5.1 流动阻力和水头损失

5.1.1 流动阻力和水头损失的分类

黏性流体运动时要遇到阻力，克服阻力做功会产生能量损失。工程中，以单位重量的液体流动中损失的机械能（或称水头损失）h_w作为计算对象，h_w具有长度量纲；对气体，则以单位体积的损失能量（或称压强损失）p_w来表示。它们之间的关系为

流动阻力及能量损失的规律因流体的流动状态和流动过程中边界变化而有所不同。按流动边界变化的不同，将流动阻力分为沿程阻力和局部阻力。

在边界无变化（流动的方向、壁面的性质、过流断面的形状和尺寸等均不变）的均匀流段内，由于黏性形成的阻碍流体运动的力称为沿程阻力，或称摩擦阻力。流体克服沿程阻力消耗的能量为沿程损失，单位重量流体的沿程损失用h_f表示，h_f称为沿程水头损失。沿程阻力均匀分布在整个均匀流段内，h_f与流段的长度成正比。通常渐变流段产生的阻力也视为沿程阻力。

在边界发生急变的流段内，由于过流断面变化、流动方向改变，速度重新分布，质点间进行动量交换而产生的阻力称为局部阻力。流体克服局部阻力消耗的能量为局部损失，单位重量流体的局部损失用h_j表示，h_j称为局部水头损失。局部阻力通常发生在管道的进出口、弯头、变截面管和阀门处等过流断面急剧变化处。

5.1.2 水头损失的计算公式

圆管的沿程水头损失h_f的计算公式为

式中：v为断面平均流速；d为管径；l为流段长度；λ为沿程阻力系数。λ的取值与流体的流动状态和壁面特性有关，由实验确定。

式（5.2）称为达西公式。

对于非圆断面管道，依然可用达西公式计算沿程水头损失，只是用当量直径d_e取局部水头损失的计算公式为

式中局部阻力系数ζ与引起损失的流道局部几何特性有关，一般以实验方法确定。

工程上的管路系统既有直管段又有阀门弯头等局部管件，流动过程中产生的水头损失既有沿程损失又有局部损失，应分段计算再叠加，即

在应用总流伯努利方程计算时，要全面考虑所取两过流断面间的水头损失，做到一个不漏。在按比例绘制总水头线和测压管水头线时，沿程损失认为是均匀分布的，画在两边界突变断面间，局部损失常集中地表现在突变断面上，如图5.1所示。

图5.1 水头线的绘制