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1、第五章 孔口管嘴管路流动,本章将运用前几章中的流体力学理论，主要是流体连续性方程、能量方程和能量损失规律，研究孔口、管嘴与有压管道的过流能力（流量）、流速及压强的计算及其工程应用。另外还将介绍有压管中的水击现象。 孔口、管嘴出流与有压管流是工程中最常见的流动现象。例如通风工程中通过门、窗的气流；给排水工程中的各类取水；泄水孔口中的水流；以及某些流量测量设备中的流动等均与孔口出流有关。消防水枪则属于管嘴出流。有压管流则是市政建设、给水排水、采暖通风、热能动力等工程中最常见的流动。因此，研究该种流动现象的基本特性与计算方法具有重要的工程实际意义。,第一节 薄壁孔口自由出流,一. 孔口自由出流 在盛
2、有流体的容器上开孔后，流体会通过孔口流出容器，这种流动称为孔口出流。液体经孔口流入大气的出流称为自由出流。液体经孔口流入充满液体的空间称为淹没出流。孔口断面上：急变流。,薄壁孔口：孔口具有尖锐边缘，出流流股与孔口壁接触 仅是一条周线。厚壁孔口或管嘴：孔壁厚度和形状促使流股收缩后又扩 开，与孔壁接触形成面而不是线。,收缩断面：出流流股距1/2孔径处，断面收缩达到最小，流线趋于平直，成为渐变流。,对AA液面与CC断面列能量方程：,薄壁孔口,移项整理,令,出口流速,H0称为作用水头，是促使出流的全部能量。,自由出流、自由液面,即,自由液面速度,显然,令,称为流速系数，它表示无能量损失时，理想流速与实
3、际流速之比。 。,出口流量 ：,其中， 称为孔口收缩系数。 ，称为流量系数。 。 。,当计算流量Q时，根据具体的孔口及出流条件，确定及H0。,二、各种收缩情况1全部收缩与非全部收缩 当孔口离容器的其它各壁面有一定距离时，水股在四周方向上均能够发生收缩，称之为全部收缩（如孔口、 和 ），否则为非全部收缩（如孔口 ）。2完善收缩与不完善收缩 当孔口距离容器的其它各壁面的距离足够大以后，水股在四周各方向上可以充分地收缩，与孔口离容器其它各壁面的距离无关，称这种收缩为完善收缩（如图中孔口、 ），否则为不完善收缩（如孔口 ）。,非全部收缩时式中 全部收缩时孔口流量系数； 不完善收缩时孔口流量系数； S未
4、收缩部分周长； X孔口全部周长； C系数，圆孔取0.13，方孔取0.15。,当发生不完善收缩时， 会增加，相应流量系数值亦将增大。两者之间关系可用经验公式表示。,不完善收缩时 及 亦将增大，亦可按经验公式估算，如式中 全部完善收缩时孔口流量系数； 不完善收缩时孔口流量系数； A孔口面积； A0孔口所在壁面的全部面积。,上面的计算公式适用条件是，孔口在壁面的中心位置，各方向上影响不完善收缩的程度近于一致的情况。,第二节 孔口淹没出流,对1、2两断面列能量方程（参见图A）：,令,一. 液体淹没出流,孔口自由出流,若 ， ，则,。,流量：,二.压力容器出流,液体自由出流：,液体淹没出流：,三.气体淹
5、没出流,孔板流量计（参见图B）,例51. 已知： mmH2O， mm， mm 求：,解： mH2O ， ，阻力平方区 查图C得 m3/s,解：,m3/s,m2,，,Pa,，,kg/m3，,例52（气体）.已知：,例53. 已知： Pa ， cm,m,kg/m3,m2,m/s,m3/s,解：,，,，,，,第三节 管嘴出流,一.圆柱形外管嘴出流,对A、B两断面列能量方程：,或,第三节 管嘴出流,在收缩断面CC前后流股与管壁分离，中间形成旋涡区，产生负压，出现了管嘴的真空现象，促使出流流量增大，这是管嘴出流不同于孔口出流的基本特点。,对C、B两断面列能量方程：,，,锐缘进口,若,则,断面CC真空值,
6、当,断面CC产生气泡，进来空气，真空破坏。,为保证管嘴正常出流,外管嘴正常工作条件之一,管嘴正常工作条件之二,二.其它类型的管嘴 1. 流线型管嘴： ，适用于要求流量大， 水头损失小，出口断面上速度分布均匀的情况。,2. 收缩圆锥型管嘴：出流与收缩角度有关。3024， 0.963，=0.943为最大值。适用于要求加大喷射速 度的场合。如消防水枪。,3. 扩大圆锥型管嘴：当 57时， 。 用于要求将部分动能恢复为压能的情况如引射器的扩 压管。,Ex54. 已知： m， m， m3/s 求：,解：, kPa,第四节 简单管路一. 管道的分类 1.按结构划分： 简单管路：管径不变，没有分叉的管道,Q
7、或v相同。 复杂管路：两根或两根以上的简单管道组合成的管道系统。,2.按管中压力分：有压管道：管内表压不等于零（ ），供水、煤气、通风、电站引水管。无压管道（涵管）：管内表压等于零（ ），非满管流动(如排水管道，管内存在自由液面的情况)。,二.简单管路的计算1. 阻抗及简单管路流动规律,其中,称为液体管路阻抗,从而,其中 包括,对于气体管路,称为气体管路阻抗,对于一定的流体，在d、 l已给定时，S只随和 变化。当流动处在阻力平方区时， 仅与k/d有关，所以在管路的管材已定的情况下， 值可视为常数。 中只有进行调节的阀门的 可以改变，而其它局部构件已确定的局部阻力系数是不变的。所以SP、SH对已
8、给定的管路是一个定数，它综合反映了管路上的沿程阻力和局部阻力情况，故称为管路阻抗。,其中,简单管路流动规律：总阻力损失与体积流量平方成正比，比例系数为管路阻抗。,Ex55. 已知： m2， m， ， m3/s， m2/s 求： 解： mm， m， m/s， ， 查Moody图,Pa,2.水泵系统管路计算对1、2两液面列能量方程，得,水泵水头(又称扬程)，不仅用来克服流动阻力，还用来提高液体的位置水头、压强水头，使之流到高位压力水箱中。,3. 虹吸管路计算,虹吸管：管道中一部分高出上游供水液面的简单管路。,出现气候汽化。为了保证虹吸管正常流动，必须限定,虹吸管中存在真空区段。当 或,Ex56.已
9、知： m， m， m， m， ， ， ， m求： 及,解：,m3/s,m3/s,m3/s,对1、C两断面列能量方程：,m,第五节 管路的串联与并联,一.串联管路,串联管路计算原则：无中途分流或合流，则流量相等，阻力叠加，总管路的阻抗S等于各管段的阻抗叠加。,不可压缩流体,管段相接之点称为节点。每个节点上都遵循质量平衡原理。,或,I,U,R,二.并联管路,节点a：分流点；节点b：合流点； a 和b之间各管段称为并联管路。,I,U,R,并联管路计算原则：并联节点上的总流量为各支管中流量之和；并联各支管上的阻力损失相等。总的阻抗平方根倒数等于各支管阻抗平方根倒数之和。,Ex57.已知： m， m，
10、； m， ， ， m3/s,m,求： 及,并联管路流量分配规律：各分支管路的几何尺寸、局部构件确定后，按照节点间各分支管路的阻力损失相等，来分配各支管上的流量，阻抗S大的支管其流量小，S小的支管其流量大。,解：,解之得：,m3/s,m3/s,阻力平衡： 1. 在满足用户需要的流量条件下，设计合适的管 路尺寸及局部构件，使各并联支管上阻力损失 相等。 2. 若要求并联支管流量相等。在管路尺寸及局部 构件给定的条件下，若计算出的各并联支管上 的流量不相等（相差较大） 时，需要改变管径d和 进行重新计算。,管网是由简单管路、并联、串联管路组合而成，基本上可分为枝状管网和环状管网两种。,第六节 管网计
11、算基础,一、枝状管网,风机压头,风机风量,公式（5-44）,公式（5-45）,两根并联支管阻力计算：通常以管段最长，局部构件最多的一支参加阻力叠加；另外一支只按并联管路规律，与第一支管段进行阻力平衡。,两类基本水力计算：,1管路布置(l和 )已定，且知各用户流量Q及末端压 头hC，求管径d和作用压头H。,这类问题先按流量Q和限定流速v（满足技术经 济要求，输送流量经济合理）求管径d，然后进行管 网阻力计算，最后按总阻力及总流量选择泵或风机。,2已有泵或风机（已知H），并知用户流量Q及末端水 头hC ，在管路布置之后已知管长l ，求管径d 。 这类问题首先按 求得单位长度上允许损 失的水头J,允
12、许比摩阻,水头损失相等,管径d不知， 难于确切得出。根据设计手册查得估计各种局部构件的当量长度 后，再代入(5-46)式求J 。,二、环状管网,管段在某一共同的节点分支，然后又在另一共同节点汇合。是由很多个并联管路组合而成。,环状管网遵循串联和并联管路的计算原则，并满足下列两个条件（基尔霍夫定律）：,恒定流,质量平衡原理,并联管路节点间各分支管段阻力损失相等,（点函数 封闭曲线积分）,计算程序如下：,1将管网分成若干环路，按节点流量平衡确定流量Q，选取限定流速v，定出管径D。,2按照流量与损失在环路中的正负值，求出每一环路的总损失 。,3若计算出来的 不为零，则每段管路应加校正流量Q，而与此相
13、适应的阻力损失修正值为 hi。,闭合环路校正流量Q计算公式：,当计算出环路的Q之后，加到每一管段原来的流量Q上，便得到第一次校正后的流量Q1。 4用同样的程序，计算出第二次校正后的流量Q2，第三次校正后的流量Q3，直至 满足工程精度要求为止。,例58. 作为作业自学。,第七节 有压管中的水击,由于水击而产生的压强增加可能达到管中原来正常压强的几十倍甚至几百倍，而且增压和减压交替频率很高，其危害性很大，严重时会使管路发生破裂。 水击现象是一种非恒定流，且与液体的可压缩性和管壁材料的弹性有关。 下面就图5-21分析管路发生水击时压强变化的情形。,水击：在有压管中运动着的液体，由于阀门或水泵突然 关
14、闭，使得液体速度和动量发生急剧变化，从而 引起液体压强骤然变化的现象。 水击所产生的增压波和减压波交替进行，对管壁 或阀门的作用有如锤击一样，故又称为水锤。,这种减速增压的过程，是以增压(p0+p)弹性波往上游水池传递的，称此为“水击波”。,设水击波在全管长上来回传递一次所用时间 为半周期，则 为水击波的全周期，到达此时间后，管中全部液体便恢复到水击未发生时的起始状态。 此后在液体的可压缩性及惯性作用下，上述的弹性波传递、反射、水流方向的来回变动，都将周而复始地进行着，直到水流的阻力损失、管壁和水因变形做功而耗尽了引起水击的能量时，水击现象方才终止。 引起管路中速度突然变化的因素，如阀门突然关
15、闭，这只是水击现象产生的外界条件，而液体本身具有可压缩性和惯性是发生水击现象的内在原因。,管路阀门瞬间关闭时产生水击分析。理想液体和实际液体两种图示。,关闭管路阀门所用时间总是一个有限的时间间隔Ts。这样关闭时间 Ts与水击波在全管长度上来回传递一次所需时间 对比，存在下列两种关系： (一) 即阀门关闭的时间很短，在从水池反回来的弹性波未到阀门处时，己关闭完了。这种情况下的水击称为直接水击。以不等式表示管长与时间的关系：,阀门处所受的压强增值所能达到最大压强：,水击波的传递速度,管子的刚度。刚度越大，水锤的压强数值也越大。,(二) 即 ，此时从水池反回来的弹性波，在阀门尚未关完时到达，所发生的
16、水击称间接水击。这种情况下水击压强比直接水击压强为小。,水击的危害：当压力增加时，易将管子胀破，当压力为负值时，则管子易被大气压扁。,减弱水击的具体办法主要是尽量减少直接水击。,(1)增加管路关闭(或开启)时间Ts，使过程延长；(2)在管路中装置各种安全瓣，这样在水锤发生瞬间有安全瓣将部分水从管中放出，或把部分空气引入管中。,一、主要概念 孔口（薄与厚、小与大、是否全部或完善收缩）与管嘴（圆柱形与其它类型）、自由出流与淹没出流、液体出流与气体出流、有压容器出流、收缩断面、作用水头(意义与组成）、速度系数、收缩系数、流量系数、管路阻抗、虹吸管、孔板流量计二、基本问题1孔口与管嘴作用水头的确定与流速、流量的计算2外管嘴正常工作条件（H0=9.3m）、（l=34d）3. 简单管路（水泵系统管路、虹吸管路）流动规律4串并联管路阻力损失与流量的计算原则5枝状管网与环状管网节点的分、合流特点6水击现象与减弱水击的具体办法,本章小结,
