孔口管嘴管路流动详解ppt课件.ppt
第五章 孔口管嘴 管路流动,概 念,孔口出流（orifice discharge）：在容器壁上开孔水经孔口流出的水力现象就称为孔口出流.,小孔口（small orifice ）：当孔口直径d（或高度e）与孔口形心以上的水头高度H的比值小于0.1，即d/H0.1时，可认为孔口射流断面上的各点流速相等， 且各点水头亦相等，这时的孔口称为小孔口。 2.根据出流条件的不同，可分为自由出流和淹没出流 自由出流（free discharge）：若经孔口流出的水流直接进入空气中，此时收缩断面的压强可认为是大气压强，即pc=pa，则该孔口出流称为孔口自由出流。 淹没出流（submerged discharge）：若经孔口流出的水流不是进入空气，而是流入充满液体的空间，这种情况称为淹没出流。,3.根据孔口水头变化情况，出流可分为： 恒定出流、非恒定出流 恒定出流（steady discharge）：当孔口出流时，水箱中水量如能得到源源不断的补充，从而使孔口的水头不变，此时的出流称为恒定出流。 非恒定出流（unsteady discharge）：当孔口出流时，水箱中水量得不到补充，则孔口的水头不断变化，此时的出流称为非恒定出流。,第一节 孔口自由出流 一、薄壁孔口 薄壁孔口（thin-wall orifice）：当孔口具有锐缘时，孔壁与水流仅在一条周线上接触，即孔口的壁厚对出流并不发生影响。这种孔口叫做薄壁孔口。,二、收缩断面与收缩系数 液流从各个方向涌向孔口，由于惯性作用，流线只能逐渐弯曲，水股在出口后继续收缩，直至离开孔口1/2孔径处，过流断面达到最小，此断面即为收缩断面CC断面。根据试验资料，收缩断面直径dc=0.8d。 收缩系数：指收缩断面面积Ac与孔口断面面积A之比，以表示 三、流速与流量计算 断面A-A和收缩断面C-C，列能量方程,得：,令,四、影响孔口出流流量系数的因素 在边界条件中，影响的因素有：孔口形状、孔口边缘情况、孔口在壁面上的位置三个方面。1.孔口形状对的影响 实验证明，对于小孔口，不同形状孔口的流量系数影响不大。 2.孔口边缘情况对的影响 孔口边缘情况对收缩系数会有影响：薄壁孔口的收缩系数最小（=0.64），圆边孔口收缩系数较大，甚至等于1。3.孔口在壁面上的位置对的影响 孔口在壁面上的位置对收缩系数有直接的影响，如图。全部收缩孔口（full contrastive orifice）：当孔口的全部边界都不与相邻的容器底边和侧边重合时，孔口出流时的四周流线都发生收缩，这种孔口称为全部收缩孔口 (如A, B) 。,全部收缩孔口又分完善收缩和不完善收缩。完善收缩（perfect contraction）：凡孔口与相邻壁面的距离大于同方向孔口尺寸的3倍（L3a或L3b），孔口出流的收缩不受距壁面远近的影响，这就是完善收缩(如A) 。 不完善收缩(non-perfect contraction) ：不满足上述条件的孔口出流为不完善收缩(如B) 。,注：不完善收缩、不完全收缩的流量系数较完善收缩、完全收缩的流量系数大。,第二节 孔口淹没出流 列断面1-1与断面2-2的能量方程,第三节 管嘴出流 在孔口周边连接一长为34倍孔径的短管，水经过短管并在出口断面满管流出的水力现象，称为管嘴出流。 圆柱形外管嘴：先收缩后扩大到整满管。 流线形外管嘴：无收缩扩大，阻力系数最小。水坝泄流 圆锥形扩张管嘴：较大过流能力，较低出口流速。引射 器，水轮机尾水管，人工降雨设备。 圆锥形收缩管嘴：较大出口流速。水力挖土机喷嘴，消防 用喷嘴。,管嘴出流（nozzle discharge） 应用：消防水枪和水力机械化施工用水枪。,管嘴的局部水头损失，等于进口损失与收缩断面后的扩大损失之和（忽略管嘴沿程水头损失），即,管嘴阻力系数，即管道锐缘进口局部阻力系数，取,二、圆柱形外管嘴的真空 图中，断面1-1与断面c-c写能量方程：,连续性方程,代入上式得：,圆柱形管嘴水流在收缩断面处出现真空。真空度为：,结论：圆柱形管嘴收缩断面处真空度可达作用水头的0.75倍。相当于把管嘴的作用水头增大了75%。这就是相同直径、相同作用水头下的圆柱形外管嘴的流量比孔口大的原因。,例1:某水池壁厚d=20cm，两侧壁上各有一直径d=60mm的圆孔，水池的来水量=30 l/s，通过该两孔流出；为了调节两孔的出流量，池内设有隔板，隔板上开与池壁孔径相等的圆孔。求池内水位恒定情况下，池壁两孔的出流量各为多少？ 解:池壁厚=(34)d，所以池壁两侧孔口出流均实为圆柱形外管嘴出流。按孔口、管嘴出流的流量公式,(1),(2),(3),和连续性方程,(4),(5),五个方程解四个未知数：Q1,Q2（Q孔）,H1和H2，是可解，将式（1）和式（2）代入式（4）得,即: （6）,将式（2）和式（3）代入式（5）得,写成,（7）,将式（7）代入式（6）得,解出,代入式（7）得,将式H1和H2值分别代入式（1）、式（2）得,例2:图示水箱孔口出流，已知压力箱上压力表读数p=0.5at，玻璃管内水位恒定h1=2m，孔口直径d1=40mm；敞口容器底部孔口直径d2=30mm，h3=1m 。求h2及流量Q。 解 孔口淹没出流流量,孔口自由出流量,因水箱内水位恒定，故Q1=Q2=Q；并注意到1=2=0.62，则,代入已知数值，有,解之得,那么，孔口出流量,孔口出流与管嘴出流,第四节 简单管路,一、概念有压管流（penstock）：管道中流体在压力差作用下的流动称为有压管流。 有压恒定管流：管流的所有运动要素均不随时间变化的有压管流。 有压非恒定管流：管流的运动要素随时间变化的有压管流,简单管道：粗糙度相同没有分支的等管径管道；复杂管道：由两条以上有分支或粗糙度或管径不同管道组成的管系。可分为：串连管道、并联管道、枝状管网、环状管网等。,例1：用虹吸管自钻井输水至集水池。图中，虹吸管长l=lAB+lBC=30+40=70m，d=200mm。钻井至集水池间的恒定水位高差H=1.60m。又已知=0.03，管路进口、两弯头及出口处的局部阻力系数分别为1=0.5，2=0.2，3=0.5，4=1.0。 试求:流经虹吸管的流量；,解：,列1-1，3-3能量方程，忽略行进流速v0=0,三、简单管道的水力计算,例2 一直径为d的水平直管从水箱引水、如图所示，已知：管径d=0.1m，管长l=50m，H=4m，进口局部水头损失系数z1=0.5，阀门局部水头损失系数z2=2.5 ，今在相距为10m的1-1断面及2-2断面间设有一水银压差计，其液面差h=4cm，试求通过水管的流量Q。,解：以管轴水平面为基准面，写1-1，2-2断面的能量方程，得,第五节 管路的串联与并联,复杂管道：工程中用几条不同直径、不同长度的管段组合而成的管道.一、串联管道 串联管道（pipes in series） ：由直径不同的几段管段顺次连接而成的管道称为串联管道.,串连管路,1. 串联管道流量计算的基本公式,（1）能量方程 式中：n管段的总数目,m局部阻力的总数目。（2）节点的连续性方程,二、并联管道,并联管道（pipes in parallel）：两条或两条以上的管道同在一处分出，又在另一处汇合，这种组合而成的管道为并联管道选择：长管并联管道各并联管段的： A.水头损失相等； B.总能量损失相等； C.水力坡度相等； D.通过的水量相等； 1.并联管道流量计算的基本公式：并联管道一般按长管计算，一般只计及沿程水头损失，而不考虑局部水头损失及流速水头。（1）节点的连续性方程，如图：,即流进节点的流量（“+”）和从节点流出的流量（“-”）总和为0。,1.枝状管网 枝状管网水力计算的基本原则 1）每一根简单管道均按长管计算（图），即,第六节 管网计算基础,2）节点的连续性条件,节点处的测压管液面高程ZJ，迭代计算的步骤为：,（1）给定ZJ的初始值，并由（1）式求得各管流量。,（1）,（2）,（2）将各管流量代入（2）式看是否满足。,（3）若满足，则ZJ及Qi为所求。若不满足，则对给定的ZJ，修正一个ZJ，再重复（1）-（3）。,2）在管网的任一闭合环路中，以顺时针方向的水流所引起的水头损失（正）与逆时针方向的水流所引起的水头损失的代数和应等于零，即：,3）在环路中，任一根简单管道都根据长管计算，则：,（4）,（3）,水头平衡法计算环状管网的步骤,第七节 水击现象 水击（又名水锤）： 在有压管道中的流速发生急剧变化时，引起压强的剧烈波动，并在整个管长范围内传播的现象。 一、水击的物理过程 1、第一过程（ ），压缩波向水池传播 2、第二过程（ ），膨胀波向阀门传播 3、第三过程（ ），膨胀波向水池传播 4、第四过程（ ），压缩波向阀门传播 其中，c是水击波速，L是阀门与水池间的管长。 在 瞬时，如果阀门仍然关闭，则水击波将重复上述四个传播过程。,二、减少水击影响的措施适当延长阀门开启时间 。尽量采用管径较大的管道，减少管内流速。缩短管道长度，使管中水体质量减少。在管道适当位置上设置蓄能器，对水击压强起缓冲作用。在管道上安装安全阀，以便出现水击时及时减弱水击压强的破坏作用。,
