第5章 孔口、管嘴出流和有压管路.ppt

水力学,第5章 孔口、管嘴出流和有压管路,主讲：马金花,5.1 孔口出流5.2 管嘴出流5.3 短管的水力计算 5.4 长管的水力计算5.5 有压管路中的水击,【教学基本要求】,【学习重点】,回到总目录,教学基本要求,1、了解有压管流的基本特点，掌握管流分为长管流动和短管流动的条件。2、掌握简单管道的水力计算和测压管水头线、总水头线的绘制，并能确定管道内的压强分布。3、了解复杂管道的特点和计算方法。4、了解有压管道中的水击现象和水击传播过程。,返回!,学习重点,1、掌握长管、短管以及有压流的计算及其应用，了解管道的串、并联；2、理解有压管道的水击现象和水击传播过程。,返回!,以上各章中讨论了液体运动的基本规律，导出了水力学的基本方程连续方程、能量方程及动量方程，并阐述了水头损失的计算方法，应用这些基本原理即可研究解决工程中常见的水力计算问题，如有压管道中的恒定流、明渠恒定流及水工建筑物的水力计算等。本章讨论的重点是有压管中恒定流的水力计算。即短管（水泵装置、虹吸管、倒虹吸管）、长管的水力计算和测压管水头线和总水头线的绘制。,返回!,有压管道：管道周界上的各点均受到液体压强的作用。有压管中的恒定流：有压管中液体的运动要素不随时间而变。1.简单管道和复杂管道 根据管道的组成情况我们把它分为简单管道和复杂管道。简单管道是指直径和流量沿流程不变的管道；复杂管道是指由两根以上管道组成的管道系统。复杂管道又可以分为串联管道、并联管道、分叉管道、沿程泄流管和管网。,基本知识点,2.短管和长管 短管是指管路中水流的流速水头和局部水头损失都不能忽略不计的管道；长管是指流速水头与局部水头损失之和远小于沿程水头损失，在计算中可以忽略的管道为，一般认为（局部水头损失+流速水头）10%的沿程水头损失，可以按长管计算。需要注意的是：长管和长管不是完全按管道的长短来区分的。将有压管道按长管计算，可以简化计算过程。但在不能判断流速水头与局部水头损失之和远小于沿程水头损失之前，按短管计算不会产生较大的误差。,5.1 孔口出流,液体经容器壁上孔口流出的水力现象。孔口分类：大孔口 H/d10小孔口 H/d10流动分类：恒定和非恒定出流出流分类：自由出流和淹没出流收缩分类：完善收缩和不完善收缩,1、薄壁小孔口恒定出流 薄壁：出孔水流与孔壁仅在周线上接触，即孔壁厚度对出孔水股没有影响。小孔口：H/d101)小孔口的自由出流 pc=pa=0 薄壁小孔口自由出流的基本公式,薄壁小孔口出流的各项系数,流速系数 实验测得孔口流速系数=0.970.98。孔口的局部阻力系数 0,孔口的收缩系数孔口的流量系数，=。对薄壁小孔口=0.600.62。,2）淹没出流,当出孔水流淹没在下游水面之下。孔口淹没出流的流速和流量均与孔口的淹没深度无关，也无“大”、“小”孔口的区别。,3）小孔口的收缩系数及流量系数,实验证明，不同形状小孔口的流量系数差别不大，但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，圆边孔口收缩系数较大，甚至等于1。孔口在壁面上的位置，对收缩系数有直接影响，不完善收缩孔口的流量系数c大于完善收缩的流量系数。,2、孔口非恒定出流,如容器水面随时间变化，孔口的流量也会随时间变化，称为变水头出流或非恒定流。,当容器为柱体，=常数，则有：当H1=H，H2=0，即得容器“泄空”(水面降至孔口处)所需时间 变水头出流时容器“泄空”所需要的时间，等于在起始水头H作用下恒定出流流出同体积水所需时间的二倍。,5.2 管嘴出流,在孔口接一段长l=(34)d的短管，液流经过短管并充满出口断面流出的水力现象。根据实际需要管嘴可设计成：1）圆柱形：内管嘴和外管嘴2）非圆柱形：扩张管嘴和 收缩管嘴。,1、圆柱形外管嘴恒定出流,管嘴的流量系数,管嘴阻力系数 n=0.5 管嘴流速系数 管嘴流量系数，因出口无收缩n=n=0.82 显然n=1.32。可见在相同条件，管嘴的过流能力是孔口的1.32倍。,2圆柱形外管嘴的真空,孔口外面加管嘴后，增加了阻力，但是流量反而增加，这是由于收缩断面处真空的作用。对圆柱形外管嘴：=1，=0.64，=0.82,圆柱形外管嘴的正常工作条件,收缩断面的真空是有限制的，如长江中下游地区，当真空度达7米水柱以上时，由于液体的压强低于饱和蒸汽压时会发生汽化。圆柱形外管嘴的正常工作条件是：(1)作用水头H09米；(2)管嘴长度l=(34)d。,3）其他形式管嘴,工程上为了增加孔口的泄水能力或为了增加(减少)出口的速度，常采用不同的管咀形式(1)圆锥形扩张管嘴（=57）(2)圆锥形收敛管嘴（较大的出口流速）(3)流线形管嘴（阻力系数最小）,孔口、管嘴的水力特性,5.3简单短管中的恒定有压流,简单管道的水力计算可分为自由出流和淹没出流两种情况。,1.自由出流,管道出口水流流入大气，水股四周都受大气压强的作用，称为自由出流管道。,返回!,图5-1,图51中，列断面11、22的能量方程,管道出口中心到上游水位的高差，全部消耗于管道的水头损失和保持出口的动能。,管道自由出流的流量系数,2.淹没出流,管道出口淹没在水下，称淹没出流。,图5-2,在图5-2中，列断面与的能量方程：,若不计上游流速水头，则,说明：简单管道在淹没出流的情况下，其作用水头完全被消耗于克服管道的沿程阻力和局部阻力所作负功而产生的水头损失上。,管中流速：,通过管道的流量：,管道淹没出流的流量系数,请特别注意：短管自由出流和淹没出流的计算关键在于正确计算流量系数。我们比较短管自由出流和淹没出流的流量系数公式，可以看到两式在分母中相差一项“1”，但是计算淹没出流的流量系数c时，局部水头损失系数中比自由出流多一项管道出口局部水头损失系数“1”，在计算中不要遗忘。,5.3.2 压强沿程变化和水头线的绘制,用以下例子说明总水头线和测压管水头线的绘制。,步骤1：先定出不计能量损失的总水头,步骤2：定出管道末端的总水头,步骤3：寻求最后一个局部损失处（4）下游,步骤4：计算45段的能量损失hf 45,步骤7：逐次向上游推进，便可得到总水头线,hf 45,步骤8：从总水头线向下扣除一个相应管道的 流速水头，便可得到测压管水头线,hf 45,注意：局部水头损失处：水头线发生突变,注意：测压管水头线和总水头线相差一个流速水头,虹吸管是一种压力输水管道，顶部弯曲且其高程高于上游供水水面。在虹吸管内造成真空，使水流则能通过虹吸管最高处引向其他处。,5.3.3 计算实例,（1）虹吸管的水力计算,虹吸管的优点在于能跨越高地，减少挖方。虹吸管长度一般不长，故按照短管计算。,虹吸管顶部的真空的理论值不能大于最大真空值（10mH2O）。当虹吸管内压强接近该温度下的汽化压强时，液体将产生汽化，破坏水流连续性，可能产生空蚀破坏，故一般虹吸管中的真空值78mH2O。,例 有一渠道用两根直径为1.0m的混凝土虹吸管来跨越山丘，渠道上游水位为1100.0m，下游水位为299.0m，虹吸管长度l1=8m l2=15m；l3=15m，中间有60的折弯两个，每个弯头的局部水头损失系数为0.365，若进口局部水头损失系数为0.5；出口局部水头损失系数为1.0。试确定：,当虹吸管中的最大允许真空度为 7mH2O时，虹吸管最高安装高程 zs为多少？,求流量,虹吸管中最大真空一般发生在管道最高位置。本题最大真空发生在第二个弯头后的B-B 断面。考虑0-0断面和B-B 断面的能量方程，则,一个抽水系统通过水泵转动转轮的作用，在水泵进口处形成真空，使水流在池面大气压强的作用下沿吸水管上升，流经水泵时从水泵获得新的能量，进入压力管，再流入水塔。,（2）水泵的水力计算,水泵的水力计算 吸水管和压力水管 吸水管:短管 压力水管:长管,吸水管的水力计算,确定管径和水泵最大允许安装高程,吸水管的管径一般是根据允许流速计算，通常吸 水管的允许流速约为0.81.25 m/s，或根据有关规范 确定。流速确定后，管径可按下式计算,水泵的最大允许安装高程，取决于水泵的最大允 许真空度hv 以及吸水管水头损失hw。计算方法和虹 吸管允许安装高程的计算方法相同。,吸水管,压水管,式中，Ht 为水泵向单位液体所提供的机械能，称为水 泵的水头或者扬程（m）；,P 为水泵和动力机械的总效率。,例题：用离心泵将湖水抽到水池中去，流量为0.2（m3/s），湖面高程为85.0m，水池水面高程为105.0m，吸水管长度为10.0m，水泵的允许真空 hv=4.5m，吸水管底阀的局部水头损失系数为2.5；弯管的局部水头损失系数0.3，水泵入口前的渐变收缩段局部水头损失系数为0.1；吸水管沿程水头损失系数为0.022，压力管道采用铸铁管，其直径为500mm，长度为1000m，n=0.013。,例 用离心泵将湖水抽入水池，流量为0.2m3/s，湖面高程为85.0m,水池水面高程为105m，吸水管长度为10.0m，水泵允许真空 hv=4.5m,吸水管底阀局部水头损失系数为2.5；弯管的局部水头损失系数0.3，水泵入口前的渐变收缩段局部水头损失系数0.1；,吸水管沿程水头损失系数为0.022，压力管用铸铁管，直径500mm，长度1000m，n=0.013,例题水泵管路如图所示，铸铁管直径d=150mm，长度，管路上装有滤水网 一个，全开截止阀一个，管半径与曲率半径之比为 的弯头三个，高程 h=100 m，流量，水温。试求水泵输出功率,解 首先需要判断流动状态以便确定沿程阻力系数 时，水的运动粘度，于是,铸铁管,非光滑管紊流,可知流动状态为紊流过渡区。,先用经验公式求 的近似值,解出，与第一次近似值相差不多，即以此值为准。,将此值代入半经验公式的右端，从其左端求 的第二次近似值，于是,从局部阻力系数表及题给出数据可知：入口，弯头 截止阀，滤水网，出口，于是得局部阻力的当量管长,管路总阻力长度,水泵扬程,最后得水泵输出功率,将 代入 公式中可得,5.4.1简单管路 定义：直径和流量沿程不变的管路称为简单管路。长管的水力计算,5.4 长管的水力计算,图中，列断面11、22的能量方程,管道出口中心到上游水位的高差，全部消耗于管道的沿程水头损失。,管道的比阻；K管道的流量模数。,简单管道水力计算的基本类型,2.当已知管道尺寸和输水能力时，计算水头损失；即要求确定通过一定流量时所必须的水头。,3.管线布置已定，当要求输送一定流量时，确定所需的断面尺寸。,1.当管道布置、断面尺寸及作用水头已知时，要求确定管道通过的流量。,4.对一个已知管道尺寸、水头和流量的管道，要求确定管道各断面压强的大小。,5.4.2 串联管道的水力计算,串联管道:由直径不同的几段管道依次连接而成的管道。特点：管道内流量可沿程不变 或各段流量不同（沿管道节点有流量分出）,1）按长管计算,给水管道中的串联管道一般按长管计算，则,上式是串联管道的基本公式，联立以上三式，可解算Q、d、H 等问题。,对上游断面和出口断面列能量方程，则,式中，下标i 为第i 段的管段，其他符号同前。,一般说，沿程泄出的流量是不均匀的，即，流量沿程变化，是一个以距离为变数的复杂函数。,本节研究一种最简单的情况：沿程均匀泄流情况,上式可近似写成,式中，Qr 称为折算流量。,当通过流量 Q0 时，沿程均匀泄流的水头损失为,上式表明，当流量全部沿程均匀泄出时，其水头损失只等于全部流量集中在末端泄出时的水头损失的三分之一。,例题 有一由水塔供水的输水管道，全管道包括三段，AB、BC、CD。BC为沿程均匀泄流管道，每米长连续分泄的流量q=1000cm3/s；在管道接头B点要求分泄流量q1=15000cm3/s；CD段末端的流量 Q3=10000 cm3/s；各管段为铸铁管，n0.0125，各段管径分别为：,试求需要的水头H？,解：本题中三段管道为串联管道，管道水头损失为：,由n=0.0125，及各段管径di 计算Ki 为,5.5.1水击现象水击是有压管道中的非恒定流现象。当有压管道中的阀门突然开启、关闭或水泵因故突然停止工作，使水流流速急剧变化，引起管内压强发生大幅度交替升降。这种变化以一定的速度向上游或下游传播，并且在边界上发生反射，这种水流现象叫作水击，交替升降的压强称为水击压强。,产生水击现象的原因是由于液体存在惯性和可压缩性。水击现象的实质上是由于管道内水体流速的改变，导致水体的动量发生急剧改变而引起作用力变化的结果。,5.5 有压管路中的水击,水击具有破坏性,1.水击的物理过程,水击具有破坏性,第一阶段,水击的传播速度为a,在t=l/a时到达管道口,第二阶段,在t=2l/a时到达阀门,第三阶段,在t=3l/a时到达管道口,第四阶段,在t=4l/a时到达阀门,水击具有破坏性,循环、衰减,水击具有破坏性,水击波的传播过程,5.5.2水击压强的计算1.水击的分类,t=2l/c相长Ts阀门关闭时间,阀门处,c0水中声音传播速度（1435m/s）水的弹性系数（2109Pa）E管材弹性系数（钢：206106kPa）管材壁厚,水击具有破坏性,根据闸门关闭（或开启）的时间Ts与相长T的比值，我们把水击分为两类：（1）直接水击：闸门关闭（或开启）的时间TsT（相长）。（2）间接水击：指闸门关闭（或开启）的时间TsT（相长）。,水击具有破坏性,由于直接水击压强远大于间接水击压强，破坏性较强，在实际工程中应尽可能采取措施，避免产生直接水击破坏。,2.直接水击压强的计算,用水柱表示,水击具有破坏性,式中：是水击波速，是管内原来流速，是阀门启闭后的流速。,3.防止产生直接水击破坏的措施,（1）缩短压力管道的长度；（2）延长阀门关闭的时间Ts；（3）减小压力管道中的水流流速；（4）安装水击消除阀；（5）设置调压室。,水击具有破坏性,例题：有一水电站引水钢管，管长l=2000 m，管径D=500 mm，管壁厚度=10 mm，水的弹性系数为K=19.610 8 N/m2，钢管的弹性系数为E=19.61010 N/m2。试求：在3秒内阀门全部关闭时的水击压强。,解：水击波的波速为,相长为,Ts=2 sT=3.41s水击为直接水击,水击压强为,水击具有破坏性,返回!,