水頭損失

水流在運動過程中單位質量液體的機械能的損失稱為水頭損失。產生水頭損失的原因有內因和外因兩種，外界對水流的阻力是產生水頭損失的主要外因，液體的粘滯性是產生水頭損失的主要內因，也是根本原因。

基本介紹

• 中文名：水頭損失
• 外文名：head loss
• 套用學科：理工學科
• 適用領域範圍：理工學科、工業技術
• 內因：液體的粘滯性
• 定義：水流在運動過程中的機械能的損失

水頭損失的分類

液體在流動的過程中，在流動的方向、壁面的粗糙程度、過流斷面的形狀和面積均不變的均勻流段上產生的流動阻力稱之為沿程阻力，或稱為摩擦阻力。沿程阻力的影響造成流體流動過程中能量的損失或水頭損失。沿程阻力均勻地分布在整個均勻流段上，與管段的長度成正比，一般用表示。

另一類阻力是發生在流動邊界有急變的流域中，能量的損失主要集中在該流域及附近流域，這種集中發生的能量損失或阻力稱之為局部阻力或局部損失，由局部阻力造成的水頭損失稱之為局部水頭損失。通常在管道的進出口、變截面管道、管道的連線處等部位，都會發生局部水頭損失，一般用表示。

計算方法

曲線1

單位重量的水或其他液體在流動過程中因克服水流阻力作功而損失的機械能，具有長度因次。水頭損失可分為沿程水頭損失hf及局部水頭損失hj兩類。某流段的總水頭損失hw為各分段的沿程水頭損失與沿程各種局部水頭損失的總和。

沿程水頭損失

克服沿程摩擦阻力作功而損失的水頭，它隨著流程長度而增加。恆定均勻管流沿程水頭損失的達西－魏斯巴赫公式式中g為重力加速度；d、l、v為管道直徑、 流段長度、斷面平均流速；λ為無因次係數,稱為沿程摩阻係數。式(2)亦適用於明渠水流，式中管徑d須代以明渠水力半徑R（見謝才公式）的4倍。德國學者J.尼庫拉德塞曾用人工砂粒粗糙的辦法進行系統試驗, 結果繪成以1g(100λ)及lgRe(雷諾數 ，ν為液體運動粘滯係數)為縱橫坐標,以相對粗糙度r0/κs(r0為圓管半徑,κs為砂粒粗糙高度)為參數的曲線圖。圖中ɑb線代表層流區， 。c以右為紊流區,又可分為三個流區：①光滑區(cd線), λ=f(Re)；②完全粗糙區(ef線以右的B區)屬充分發展了的紊流, , ,又稱阻力平方區;③過渡粗糙區(cd、ef線間的A區),λ=f(Re,κs/r0)。b、c之間為層流轉變為紊流的過渡區，試驗點子亂，範圍狹窄，一般可作紊流對待。b點，Re≈2300；c點Re≈4000。明渠均勻流的λ值也有類似的變化規律。水頭損失

公式1

公式2

曲線2

工程界習慣沿用一些經驗公式和圖表計算沿程水頭損失。明渠流實際上多屬阻力平方區，廣泛採用謝才公式和曼寧公式。

參數圖

局部水頭損失

儀器

在流動局部地區因邊界急局改變引起流動急劇調整、消耗能量而損失的水頭。管渠中進水口、彎段、門槽、斷面突然擴大或突然收縮，管道中設定閥門、接頭或其他配件，常引起流動分離並發生旋渦。旋渦的形成與衰減及流速分布的急劇改變均會消耗液體機械能。高雷諾數下的水流試驗表明，局部水頭損失近似地與該局部地區的特徵流速水頭成正比，即：

(3)

局部水頭損失係數ζ的大小基本上取決於流動的幾何條件，如斷面急劇改變前後的面積比，彎管相對曲率半徑，閥門的形狀和尺寸等，ζ值由實驗測定。低雷諾數流動的ζ值不僅與流動幾何條件而且與流動狀態(Re值)有關。

計算公式

水頭損失