《管道的水力计算》PPT课件.ppt

孔口、管嘴和管道的流动孔口、管嘴和管道的流动 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 类型特点 圆柱外伸 管嘴 损失较大，流量较 大 0.50.8210.82 圆柱内伸 管嘴 损失大、隐蔽10.7110.71 外伸收缩 形管嘴 损失小、速度大（ 消防龙头） 0.090.960.980.95 外伸扩张 形管嘴 损失大、流速低、 压力大（扩压管） 40.4510.45 流线形外 伸管嘴 损失小、动能大、 流量大 0.040.9810.98 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 短管的作用水头 1突扩=1，H0H 代入，得 SH管路阻抗 S2/m5 Sp kg/m7 类比电路：SR H(p)U Q2I 非圆管 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=450mmL1 d2=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=20mm，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=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 路 管 段 假定流 量Qi Sihihi /QiQ 管段校 正流量 校正后 的流量Qi 校正后 的hi 1 AB +0.1559.76+1.33468.897 -0.0014 -0.00140.14861.3196 BD +0.1098.21+0.98219.821-0.00140.09860.9548 DC -0.01196.42 -0.01961.960 -0.0014 -0.0175 -0.0289-0.1641 CA -0.1598.21-2.209714.731-0.0014-0.1514-2.2512 0.087435.410-0.1409 环网计算表 环 路 管 段 假定流 量Qi Sihihi /QiQ 管段校 正流量 校正后 的流量Qi 校正后 的hi 2 CD +0.01196.42 +0.0196 1.960 0.0175 +0.0175 +0.0014 0.02890.1641 DF +0.04364.42 +0.5830 14.575+0.0175 0.05751.2049 FE -0.03911.05 -0.819927.330+0.0175 -0.0125-0.1424 EC -0.08364.42 -2.332329.154+0.0175 -0.0625-1.4235 -2.549673.019-0.1969 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v0 c.增加管道弹性 d.安装蓄能器、安全阀，进行过载保护 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 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