工程流体力学第5章孔口管嘴出流.ppt

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1、第第5章章 孔口、管嘴出流及有压管流孔口、管嘴出流及有压管流学习重点学习重点5-1孔口出流孔口出流5-2管嘴出流管嘴出流5-3有压管道中的恒定流有压管道中的恒定流5-4有压管有压管道中的水击简介道中的水击简介返回 孔口出流、管嘴出流的流量计算。孔口出流、管嘴出流的流量计算。短管的水力计算，特别是虹吸管和离心泵抽水系统短管的水力计算，特别是虹吸管和离心泵抽水系统的水力计算。的水力计算。水头线的涵义及绘制方法。水头线的涵义及绘制方法。简单管道、串联管道及并联管道的水力计算特点和简单管道、串联管道及并联管道的水力计算特点和方法。方法。返回 学习重点学习重点第第5章章 孔口、管嘴出流及有压管流孔口、管

2、嘴出流及有压管流5-1 孔口出流孔口出流一、孔口出流分类一、孔口出流分类1、小孔口和大孔口、小孔口和大孔口小孔口小孔口 当当d/H0.1时，作用于时，作用于孔口断面上各点的水头可近似孔口断面上各点的水头可近似认为与形心点上的水头都相等。认为与形心点上的水头都相等。大孔口大孔口 当当d/H 0.1时，作用于时，作用于孔口断面各点的水头不同，这孔口断面各点的水头不同，这样的孔口称为大孔口。样的孔口称为大孔口。一、孔口出流分类一、孔口出流分类2、薄壁孔口和厚壁孔口、薄壁孔口和厚壁孔口薄壁孔口：薄壁孔口：l2d。厚壁孔口：厚壁孔口：2dl3a或或l3b，不完善（完全）收不完善（完全）收缩缩孔口孔口：（

3、图图中中2）。）。不全部收不全部收缩缩孔口孔口（图图中中3、4）。）。五、五、大孔口恒定出流大孔口恒定出流六、孔口变水头出流六、孔口变水头出流设设某某时时刻刻t时时容器内的液位容器内的液位为为z，根据孔，根据孔口流量公式，此口流量公式，此时时容器孔口出流量容器孔口出流量在在dt内流内流经经孔口的液体体孔口的液体体积为积为在相同的在相同的时时段内，容器内液面降落段内，容器内液面降落dz，由此减少的体由此减少的体积为积为dV-dz二者相等，联立可解出二者相等，联立可解出dt六、孔口变水头出流六、孔口变水头出流t=对对于等截面容器，于等截面容器，为为一不一不变值变值，代入上式，代入上式并并积积分得分

4、得当当H2=0，即放空容器，即放空容器，5-2管嘴出流管嘴出流一一.圆柱形外管嘴恒定出流圆柱形外管嘴恒定出流1.1.流量计算公式流量计算公式令令于是于是 一一.圆柱形外管嘴恒定出流圆柱形外管嘴恒定出流2.流量系数流量系数管嘴阻力系数管嘴阻力系数 n=0.5=0.5 管嘴管嘴n=n=0.82 二二、柱状管嘴内的真空、柱状管嘴内的真空 如图示，对如图示，对c-cc-c和出口断面和出口断面1-11-1列伯努利方程列伯努利方程把把连续性方程连续性方程、=1，=0.64，=0.82 代入能量方代入能量方程并整理程并整理三、圆柱形外管嘴的正常工作条件三、圆柱形外管嘴的正常工作条件H09米l=(34)d四、

5、四、其他形式其他形式的的管嘴管嘴 5-2管嘴出流管嘴出流按管路结构分为按管路结构分为：简单管道：沿程管径不变且无分叉的单根管道。简单管道：沿程管径不变且无分叉的单根管道。复杂管道：由两根或两根以上的简单管道所组成的管道系统。复杂管道：由两根或两根以上的简单管道所组成的管道系统。给水管复杂管道一般按长管计算，包括串联管、并联管、分给水管复杂管道一般按长管计算，包括串联管、并联管、分叉管等。由多个复杂管道可构成管网（枝状管网和环状管网）叉管等。由多个复杂管道可构成管网（枝状管网和环状管网）按水头损失所占比例不同，分为按水头损失所占比例不同，分为：短管：短管：hw中，中，hf和和hj都占相当比例，两

6、者都不可忽略的管道都占相当比例，两者都不可忽略的管道如虹吸管、水泵吸水管、倒虹管、坝内泄水管以及建筑给水如虹吸管、水泵吸水管、倒虹管、坝内泄水管以及建筑给水管等；管等；长管：长管：hw以以hf为主，包括流速水头在内的为主，包括流速水头在内的hm同同hf相比很小，相比很小，在计算中忽略不计或折算成在计算中忽略不计或折算成hf的管道，如市政给水管道。的管道，如市政给水管道。5-3 有压管道中的恒定流有压管道中的恒定流一、一、短管的水力计算短管的水力计算（一）基本公式（一）基本公式短管水力计算可直接应用伯努利方程求解，也可将伯短管水力计算可直接应用伯努利方程求解，也可将伯努利方程改写成工程应用的一般

7、形式，然后对短管进努利方程改写成工程应用的一般形式，然后对短管进行求解。短管出流有自由出流和淹没出流之分。行求解。短管出流有自由出流和淹没出流之分。（1）自由出流）自由出流如图，设水箱水位保持恒定。以如图，设水箱水位保持恒定。以0-0为基准面，对水为基准面，对水箱内过流断面箱内过流断面1-1、管道出口断面、管道出口断面2-2列伯努利方程列伯努利方程1、自由出流、自由出流令令故故1、自由出流、自由出流令则当忽略行近流速时，流量计算公式变为当忽略行近流速时，流量计算公式变为2、淹没出流淹没出流以下游液面为基准面，对上、下游水箱内过流断面以下游液面为基准面，对上、下游水箱内过流断面1-1、2-2列伯

8、努利方程列伯努利方程令令 ,又由于下游水池很大，又由于下游水池很大，v202、淹没出流淹没出流整理后得整理后得则则其中其中当忽略掉行近流速时，当忽略掉行近流速时，21出流形式 备注备注自由出流淹没出流相同条件下，淹没出流和自由出流流量系数值是相等的。相同条件下，淹没出流和自由出流流量系数值是相等的。(二二)水力计算问题水力计算问题1.已知已知L、d、H，hw的的组组成，求成，求Q。2.已知已知Q、L、d、hw的的组组成，求成，求H。3.已知已知Q、H、hw的的组组成，成，设计设计管径管径d。经济流速经济流速:供流成本最低的流速供流成本最低的流速.【例】【例】如如图图示虹吸管，已知上下游水位差示

9、虹吸管，已知上下游水位差H=3m，管，管长长l1=15m，l2=18m，d=200mm，e进进=0.5，b弯弯=0.2；=0.025。若管。若管顶顶A点的允点的允许许真空度真空度hv=7m。求。求Q及最及最大允大允许许安装高度安装高度hs。【解】【解】(1)以下游水面以下游水面为为基准面，基准面，对对上下游上下游过过流断面流断面列伯努利方程列伯努利方程H+0+0=0+0+0+hwhw=hf+hm=代入数据，求得代入数据，求得v=3.07m/sQ=Av=0.096m3/s4、虹吸管的水力计算虹吸管的水力计算4、虹吸管的水力计算虹吸管的水力计算（2）A点处的真空度最大。以上游水面点处的真空度最大。

10、以上游水面0-00-0为基准面，为基准面，对上游过流断面对上游过流断面1-11-1和和2-22-2断面列伯努利方程断面列伯努利方程hs=-=-(1+e+2b)=5.185m5.水泵水泵装置装置的的水力水力计算计算5.水泵水泵装置装置的的水力水力计算计算水泵的基本性能参数水泵的基本性能参数：管径管径d安装高度安装高度hs：水水泵泵的叶的叶轮轴线轮轴线与水池水面的高差与水池水面的高差抽水量抽水量Q：水：水泵泵在在单单位位时间时间内所内所输输送的液体数量。送的液体数量。扬扬程程H：单单位重量液体通位重量液体通过过水水泵泵后其能量的增后其能量的增值值，通，通常折算常折算为为抽送液体的液柱高度表示。抽送

11、液体的液柱高度表示。H=z+hw总总。有效功率有效功率Ne：单单位位时间时间流流过过水水泵泵的液体从水的液体从水泵泵得到的得到的能量，能量，Ne=QH。轴轴功率功率Nx：指：指电动电动机机传递给传递给水水泵泵的功率，即的功率，即输输入功率。入功率。水水泵泵的效率的效率：指有效功率与：指有效功率与轴轴功率之比，功率之比，=Ne/Nx。5.水泵水泵装置装置的的水力水力计算计算【例【例5-6】如如图图示离心示离心泵泵，已知，已知Q=190L/s，蓄水池，蓄水池液面高程液面高程为为185.0m，吸水管管，吸水管管长长l=10m，吸水管底，吸水管底阀阀局部阻力系数局部阻力系数e=2.5，弯，弯头头的局部

12、阻力系数的局部阻力系数b=0.3；=0.022。若水。若水泵泵的允的允许许真空度真空度hv=5.5m。求水。求水泵泵吸吸水管的管径及水水管的管径及水泵泵的最大允的最大允许许安装高程。安装高程。【解】【解】（1）根据相关）根据相关设计标设计标准及手册，取允准及手册，取允许许流速流速v=1.0m/s，则则管径管径 d=0.492m（2）以水池水面为基准面，对以水池水面为基准面，对1-1和和2-2断面列伯努断面列伯努利方程利方程5.水泵水泵装置装置的的水力水力计算计算hs=-=hv-=hv-(1+e+b)=5.30m水水泵泵的最大允的最大允许许安装高程安装高程为为185.0+5.30=190.30m

13、（三）（三）总水头线和测压管水头线的绘制总水头线和测压管水头线的绘制二、长管的水力计算二、长管的水力计算（一）简单管道（一）简单管道以以0-0作为基准面，对水箱过流断面作为基准面，对水箱过流断面l-1和管道出口断和管道出口断面面2-2列伯努利方程列伯努利方程（一）简单管道（一）简单管道1.舍舍维维列夫公式列夫公式（适用于适用于钢钢管和管和铸铁铸铁管管）v1.2m/s时时v 1.2比阻不需修正比阻不需修正 。由由a2l2Q22=a3l3Q32，求得求得Q2=0.034m3/s=34L/s 校核校核v2=1.931.2，比阻不需修正。比阻不需修正。（三）并联管路（三）并联管路（2）计计算水塔高度算

14、水塔高度HQ1=Q2+Q3=0.034+0.01=0.044m3/s 求出求出v1=1.401.2，比阻不需修正。，比阻不需修正。H=a1l1Q12+a2l2Q22+h =8.794000.0442+40.393000.0342+12=32.83m （四）沿程均匀泄流管路（四）沿程均匀泄流管路如如图图示，管道示，管道AB长长度度为为l,作用水作用水头为头为H，管道末端流出，管道末端流出的流量的流量为为Qt，沿程均匀泄流的，沿程均匀泄流的总总流量流量为为Ql,在离起点在离起点A距离距离为为x的断面流量的断面流量为为Qx=Qt+Ql-qx=(Qt+Ql)-(Ql/l)xdx段段的的沿程水沿程水头损

15、头损失失为为 dhf=aQx2 dx=a(Qt+Ql)-x 2 dxhf=(Qt+Ql)-x 2 dx（四）沿程均匀泄流管路（四）沿程均匀泄流管路展开上式并化简得展开上式并化简得hf=al(Qt+0.55Ql)2 令令Qc=Qt+0.55Ql，Qc为设计为设计流量（或流量（或计计算流量），算流量），则则hf=a lQc 2 当管道中只有途泄流量，没有通当管道中只有途泄流量，没有通过过流量，即流量，即Qt=0，则则三、三、管网水力计算基础管网水力计算基础管网水力计算依据：管网水力计算依据：连续性方程：从任一节点流出和流入的流量，其代连续性方程：从任一节点流出和流入的流量，其代数和等于零。数和等于

16、零。能量方程：在管网的任一闭合环内，各管段的水头能量方程：在管网的任一闭合环内，各管段的水头损失代数和等于零；损失代数和等于零；（一一）枝状管网枝状管网1、新建给水管网（干管）的水力计算新建给水管网（干管）的水力计算l枝状管网的计算枝状管网的计算主要为以干管为主确定作用水头与管主要为以干管为主确定作用水头与管径。径。完成管网布置图以后，各管段的长度、管段流量、用完成管网布置图以后，各管段的长度、管段流量、用户的设计用水量、节点高程及各节点服务水头（用户户的设计用水量、节点高程及各节点服务水头（用户所需水头）均为已知，要求确定管道的管径和管网起所需水头）均为已知，要求确定管道的管径和管网起点的水

17、压（指水泵扬程或水塔高度）。点的水压（指水泵扬程或水塔高度）。【例【例6】枝状管网如图所示。设水塔与管网端点】枝状管网如图所示。设水塔与管网端点4、7地形标地形标 高相同，两点的最小服务水头均为高相同，两点的最小服务水头均为 Hs=12m，各管段均为，各管段均为 铸铁管其他已知条件见表，试求各管段的直径、水头铸铁管其他已知条件见表，试求各管段的直径、水头 损失及水塔高度。损失及水塔高度。水塔水塔0123456735L/s20L/s25L/s9L/s10L/s13L/s【解】先按经济流速计算管径【解】先按经济流速计算管径然后对照规格选取管径并确定在经济流速范围之内。然后对照规格选取管径并确定在经

18、济流速范围之内。根据所取管径查表求得各段比阻，计算水头损失。根据所取管径查表求得各段比阻，计算水头损失。其他管段计算见下表其他管段计算见下表水头损失：水头损失：管段管段管长管长流量流量管径管径流速流速比阻比阻水头损失水头损失3-43500.0252000.809.302.032-33500.0452500.922.832.011-22000.0803500.831.071.376-75000.0131500.7443.03.635-62000.0232000.739.300.981-53000.0322500.652.830.870-14000.1124000.890.231.15hf0-4=

19、2.03+2.01+1.37+1.15=6.56 mhf0-7=3.63+0.98+0.87+1.15=6.63 m点点7为控制点，水塔高度应为为控制点，水塔高度应为 H=6.63+12=18.63 m。2、已有管网扩建的水力计算已有管网扩建的水力计算与新建管网计算不同与新建管网计算不同：管网起点压力是已知的管网起点压力是已知的（如水塔或水泵机组已确定），且原有管网的用（如水塔或水泵机组已确定），且原有管网的用水、管道情况是确定的，所以就要按已提供的水水、管道情况是确定的，所以就要按已提供的水压和用户的用水量来确定管径。压和用户的用水量来确定管径。5-4有压管有压管道道中的水击中的水击简介简介

20、一一、水击、水击现象现象（一）水击（一）水击（水锤（水锤）（二）水击发生的原因（二）水击发生的原因以水管末端阀门突然关闭为例。以水管末端阀门突然关闭为例。当水流以当水流以 v0 在管道中流动时，在管道中流动时，阀门突然关闭阀门突然关闭，靠近阀门处的水由靠近阀门处的水由v0 变成变成 0,压强压强变变为为 p0+p。这时。这时上游的水体仍然以上游的水体仍然以v0的速度向下游流的速度向下游流动，当碰到停止不动的第一层水体时，动，当碰到停止不动的第一层水体时，v0 变成变成 0，压，压强升高强升高p，水体被压缩，管壁膨胀。这种情况一层一，水体被压缩，管壁膨胀。这种情况一层一层地向上游传播，一直传到层

21、地向上游传播，一直传到B。这种现象实际上是扰。这种现象实际上是扰动波在弹性介质中的传播现象。动波在弹性介质中的传播现象。第一阶段第一阶段：增压波从阀门向管道：增压波从阀门向管道入口传播过程。入口传播过程。第二阶段第二阶段：减压波从管道入口向：减压波从管道入口向阀门传播过程。阀门传播过程。ppv0 第三阶段第三阶段：减压波从阀门向管道：减压波从阀门向管道入口传播过程。入口传播过程。v0pv0（三）水击波的传播过程（三）水击波的传播过程（三）水击波的传播过程（三）水击波的传播过程第四阶段第四阶段：增压波从管道入口向阀：增压波从管道入口向阀门传播过程。门传播过程。周期：周期：T=2Tr相长：相长：T

22、r=2l/c（四）（四）直接水击与间接水击、正水击与负水击直接水击与间接水击、正水击与负水击直接水击（或完全水击）直接水击（或完全水击）：TzTr=2l/c。l间接水击（间接水击（不不完全水击）完全水击）：Tz Trl正水击：管道阀门突然关闭，管中流速迅速减小，压强显著正水击：管道阀门突然关闭，管中流速迅速减小，压强显著增大的水击增大的水击l负水击：管道阀门迅速开启，管中流速迅速增大，压强显著负水击：管道阀门迅速开启，管中流速迅速增大，压强显著减小的水击。减小的水击。二、二、水击波的传播速度水击波的传播速度c0：声波在水中的声波在水中的传传播速度播速度；K：水的体水的体积弹积弹性模量性模量；E：管材的管材的弹弹性系数；性系数；：管壁厚度管壁厚度。三三、防止水击危害的措施、防止水击危害的措施