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1、孔口、管嘴和管道的流动,安徽建筑工业学院环境工程系 王造奇,INDEX孔口出流管嘴出流简单管道的水力计算复杂管道管网计算有压管道的水击自由紊流射流,孔 口 出 流薄壁小孔口,1.自由出流,列A-A、C-C断面能量方程,H0自由出流的作用水头,物理意义：促使流体克服阻力，流入大气的全部能量,特例自由液面：PA=Pa，液面恒定：vA=0,收缩断面流速,孔口的流速系数，=0.970.98,孔口流量,全部收缩（完善收缩、不完善收缩）、部分收缩,A是孔口面积，A0是孔口所在的壁面面积,不完善收缩,2.淹没出流,列上下游液面能量方程,2=1突然扩大阻力系数,H0淹没出流的作用水头,物理意义：促使流体克服阻
2、力流入到下游的全部能量,特例：P1=P2=Pa，v1=v2=0,收缩断面流速,孔口流量,与自由出流一致,H0与孔口位置无关,气体：,作用压力,（略去高差）,流速,流量,排气,吸气,应用：孔板流量计,注意：A孔口面积，也可查表,3.非恒定出流（以液面下降为例）,等截面S容器，t时刻孔口水头h,dt内流出体积,容器减少体积,容器放空：h2=0,V放空容器的体积Qmax开始出流时最大流量,放空时间是水位不下降时放空所需时间的两倍,管 嘴 出 流l=34d的短管,1.管嘴出流,列A-A、B-B断面能量方程,H0作用水头,流速,流量,真空的抽吸作用，流量增加,对锐缘进口的管嘴，=0.5，,2.管嘴正常使
3、用条件,防止气蚀,列C-C、B-B断面能量方程,连续性方程,取,解得C-C断面真空值,允许真空值,H0的极限值,管嘴正常使用条件之一,管嘴正常使用条件之二,3.管嘴的种类,（a）圆柱外伸管嘴；（b）圆柱内伸管嘴；（c）外伸收缩型管嘴；（d）外伸扩张型管嘴；（e）流线型外伸管嘴,4.例：水箱中用一带薄壁孔口的板隔开，孔口及两出流管嘴直径均为d=100mm，为保证水位不变，流入水箱左边的流量Q=80L/s，求两管嘴出流的流量q1、q2,解：设孔口的流量为q,对管嘴,连续性方程,解得,简单管道的水力计算短管（室内）、长管（室外，局阻不计或按%折合）,1.短管的水力计算,类比孔口、管嘴的作用水头,短管
4、的作用水头,1突扩=1，H0H,代入，得,SH管路阻抗S2/m5,Spkg/m7,类比电路：SRH(p)UQ2I,非圆管,例：某钢管制风道，断面尺寸为400200mm2，管长80m，=2.5，v=10m/s，空气温度t=20，求压强损失p,解：解题步骤,（1）当量直径de,（2）Ret=20，=15.710-6m2/s,（3）k/de钢管制风道，k=0.15mm,（4）由Re和k/de查莫迪图=0.0195 或利用阿里特苏里公式=0.0194,（5）Sp,（6）p,（7）选型 p1.2p Q1.1Q,扬程,略去速度水头,虹吸现象,流速,虹吸管正常工作条件,最大真空度,列1-1和最高断面C-C的
5、能量方程,流量,最大安装高度,2.长管的水力计算,局部损失（包括速度水头）不计，损失线性下降，总水头线与测压管水头线重合,单位长阻抗比阻a,s2/m6,kg/m8,复 杂 管 道,1.串联管道,类比电路,例：铸铁管长L=2500m，流量Q=0.25m3/s，作用水头H=25m，为充分利用水头，设计串联管道,解：（1）如按简单长管计算,水力计算表,aH1=0.105d1=450mm浪费水头，投资加大aH2=0.196d2=400mm水头不够,（2）设计串联管路,d1=450mmL1d2=400mmL2,解得,2.并联管道,类比电路,流体的自调性，阻力平衡,例1：某两层楼的供暖立管，管段1的d=2
6、0mm，总长20m，1=15，管段2的d=20mm，总长10m，2=15，管路=0.025，干管总流量Q=1L/s，求Q1和Q2,解：并联,解得,阻力平衡,水平失调,异程同程,例2：流量Q=4L/s的泵从两个有初始液位差h=0.5m的油箱中吸油，在节点A以前的两条管路有相同的长度l=10m和直径d=50mm，若=0.03，不计局部阻力，求：（1）泵开始吸油时，每个油箱流出的流量q1和q2各为多少？,解：,A点连续性方程,解得,（1）,必须pA0，列低油箱到A点的能量方程,会出现高位油箱向低位油箱倒灌的现象,注意：因q1=0，故q2=Q，解得z1.27m,（2）当h是多少时，由低位油箱流出的q2
7、=0？,（4）当z为多高，高位油箱泄空后空气不会进入泵 内，且又可使低位油箱可泄空？,令q2=0，解得h=1.27m,（3）当h1.27m时会出现什么情况？,管 网 计 算,特点,1.枝状管网的水力计算（两类）,（1）管网布置已定（Li，用户Qc，末端压力pc或hc），求di，作用压力p或H新建管网,a.由连续性方程确定节点流量,b.由流量确定各管段管径,ve经济流速（规范要求）,c.由控制线确定作用压力,或,d.阻力平衡，调整支管管径,（2）管网布置和作用压力已定，求di校核计算，扩建管网,a.由连续性方程确定节点流量,b.由控制线确定水力坡度,l局部损失折算成沿程损失的长度，称为局阻的当量
8、长度（手册可查）,c.由各管段J相等条件，计算各管段管径和损失,d.校核,e.计算支管管径，并进行阻力平衡,标准化,2.环状管网的水力计算,（1）节点方程,（2）回路方程,校正流量Q,展开，略去二阶微量,由,例：两个闭合回路的管网，参数见图，不计局部阻力，求各管段通过的流量（闭合差小于0.3m即可）,解：取ABCD为环路1，CDEF为环路2，按顺时针绕行,（1）按Qi=0分配流量,从A点和最远点F点分配，可假设,（2）计算各管段损失并填表,注意正负号,（3）计算校正流量Q,注意公共段CD,环网计算表,有压管道的水击（水锤）可压缩、非恒定流,1.水击的物理过程,水击流速突然改变，压力引起大幅度波
9、动的现象,水击具有破坏性,第一阶段,水击速度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,循环、衰减,2.直接水击与间接水击,t=2l/a相长Ts阀门关闭时间,阀门处,a0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,（1）直接水击：,（2）间接水击：,3.水击的危害及减弱水击的措施,（1）危害：噪声、气蚀、管道破裂、危及设备,（2）措施,a.延长阀门关闭（开启）时间b.减小流速v0c.增加管道弹性d.安装蓄能器、安全阀，进行过载保护,
10、一、自由紊流射流的一般特征,自由紊流射流,射流质量逐渐增加，速度逐渐降低,动量守恒动力特征,二、圆形断面的射流,1.射流半径R,喷口形状系数（圆：=3.4；长条缝：=2.44）a 喷口紊流强度系数,a射流结构的几何特征系数,2.射流中心速度vm,由动量守恒方程及半径经验公式,通过变换，得,3.射流断面流量Q,通过变换，得,4.断面平均流速v1,由,得,5.质量平均流速v2,6.核心长度st和收缩角,由vm=v0，s=st代入射流中心速度vm表达式，得,工程上常使用轴心附近较高的速度区，因此v2比v1更合适反映射流轴心附近的平均速度,由,工作地带一般应在基本段（初始段公式不再推导）,例：某车间安
11、装一圆形截面喷嘴的送风机（a=0.08），送风口直径d0=0.4m，送风量Q0=2m3/s，求：,（1）离送风口5m处工作区的射流半径,解：,由,（3）工作区的流量,（2）此处最大风速,三、平面射流,将圆形喷嘴d0（R0）换成喷口高度2b0（b0是喷口的半高度）,系数,平面射流比圆形射流具有更大的射出能力,注：对贴附射流，用2b0代替b0,四、温差、浓差射流,射流本身的温度或浓度与周围气体的温度或浓度有差异除尘、采暖、通风空调工程,热量、浓度扩散比动量扩散要快些，因此边界层比速度边界层发展要快些、厚些（为简化，常认为相同）,再介绍一些参数和公式（以圆断面温差射流为例）,出口断面温差,轴心上温差
12、,截面上任一点温差,下标“e”表示周围气体,1.轴心温差Tm,由热力学可知，在等压情况下，射流各横截面上相对焓值不变热力特征,通过变换,2.质量平均温差T2,对平面射流,浓差射流与温差射流公式一致，只需将温度T换成浓度即可,五、射流弯曲,温差射流或浓差射流由于密度与周围密度不同，所受的重力与浮力不平衡射流向上或向下弯曲,由牛顿定律通过积分及等压过程状态方程，整理,Ar阿基米德准数,通常Ar|0.001|要考虑射流弯曲,（+）向上弯曲（-）向下弯曲,例：室外空气以射流方式，由位于热车间外墙上离地板7m处的孔口送入，孔口高0.35m，长12m，室外空气的温度为-10，室内空气温度为20，射流初速度
13、为2m/s，求地板上的温度,解题步骤：,1.是平面射流,2.参数对应：y=7m，T0=10=263K，Te=20=293K，v0=2m/s，求Tm,3.由公式y/d0（=0）、Tm/T0，解得Tm=280.3K=7.3,x,y,0,7,六、有限空间的射流,由于有限空间限制了射流边界面的发展和扩散，射流半径及流量增大到一定程度后反而逐渐减小，其边界线呈橄榄形，橄榄形边界外部与固体边壁间形成与射流方向相反的回流区，流线呈闭合状，以外是涡流区,1.射流出口至-断面自由扩张段,2.-至-断面有限扩张段,-断面射流流量最大，回流流速、流量也最大,3.-至-断面收缩段,4.-断面以后涡流区,-断面射流流量为零,L从喷口到-断面的距离F垂直于射流的横截面积,lL 产生涡流（要采用双侧射流送风等措施，消除涡流）,送风口直径d0的确定,v1断面的最大回流速度，由设计限定,
