工程流体力学PPT课件.ppt

1 EngineeringFluidMechanics 工程流体力学 中南大学 2 第1章流体及其主要物理性质 第2章流体静力学 第3章流体动力学基础 第4章流动阻力和水头损失 第5章孔口 管嘴出流及有压管流 第6章明渠均匀流 第7章明渠水流的两种流态及其转换 目录 3 第五章孔口 管嘴出流及有压管流 第一节孔口出流 第二节管嘴恒定出流 第三节短管的水力计算 第四节长管的水力计算 第五节离心式水泵装置及其水力计算 4 教学内容 重点及难点 基本内容本章在定量分析沿程水头损失和局部水头损失的基础上 对工程实际中最常见的有压管道恒定流动和孔口 管嘴出流进行水力计算 重 难点水头损失的分析和确认 第一节孔口出流 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 c c为收缩断面 收缩系数 收缩断面面积 孔口断面面积 6 完全收缩 非完全收缩 无收缩 边壁的整流作用会影响收缩系数 故有完全收缩与非完全收缩之分 收缩系数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 7 孔口出流的分类 恒定出流 非恒定出流 淹没出流 自由出流 薄壁出流 厚壁出流 小孔口 大孔口 对薄壁小孔口 0 63 0 64 8 对0 0 c c列能量方程 其中 设 则 流速系数 流量系数 其中 1 薄壁小孔口自由出流 其中 则 流经孔口的局部阻力系数 收缩断面突扩的局部阻力系数 2 薄壁小孔口淹没出流 对1 1 2 2列能量方程 大孔口出流的流量系数 可查表 大孔口形心的水头 3 大孔口恒定出流 大孔口出流的流量公式形式不变 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 11 在dt时段内 则液面从H1降至H2所需时间 容器放空 即H2 0 时间 4 孔口非恒定出流 12 第二节管嘴恒定出流 一 管嘴出流的水力现象 a 外管嘴 内管嘴 b c d e 外管嘴 a 直角型外管嘴 b 收缩型外管嘴 c 扩散型外管嘴 d 流线型外管嘴 二 管嘴恒定出流 对1 1 2 2列能量方程 忽略管嘴沿程损失 且令 则管嘴出口速度 其中 为管嘴的局部阻力系数 取0 5 则 流量系数 流速系数 说明管嘴过流能力更强 管嘴出流流量系数的加大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 15 对B B c c列能量方程 取真空压强和真空高度值 得 由 而hw按突扩计算 得 说明管嘴真空度可达作用水头的75 以代入 则 得 所以 得 又 三 管嘴真空度 16 形成真空时作用水头不可能无穷大 因为当真空度达到一定时 其压强小于汽化压强 出现汽蚀破坏 而且会将空气从管嘴处吸入 破坏真空 而成为孔口出流 实验测得 当液流为水流 管嘴长度l 3 4 d时 管嘴正常工作的最大真空度为7 0m 则作用水头 说明圆柱形外管嘴正常工作条件是 l 3 4 d H0 9m 实际流体恒定总流能量方程 沿程损失 局部损失 第三节有压管路水力计算 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 短管 长管 hf与hj均较大 不能忽略不计 hj 5 hf hf很大 不能忽略 而hj可忽略不计 hj 5 hf H 0 0 管系流量系数 作用水头H 一 短管的水力计算 自由出流 v O O 1 1 2 2 3 3 H h H h 0 h 作用水头H 淹没出流 H h 0 用3 3断面作下游断面 0 h 出口水头损失按突扩计算 管系流量系数 淹没出流与自由出流相比 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 z z2 1 1 2 2 3 3 l2 l1 要求 确定 计算 已知 例 1离心泵管路系统的水力计算 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 水泵最大真空度不超过6m 水泵允许安装高度 水泵扬程 z z2 1 1 2 2 3 3 l2 l1 解 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 2有压泄水道的水力计算 泄流量Q 画出水头线 圆形隧洞 求 已知 出口断面由A缩小为A2 出口流速 管内流速 新增出口局部损失 出口断面缩小 出口流速稍有增大 管中流速却显著减小 出流量减小 沿程压强增高 29 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 压强沿程变化和水头线的绘制 30 v12 2g v22 2g 管道突然缩小 总水头线 测压管水头线 v12 2g v22 2g 管道突然放大 总水头线 测压管水头线 31 32 33 作用水头全部用于支付沿程损失 则 二 长管的水力计算 一 简单管路 比阻单位流量通过单位长度管段产生的水头损失 34 比阻S 由谢才公式和曼宁公式 对钢管和铸铁管 对塑料管材 阻力平方区 过渡粗糙区 35 例 已知简单管路的l 2500m H 30m Q 250l s n 0 011 求管径d 解 由 得 由谢才及曼宁公式 得 代入数据得 d 388mm 介于标准管径350mm 400mm之间 36 串联管路 并联管路 二 复杂管路 37 例 已知简单管路的l 2500m H 30m Q 250l s n 0 011 求管径d 解 由谢才及曼宁公式 得 其中取d1 400mm d2 350mm 得 采用串联管路 则 38 沿程均匀泄流管路 管路中任一点处流量 则 取比阻S为常量 上式积分得 水处理构筑物的多孔配水管 冷却塔的布水管 以及城市自来水管道的沿途泄流 隧道工程中长距离通风管道的漏风等水力计算 若无转输流量Qz 0 则 39 管网 管线短 管径相对大 投资小 但可靠性差 管线长 管径相对小 投资大 但可靠性好 分叉管路 各支管按串联算 支管之间按并联算 40 第四节水泵水力计算 装置原理 自灌式 水泵泵轴低于吸水池水面吸入式 水泵泵轴高于吸水池水面 性能参数 Ht 扬程 Q 流量 N 轴功率 N 有效功率 效率 n 转速 hv 允许吸水真空度 41 例 水泵功率N 25kW 流量Q 60L s 效率 p 75 吸水管l1 8m d1 250mm 压水管l2 50m d2 200mm 0 025 底阀 fv 4 4 弯头 b 0 2 阀门 v 0 5 逆止阀 sv 5 5 水泵允许真空度 hv 6m 求水泵安装高度zs 水泵提水高度Hg 解 对1 2列伯努利方程 42 Hs zs d1 d2 l1 l2 水泵 阀门 逆止阀 底阀 对1 3列伯努利方程 43 水击 在有压管路中流动的液体 由于某种外界原因 如阀门突然关闭 水泵或水轮机组突然停车等 使得液体流速发生突然变化 并由于液体的惯性作用 引起压强急剧升高和降低的交替变化 这种现象称为水击 升压和降压交替进行时 对于管壁和阀门的作用如同锤击一样 因此水击也称为水锤 水击现象是一种典型的有压管道非恒定流问题 在水击现象中 由于压强变化急剧 必须考虑流体的压缩性及管道的弹性 第五节水击现象及其预防 44 水击的危害 轻微时引起噪声和管路振动 严重时则造成阀门损坏 管路接头断开 甚至引起管路的爆裂 水击引起的压强降低 使管内形成真空 有可能使管路扁缩而损坏 有压管道流动的流量突变 流速突变 由于流动的惯性 造成压强大幅波动 水击现象的大致描述 流体的压缩性和管道的弹性使波动在管道中以有限的速度传播 45 以阀门突然关闭为例 将有一个增压 增密度 增管道断面积 减流速的过程从阀门向上游传播 压强 流速 密度 管道断面积的间断面在管道中运动 这就是水击波 46 水击危害的预防 1 延长阀门关闭时间 2 缩短管路长度 3 在管路系统的适当位置装设蓄能器 空气罐或安全阀 4 在管路上装设调压塔 水击的利用例如 水击泵便是利用水击原理设计的一种无动力扬水设备 这种设备对于无动力和电源的地方是很方便的 47 本章作业 习题5 2 习题5 4 习题5 10 习题5 16 48 第五章习题解答 5 2薄壁孔口出流 直径d 2cm 水箱水位恒定H 2m 求1 孔口流量Q 2 此孔口外接圆柱形管嘴的流量Qn 3 管嘴收缩断面的真空 解 2 3 1 49 解 5 4如图所示水箱用隔板分为左右两个水箱 隔板上开一直径d1 40mm的薄壁小孔口 水箱底接一直径d2 30mm的外管嘴 管嘴长l 0 1m H1 3m 试求在恒定出流时的水深H2和水箱出流流量Q1 Q2 50 解 5 10如图所示虹吸管 上下游水池的水位差H 2 5m 管长LAC 15m LCB 25m 管径d 200mm 沿程阻力系数 0 025 入口局部阻力系数 c 1 0 各弯头局部阻力系数0 2 管顶允许真空度7m 求通过流量及最大允许超高hs 最大允许超高 51 5 16如图已知水泵的功率N