=χ
a4
3=χ
水力半径： R
1＝0.25a > R
2＝0.2a > R
3＝0.1875a
实验结论： 阻力1 < 阻力2 < 阻力3
水力半径R，与阻力成反比。R↑，阻力↓
（b）管壁的粗糙度。 Δ↑ ，阻力↑
（c）管长。 与 h
f 成正比。L↑，阻力↑
2、内因：
流体在流动中永远存在质点的摩擦和撞击现象，流体质点由于相互摩擦所表
现出的粘性，以及质点撞击引起速度变化所表现出的惯性，才是流动阻力产生的
根本原因。
沿程阻力：粘性造成的摩擦阻力和惯性造成的能量消耗。
局部阻力：液流中流速重新分布，旋涡中粘性力做功和质点碰撞产生动量交换。
三、阻力的分类
1、沿程阻力与沿程水头损失
（1） 沿程阻力：沿着管路直管段所产生的阻力（管路直径不变，计算公式不变）
（2） 沿程水头损失：克服沿程阻力所消耗的能量∑
h
f＝
h
f1+ h
f2+ h
f3
2、局部阻力与局部阻力损失
（1） 局部阻力：液流流经局部装置时所产生的阻力。
第6章 流动阻力与水头损失
教学要点
一、 教学目的与任务
1、 本章教学目的
（1） 使学生掌握流体流动的两种状态与雷诺数之间的关系；
（2） 使学生切实掌握计算阻力损失的知识，为管路计算打基础。
2、 本章教学任务
（1）了解雷诺实验过程及层流、紊流的流态特点，熟练掌握流态判别标准；（2）掌握圆管层流基本规律，了解紊流的机理和脉动、时均化以及混合长度理论；(3）了解尼古拉兹实验和莫迪图的使用，掌握阻力系数的确定方法；（4）理解流动阻力的两种形式，掌握管路沿程损失和局部损失的计算。
二、 重点、难点
重点：雷诺数及流态判别，圆管层流运动规律，沿程阻力系数的确定，沿程损失和局部损失计算。
难点：紊流流速分布和紊流阻力分析。
三、 教学方法
用对比的方法讲清什么是均匀流动，什么是不均匀流动。讲清什么是沿程损失、什么是局部损失，以及绝对粗糙度、相对粗糙度等概念，进而通过实验法讲清楚上下临界速度、流动状态与雷诺数之间的关系、流速与沿程损失的关系，讲清楚在什么样的前提条件下得出什么样的结论，进而解决什么样的问题。
第11次课 年 月 日
章 题目 第6章流动阻力与水头损失
方式 课堂
模块 流体流动阻力 方法 重点内容学习法
单元 基本概念、均匀流动、流动状态、层流 手段 板书+多媒体
基本要求 使学生了解流体运动与流动阻力的两种型式，了解雷诺实验过程及层流、紊流的流态特点，熟练掌握流态判别标准；掌握雷诺数与组力损失之间的关系，掌握层流运动规律。
重点 两种流动状态与雷诺数的关系、圆管层流运动规律， 难点 流动状态的判别
内容拓展 利用长管仪设计测量流体粘性的实验——素质综合训练
参考教材 1、张也影. 流体力学. 北京：高等教育出版社，1999
2、徐文娟. 工程流体力学
3、禹华谦. 工程流体力学(水利学). 成都：西南交通大学出版社，1999
4、莫乃榕，《工程流体力学》，华中科技大学出版社，2000 5、程 军、赵毅山. 流体力学学习方法及解题指导. 上海：同济大学出版社，2004
1工程流体力学
第四章流动阻力与水头损失
主讲：刘恩斌
石油工程学院§4-1 管路中流动阻力产生的原因及分类
1、外部原因一、阻力产生的原因
（1）与断面面积、几何形状有关
A、面积
212
21
阻力阻力<==aAA
B、湿周χ：过流断面上与液体接触的那部分固体边界
的长度。
314
21
阻力阻力<==aχχC、水力半径R：流体力学上用过流断面面积A和湿周长度
χ的比值来表示管路的几何形状对阻力的影响。
χA
R
h=
说明：水力半径愈大，流体的流动阻力愈小；水力半径愈
小，流体的流动阻力愈大。
32119.0,2.0,25.0
321321
阻力阻力阻力<<>>∴===
RRRaRaRaR
（2）与管路的长度有关
↑↑⇒阻力l
（3）与粗糙度有关
↑↑⇒∆阻力
2、内部原因
流体流动中永远存在质点的摩擦和撞击现象，质点
摩擦所表现的粘性，以及质点发生撞击引起运动速度变
化的惯性，才是流动阻力产生的根本原因。§4-1管路中流动阻力产生的原因及分类
二、流动阻力的分类
沿程水头损失
它是流体克服粘性阻力而损失的能量，流程越长，所损失
的能量越多。水头损失
局部水头损失
1、沿程水头损失
fh
22、局部水头损失
jh
它是由于流动边界形状突然变化（例如管道截面突然
扩大）引起的流线弯曲以及边界层分离而产生的水头损失。
即在管件附近的局部范围内主要由流体微团的碰撞、流体
中产生的漩涡等造成的损失。§4-1管路中流动阻力产生的原因及分类
三、总能量损失
整个管道的能量损失是分段计算出的能量损失
的叠加。
∑∑+=
jfwhhh§4-1管路中流动阻力产生的原因及分类
hf
00H
测压管
水头线
2g总水头线hj
hω=∑hf +∑
v2
闸门
突扩转弯
突缩转弯
§4-2两种流态及转化标准《工程流体力学》§4-2 两种流态及转化标准
一、雷诺实验
1883年英国科学
家雷诺通过实验发
现流体运动时存在
两种流态：层流和
湍流。
实验现象
¾1、流速不大时，整个流场呈一簇互
相平行的流线。着色流束为一条明晰
细小的直线。
¾3、流速超过一定值后，流体质点
