水流阻力形成原因及构成

由于水流的黏滞性，固体壁面具有无滑移条件。黏附于固体壁面的流体质点与固体壁面之间并无相对运动，而是这一层流体质点与其邻近流体质点之间存在相对运动，可见摩擦力存在于流体内部为内摩擦力。最靠近物面处水流的内壁摩擦力的合力形成水流与物面之间的摩擦阻力。

绕物体运动的水流边界层发生分离时，分离点上游将形成一个低压旋祸区，称为尾迹。与理想流体绕流相比，物体在这一区域接触面上的压强将有所降低。实际水流中绕流物体上游面与下游面的压差，形成了压差阻力。边界层的分离与接触面上的压强分布主要决定于物体本身的形状，因而压差阻力也可称为形状阻力。

摩擦阻力与形状阻力组成绕流阻力。对于流线型物体，边界层将不发生分离或分离点已靠近物体的尾部,尾迹区域减小，从而形状阻力减小，摩擦阻力在绕流阻力中将占主要地位。对于非流线型物体特别是钝形物体，形状阻力成为绕流阻力的主要部分。

有限翼展翼型或其他非二维物体在水流绕流中产生举力时，翼型后面将形成沿流动方向向下游伸展的尾涡(自由涡)。由尾涡诱导而产生下洗流动，从而产生沿流动方向的阻力称为诱导阻力。

物体在水流中的加速运动或水流绕物体的不恒定流动，都会由于水流的惯性而产生附加的阻力，通常用某个假设的附加质量与物体加速度的乘积表示。这个附加阻力称为惯性阻力。

物体在具有自由水面的水中运动时，物体后生成重力波，为维持重力被作功所引起的阻力称为被阻。例如船舶在水面上航行时产生水波，由此而产生的阻力称为兴被阻力 。

水流阻力(flow resistance)水流与物体作相对运动时，物体与水流接触面上的作用力沿运动方向的分力。水流阻力是相邻液层间的摩擦切力。这际液体流动时，由于液体具有粘滞性，紧贴固体壁面的液体质点将粘贴附在壁面上，液体流速从固体壁面上零值增加到主流流速，形成一定的流速梯度。根据牛顿内摩定律，这种流速梯度的存在，便会引起相邻液层间的摩擦切力，即水流阻力 。

沿程阻力——流动中水流内摩擦力（黏性力）。

局部阻力——局部边界突变引起流速突变产生的惯性力（如断面突大突小或闸阀等） 。

造成了水头损失，实际流体在管内流动时，由于粘性的存在，总要产生能量损失。产生能量损失的原因和影响因素很复杂，通常可包括粘性阻力造成的粘性损失和局部阻力造成的局部损失两部分 。

（一）针对沿程阻力的措施：

1.降低壁面的粗糙度；

2.用柔性边壁代替刚性边壁。

（二）针对局部阻力的减阻措施：

1.壁面漩涡区的产生；

2.减小漩涡区的大小或强度 。2100433B

明渠流中，作为第一级近似，一个短的过渡段内河底与边坡的摩擦阻力可忽略不计。但是，对于长渠，不能再看做理想流体。考虑延伸数公里长的供水渠道，其底面与边坡的摩擦阻滞了流体运动，在平衡状态，摩擦力与沿水流方向的重力分量恰好抵消。

明渠内水流阻力的方程实质上与封闭管道内的情况是相同的。距离△s(沿水流方向)上的水头损失△H由Darcy公式给出：

在明渠中，假定为静水压力分布，可将能量方程改写为：

泵站和水电站拦污栅阻止污物进入叶轮，保证安全运行。但拦污阻力增加泵站运行费用，减小水电站出力，严重时压跨栅体，拦污常使低扬程泵站效率下降25%以上。.研究发现：当水流流速较小时，来流污物浮于栅前水面、较松散，不附着栅面，过流面积未减小，阻力小；当水流增大到某一临界流速时，挟带力增强，污物首先紧贴靠近水面的栅面，后来的污物被水流挟带下潜至已堵栅面的下部，堵塞新过流断面，恶性循环，拦污阻力急剧增大至极限阻力。.本项目预测污物在栅前的行进规律、聚集形态，基于分形理论建立污物聚集几何模型，计算拦污流场和阻力，进行模型试验与原型观测验证，总结临界流速、极限阻力与污物特性、雷诺数、进水口形状位置和拦污栅形式等因素的关系。.本项目能揭示拦污阻力的形成机理，明确临界流速的产生条件，计算极限阻力，为进水口及其拦污清污优化提供参考，对提高泵站和水电站运行可靠性和经济性有重大意义。

本项目调研了河道内污物情况；通过实验，观测了栅前污物的运动与聚集情况，测定了拦污阻力和水流场；采用ANSYS CFX软件数值计算了拦污栅拦污流动以及拦污对泵装置内流的影响。分析了栅前水草团下潜的临界流速与相关因素之间的关系及栅前污物聚集特性和阻力形成过程。 拦污流动模拟时，栅前聚集的水草物理模型，采用了三种形式：（1）将整个水草团看作不透水的实体，水位差与流速分布计算结果与实测结果稍有差异；（2）结合试验实测结果推算等效孔隙率，发现孔隙率很小，这是由于众多水草叶片遮挡的缘故；（3）采用分形方法表征栅前水草堆积形态。 河道污物分为水草类，柔性片状类和硬质浮水类三种主要类型。研究结果表明，悬浮于水流中的柔性片状污物（编织物）易堵塞拦污栅面，阻水作用强。比重较小的污物（水草）堵塞拦污栅上部栅面，栅前断面上层流速小、下层流速大，流速方向向下偏转；栅后断面上层流速小、下层流速大，但流速差异更大，严重时出现明显的回流和翻滚，流态严重恶化。拦污栅拦截水草类污物时存在一临界流速使后续水草开始下潜。拦污栅拦污水头损失与污物透水性、栅前流速、栅面堵塞比、拦污栅倾角等因素有关。栅前水草团下潜临界流速与水流偏转角、水草团体积、水草团厚度、孔隙率、水草密度和压差阻力系数等因素有关。 采用V型拦污栅和折形拦污栅，可以减小拦污水头损失，改善栅后流态。 拦污造成局部水头损失，并因流速分布恶化造成进水流道（或进水池）沿程水头损失增加，结果造成泵装置效率降低。由于进水部分的整流作用，拦污造成的流速分布恶化不会影响到水泵进口断面的流速分布。 课题组与国内外同行专家进行了学术交流，项目主持人赴美国Carnegie Mellon University与美国专家院士进行合作研究。在该项目的资助下，已发表论文10篇，其中SCI、EI、ISTP收录8篇，SCI期刊录用1篇，ASME国际会议录用1篇，待发表论文5篇。申请发明专利4项，实用新型专利2项，另有2项专利正在申请。培养毕业硕士研究生2名，并另有2名研究生开始相关的后续研究。圆满完成了本项目预定的研究目标与任务，并超额完成了拦污对泵站运行影响的研究。