孔口管嘴和管道的流动.ppt

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,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,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）Re t=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