第四節 流動阻力和水頭損失

　　第三節中討論了能量方程，但并未討論能量方程中由于流動阻力所產生的能量損失。在第一節中曾經指出，水、空氣等都是有粘性的，因而將產生流動阻力。當流體在固體壁面的約束下流動，如管流或明渠流等稱為內部流動，此時流體要流動就必須克服阻力做功，由此產生能量損失。流體繞固體流動或者說固體在流體中運動，稱為外部流動，如風吹過煙囪或顆粒在流體中上升或沉降，此時氣流受到煙囪的阻力或者顆粒受到流體的阻力都是粘性阻力，稱為繞流阻力。本節主要討論內部流動的能量損失;對繞流阻力僅作簡單介紹。

　　由于流動有層流和紊流兩種流態，不同流態的能量損失的規律是不同的。首先討論以上兩種流態。

　　一、實際流體的兩種流態——層流和紊流

　　(一)雷諾實驗

　　雷諾曾經以圖6-4—1的裝置來進行實驗，揭示了兩種流態不同的本質并確定圓管流態的判別數。

　　打開玻璃管的調節閥，玻璃管中水開始流動。再打開顏色液的小閥，顏色水將進入玻璃管，與水一起流動。當管中平均流速v較小時，顏色液呈一直線狀如圖6-4-1中a，與周圍清水互不摻混，這種有規則的分層流動被稱為層流。隨著v的增大，顏色液將產生波動，直到某一數值，顏色液擴散到清水中，不復再見(見圖6-4-1中b)。這時，兩者已互相摻混，每個流體質點的軌跡是十分混亂的，這種流態被稱做紊流。此時若再將流速減小，必須減小到比前一臨界值更小的數值，流態才會轉變為層流。層流和紊流由于兩者內部結構不同，能量損失的規律也不同。由實驗得到：直管上下游斷面間的水頭損失，層流時與斷面平均流速的一次方成正比，即hf∝v1.0;紊流時則與流速的1.75—2.0次方成正比，hf∝v1.75～2.0。

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