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1、第6章 孔口、管嘴及有压管流,工程实例,高压管嘴,喷嘴,主要内容,孔口出流,管嘴恒定出流,短管的水力计算,长管的水力计算,离心式水泵及其水力计算,知识点与难点,本章所用知识点连续性方程能量方程沿程水头损失局部水头损失重点掌握孔口、管嘴恒定出流的水力计算有压管路恒定流动的水力计算离心式水泵的水力计算,概述,孔口的分类及其与管嘴、管流的关系,小孔口出流、大孔口出流（按H/d 是否大于10来判定）恒定出流、非恒定出流淹没出流、非淹没出流薄壁出流、厚壁出流如果壁厚达到34d，孔口就可以称为管嘴，收缩断面将会在管嘴内形成，而后再扩展成满流流出管嘴。管嘴出流的能量损失只考虑局部损失。如果管嘴再长，以致必须
2、考虑沿程损失时就是短管了。,液体从孔口以射流状态流出，流线不能在孔口处急剧改变方向，而会在流出孔口后在孔口附近形成收缩断面，此断面可视为处在渐变流段中，其上压强均匀。,61 孔口出流,一.孔口出流的计算,计算特点：,1.自由式出流,从 1C 建立伯努利方程，有,由于边壁的整流作用，它的存在会影响收缩系数，故有完全收缩与非完全收缩之分，视孔口边缘与容器边壁距离与孔口尺寸之比的大小而定，大于3则可认为完全收缩。,流量系数是流速系数与小孔口断面收缩系数的乘积,完全收缩,非完全收缩,无收缩,2.小孔口淹没式出流,从 12 建立伯努利方程，有,（与自由式出流公式完全相同）,大孔口出流的流量公式形式不变，
3、只是相应的水头应近似取为孔口形心处的值，具体的流量系数也与小孔口出流不同。,由于孔口各点的作用水头差异很大，如果把这种孔口分成若干个小孔口，对每个小孔口出流可近似用小孔口出流公式，然后再把这些小孔口的流量加起来作为大孔口的出流流量,3.大孔口恒定出流,大孔口出流的流量系数，可查表,大孔口形心的水头,4.孔口非恒定出流,孔口非恒定出流一般应考虑液面高度对孔口出流速度的影响。然而当孔口面积远小于容器面积时，液体在dt时段内的升降或压强的变化缓慢，惯性力可忽略不计，此时可把整个变速的流动过程划分为许多小区间，在每个小区间仍可按恒定流处理。,经孔口流出的液体体积,容器内减少的液体体积,对上式积分,若H
4、2=0,Qmax 开始出流的最大流量,变水头出流的放空时间，等于在起始水头作用下流出同体积的液体所需时间的两倍。,62 管嘴恒定出流,在容器孔口上连接一段断面与孔口形状相似，长度为(3-4)d的短管，这样的短管称为管嘴，液流流经管嘴且在出口断面满管流出的现象称为管嘴出流。,一、管嘴出流的计算,计算特点:,出流特点:,在C-C断面形成收缩，然后再扩大，逐步充满整个断面。,从 12 建立伯努利方程，有,管嘴正常工作条件,例题1,一.圆柱形外伸管嘴出流,管嘴出流的局部损失由两部分组成，即孔口的局部水头损失及收缩断面后扩展产生的局部损失，水头损失大于孔口出流。但管嘴出流为满流，因此流量系数仍比孔口大，
5、其出流公式为,圆柱形外管嘴的流量系数,圆柱形外管嘴的流速系数,圆柱形外管嘴的局部阻力系数,管嘴出流流量系数的加大也可以从管嘴收缩断面处存在的真空来解释，由于收缩断面在管嘴内，压强要比孔口出流时的零压低，必然会提高吸出流量的能力。,圆柱形外管嘴的真空度,列c-c和2-2断面的能量方程,按突扩计算,对圆柱形外管嘴：由实验得：,取a=1.0,则得：,圆柱形外管嘴收缩断面的真空度可达作用水头的75%，管嘴的作用相当于将孔口自由出流的作用水头增加了0.75倍，这样就提高了管嘴的出流能力。,管嘴长度为(3-4)d,圆柱形外管嘴的正常工作条件,有压管道恒定流动水力计算主要解决以下几方面问题：,63 有压管道
6、恒定流动的水力计算,计算管道输水能力；确定作用水头；计算沿程压强分布。,实际流体恒定总流能量方程,沿程损失,局部损失,已能定量分析，原则上解决了恒定总流能量方程中的粘性损失项。,管道中的满流,管道水力计算的基本公式,连续性方程 伯努利方程式中 E为外界（泵、风机等）加给单位重量流体的机械能。能量损失,一、管道系统分类,1按能量损失大小 长管：凡局部阻力和出口速度水头在总的阻力损失中，其比例不足5的管道系统，称为水力长管，也就是说只考虑沿程损失。短管：在水力计算中，同时考虑沿程损失和局部损失的管道系统，称为短管。2按管道系统结构 简单管道：管径和粗糙度均相同的一根或数根管子串联在一起的管道。复杂
7、管道：除简单管道以外的管道系统，称为复杂管道，又可分成：1）串联管道：不同管径或不同粗糙度的数段管子串联联接所组成的管道系统。2）并联管道：是指数段管道并列联接所组成的管道系统。,枝状管道：各不相同的出口管段在不同位置分流，形状如树枝。网状管道：通过多路系统相互连接组成一些环形回路，而节点的流量来自几个回路的管道。,管道系统分类,有压管道的进口是淹没的，出口分自由和淹没两种情况，它们的作用水头是不同的。,二.短管的水力计算,自由出流,上游总水头和下游测管水头之差，用于支付出口速度水头和全部水头损失（包括沿程损失及所有局部损失）。,改写,作用水头H0,管系流量系数,作用水头 H,作用水头 H,用
8、3-3断面作下游断面,出口水头损失按突扩计算,管系流量系数,淹没与自由出流相比，作用水头不同，管系流量系数相同，局部损失中不包含2-2断面出口损失。,简单管道水力计算特例虹吸管及水泵,虹吸管是一种压力管，顶部弯曲且其高程高于上游供水水面。其顶部的真空值一般不大于78m水柱高。虹吸管安装高度Zs越大，顶部真空值越大。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，故按短管计算。,通过水泵转轮转动的作用，在水泵进口端形成真空，使水流在池面大气压作用下沿吸水管上升，流经水泵时从水泵获得新的能量，从而输入压力管，再流入水塔。,安装高度,提水高度,安装高度,水泵向单位重量液体所提供的机械能，称
9、为水泵的扬程,1 水泵的水力计算,z,z2,1,1,2,2,3,3,水泵最大真空度不超过6m,l2,l1,水泵允许安装高度,水泵扬程,流量Q，吸水管长l1，压水管长l2，管径d，提水高度z，各局部水头损失系数，沿程水头损失系数,要求,确定,计算,已知,z,z2,1,1,2,2,3,3,l2,l1,水泵允许安装高度,z,z2,1,1,2,2,3,3,l2,l1,水泵扬程=提水高度+全部水头损失,水泵吸水管的水力计算 计算内容：已知，求水泵安装高度。,例题2,2.虹吸水力计算虹吸灌溉,真空输水：世界上最大直径的虹吸管(右侧直径1520毫米、左侧600毫米),虹吸高度均为八米，犹如一条巨龙伴游一条小
10、龙匐卧在浙江杭州萧山区黄石垅水库大坝上，尤为壮观，已获吉尼斯世界纪录。,我国最大的倒虹吸管,例题3,如果作用水头的95%以上用于沿程水头损失，我们就可以略去局部损失及出口速度水头，认为全部作用水头消耗在沿程，这样的管道流动称为水力长管。否则为水力短管。,三、长管的水力计算,对水力长管，总水头线就是测压管水头线,简单管路,流量模数与流量具有相同的量纲,对水力长管，根据连续方程和谢才公式（P107)可知,长管:作用水头全部用于支付沿程损失,压强的沿程分布,入口断面 0-0，任意断面 i-i,通过有压管道定常流动的水力计算，容易确定沿程压强的分布，得到测压管水头线。测压管水头线低于管轴线，为负压。工
11、程中有时需要避免压力的低值，为此找出管道中的压力最低点，检验其是否满足要求。如压力过低，可采取调整管道位置高程、降低流速等措施解决。,1、管道水力计算主要任务,管道水力计算的主要任务是：(1)根据给定的流量和允许的压强损失确定管道直径和管道布置；(2)根据给定的管道直径、管道布置和流量来验算压强损失；(3)根据给定的管道直径、管道布置和允许的压强损失，校核流量。管道水力计算的基本公式有连续性方程、伯努利方程和能量损失公式等三个。连续性方程 常数或 常数伯努利方程式中 E为外界（泵、风机等）加给单位重量流体的机械能。,能量损失 其中 由上面管道系统分类可知，管道系统的分类类似于电路系统。因此，管
12、道水力计算类似于电路计算，管道中的流量相当于电路中的电流；压降相当于电压，管道阻力相当于电阻。,，,2、串联管道,等值长度,以沿程损失为主，必要时用等值长度计算局部损失。,水头线中不画局部损失和速度水头。,n 段串联管道各段的流量、流速、管径、长度可不同，各段损失分别计算然后叠加，认为作用水头全部用于沿程损失，可得一个方程,各段流量间的关系由连续原理确定，又可得 n-1个方程,3、并联管道,n段并联管道的水头损失是相同的，给出n-1个方程,流量之和为总流量，又可得一个方程,(i=1,n),q1,4、沿程均匀泄流管路,沿管长单位长度上泄出相等的流量,通过流量,总途泄流量,当,距开始泄流断面x处，
13、取长度dx的微小管段，认为通过的流量QM不变,分枝状管网应按最不利点设计干管，在干管各段的流量分配给定，管径由经济流速确定的情况下，可以决定所需作用水头。此后的支管设计就成为已知水头和流量求管径的问题。,5、枝状管网,工程上一般采用迭代法确定各管段流量分配，先给出流量分配初值，由经济流速确定管径，计算各闭合环水头损失代数和，根据各闭合环代数和的值，推求校正流量，重新进行流量分配，继续迭代过程，直至满足要求。,对环状管网的每一个节点可写出连续方程，其中独立的比总节点数少一个。管网中的每一个闭合环水头损失的代数和为零。方程总个数恰为管网中的管段数。,6、环状管网,例 管路损失计算：沿程损失+局部损
14、失,已知:图CE3.7.2示上下两个贮水池由直径d=10cm，长l=50m的铁管连接（=0.046 mm）中间连有球形阀一个（全开时Kv=5.7），90弯管两个（每个Kb=0.64），为保证管中流量Q=0.04m3/s,求：两贮水池的水位差H（m）。,管内流动损失由两部分组成：局部损失和沿程损失。局部损失除阀门和弯头损失外，还有入口（Kin=0.5）和出口（Kout=1.0）损失,沿程损失为,例 管路损失计算：沿程损失+局部损失,由穆迪图确定。设=10 6 m2/s,查穆迪图可得=0.0173,对两贮水池液面（1）和（2）列伯努利方程的第一种推广形式,对液面V1=V2=0，p1=p2=0，由上
15、式可得,例C3.7.2 管路损失计算：沿程损失+局部损失,6.4离心式水泵的水力计算,泵是把机械能转化为液体能量的一种机械。一、泵的构造简介,二、主要参数流量Q 扬程H（泵供给单位重量液体的能量）功率输入功率（轴功率）NX 输出功率（有效功率）效率转速n允许真空度,三、工况分析 1.水泵特性曲线 2.管路特性曲线,工作点确定 工作点：水泵特性曲线与管路特性曲线的交点水泵的选择电动机的选择 据工作点Q、H计算 据 Nx。,水击（或称水锤）是有压管中的一种重要的非恒定流现象。,当有压管中的流速因某种外界原因而发生急剧变化时，将引起液体内部压强产生迅速交替升降的现象，这种交替升降的压强作用在管壁、阀
16、门或其它管路元件上好像锤击一样，故称为水击（或水锤）。,这种压强的交替升降，有时会达到很大的数值，处理不当将导致管道系统发生强烈的振动，管道严重变形甚至爆裂。,6-5 管路中的水锤现象,主要内容：,阀门突然关闭时有压管道中的水击,阀门逐渐关闭时有压管道中的水击,水击现象的物理过程水击压强的计算水击波的传播速度,水击压强的计算直接水击与间接水击减小水击压强的措施,阀门突然关闭时有压管道中的水击的物理过程,V=0,V0=0,V=0,流速由V00，压强增加p，管壁膨胀,流速由0-V0，压强减小，恢复原状，管壁恢复原状,流速由-V00，压强降低p，管壁收缩,流速由0 V0，压强增加，恢复原状，管壁恢复
17、原状,各断面压强随时间变化图,o,p0,p0+p,p0-p,o,p0,p0+p,p0-p,阀门断面处,管路进口断面处,水击压强的计算,依动量定理可推得：,或,当阀门突然完全关闭时，V=0，则有,或,例如某压力引水钢管内水击波传播的速度a=1000m/s，设流速由6 m/s减少到零时，阀门突然关闭时的压强水头增量为,水击波传播的速度,根据质量守恒原理可推导出水击波的传播速度,K、液体的体积模量、密度,E、D、管壁材料的弹性模量、管径、管壁厚度,直接水击当 时，阀门处的压强不受阀门关闭时间长短的影响,间接水击当 或 时，阀门处的压强与阀门关闭时间的长短有关,工程设计中减小水击压强的措施：,在管壁材料强度允许的条件下，应当选用直径较大，管壁较薄的水管。,合理选择参数，并尽可能延长阀门调节时间，以避免产生直接水击。,例题1,例1在 条件下，试分别比较孔口和管嘴出流的流速及流量。解1.流速比较2.流量比较,例题2,例2已知,，求水泵安装高度。,解,从 12 建立伯努利方程，有,例题2,例题3,例3如图所示虹吸管，通过虹吸作用将左侧水输至下游。已知，试求：通过虹吸管的流量Q；虹吸管最高处A点的真空度。,例题3,解1.由12列伯努利方程得流量,例题3,2.由1A列伯努利方程得A点真空度,作业：P142习题6-2、6-5、6-7、6-9、6-10、6-20、6-22,
