第7章孔口管嘴及有压管流

1、第第7 7章章 孔口、管嘴与有压管流孔口、管嘴与有压管流 本章所用知识点本章所用知识点n连续性方程n能量方程n沿程水头损失n局部水头损失重点掌握重点掌握n孔口、管嘴恒定出流的水力计算n有压管路恒定流动的水力计算 输水能力确定输水能力确定 管径确定管径确定 水泵、虹吸管安装高度，水塔建筑高度的确定水泵、虹吸管安装高度，水塔建筑高度的确定7.1 7.1 薄壁孔口恒定出流薄壁孔口恒定出流7.1.1 7.1.1 孔口出流的分类孔口出流的分类 u自由出流与淹没出流：见图自由出流与淹没出流：见图 u小孔口小孔口出流与大孔口出流出流与大孔口出流 小孔口小孔口 大孔口大孔口u恒定恒定出流与非恒定出流出流与非恒

2、定出流 u薄壁薄壁孔口与厚壁孔口孔口与厚壁孔口10/dh10/dh 特征特征（1 1）水流现象）水流现象 （2 2）小孔口）小孔口（3 3）恒定流）恒定流（4 4）自由出流）自由出流（5 5）具有收缩断面）具有收缩断面10/dhaac7.1.2 7.1.2 薄壁小孔口恒定薄壁小孔口恒定自由出流自由出流v以孔口形心点水平面为基准面以孔口形心点水平面为基准面, ,对断面对断面1-1，c-c列能量方程列能量方程 2200cc0+=0022wvvhhgg2c02wjvhhg20 002vhhg222cccc00c0()222vvvhggg流量公式流量公式c00c0122vghghc010.97 0.9

3、8cc0022cqavavaghagh 0.6 0.62断面收缩系数，断面收缩系数，0.62-0.63动能修正系数，动能修正系数，1孔口局部阻力系数，孔口局部阻力系数，0.04-0.06 流量系数流量系数流速公式流速公式流速系数流速系数流量公式流量公式7.1.3 7.1.3 小孔口流量系数的影响因素小孔口流量系数的影响因素 雷诺数、雷诺数、边界条件边界条件 孔口的形状：孔口的形状：对于小孔口，影响不大对于小孔口，影响不大孔口位置孔口位置 完善收缩（完善收缩（1 1）全部收缩全部收缩 非完善收缩（非完善收缩（2 2） 或或 部分收缩部分收缩（3&43&4） blal3,3al3b

4、l30.6 0.62c010.97 0.980.6 0.627.1.4 7.1.4 薄壁小孔口恒定薄壁小孔口恒定淹没出流淹没出流 v以孔口形心点水平面为基准面，对断面以孔口形心点水平面为基准面，对断面1-1，2-2列能量方程列能量方程流速公式流速公式流量公式流量公式2222cc11 1222120221 122011022001022c002222;22()2sesevvpvpvhhggggggvvhhhhhhhggvhgc00000cc0011222122secvghghghqavavaghagh 流速：流量：010.97 0.9810.60.62薄壁小孔口恒定自由出流薄壁小孔口恒定自由出流

5、 vs 淹没出流淹没出流 （1 1）流量公式相同）流量公式相同（2 2）流量系数）流量系数（3 3）作用水头）作用水头 自由出流：为孔口形心点的淹没深度；自由出流：为孔口形心点的淹没深度； 淹没出流：为上下游水面差；淹没出流：为上下游水面差；ghaq2c01自由01se淹没淹没自由薄壁大孔口出流薄壁大孔口出流 大孔口出流可视为是由无数小孔口组成，通过积分大孔口出流可视为是由无数小孔口组成，通过积分的方法可求得大孔口流量系数。的方法可求得大孔口流量系数。 实际计算表明，在估算大孔口流量时，小孔口流量实际计算表明，在估算大孔口流量时，小孔口流量公式也适用于大孔口，式中为公式也适用于大孔口，式中为大

6、孔口形心点的作用水大孔口形心点的作用水头头，因大孔口出流多为不完善收缩，其流量系数偏大。，因大孔口出流多为不完善收缩，其流量系数偏大。 大孔口流量系数大孔口流量系数水流收缩情况水流收缩情况流量系数流量系数全部收缩（不完善收缩）全部收缩（不完善收缩）0.70底部无收缩有适度侧收缩底部无收缩有适度侧收缩0.650.70底部无收缩侧向很小收缩底部无收缩侧向很小收缩0.700.75底部无收缩侧向极小收缩底部无收缩侧向极小收缩0.800.907.2 7.2 管嘴恒定出流管嘴恒定出流7.2.1 7.2.1 圆柱形外延管嘴恒定出流圆柱形外延管嘴恒定出流 22200n20n0n0nnnn0n0nn=22221

7、=2=211=0.8210.522=0.82vvvhgggvhgvghghqvaaghagh（）管嘴局部阻力系数，管嘴局部阻力系数，0.5为什么接管嘴后局为什么接管嘴后局部阻力增加了，而部阻力增加了，而流量却增大呢？流量却增大呢？7.2.2 7.2.2 圆柱形外延管嘴的真空压强圆柱形外延管嘴的真空压强7.2.3 7.2.3 外延管嘴的工作条件外延管嘴的工作条件（1 1）作用水头：）作用水头： （水柱）（水柱）（2 2）管嘴长度：）管嘴长度： 00.75cphg 00.75kcpphgg mh90dl)43(7.2.4 7.2.4 其他形式的管嘴其他形式的管嘴 7.37.3 孔口（管嘴）的变水头

8、出流孔口（管嘴）的变水头出流 放空时间：放空时间：max11122222qvghahgahtgahht2)(221上讲内容上讲内容1 1、薄壁小孔口恒定自由出流、薄壁小孔口恒定自由出流2 2、薄壁小孔口的恒定淹没出流、薄壁小孔口的恒定淹没出流3 3、圆柱形外延管嘴恒定出流、圆柱形外延管嘴恒定出流4 4、圆柱形外延管嘴的真空压强、圆柱形外延管嘴的真空压强 02ghaq01自由se01淹没02ghaqn82. 0nn075. 0hgppgpcak7.4 7.4 短管的水力计算短管的水力计算v长管与短管的概念长管与短管的概念短管：在整个管路系统中，短管：在整个管路系统中， 与与 及及 各占相当比重，

9、在水力计算时都要考虑各占相当比重，在水力计算时都要考虑 如：水泵吸水管、虹吸管、倒虹吸管如：水泵吸水管、虹吸管、倒虹吸管 长管：在整个管路系统中，长管：在整个管路系统中， 占绝对比重，占绝对比重， 、 为微量，在水力计算时，只考虑为微量，在水力计算时，只考虑 如：如：给水管路（管网）、水泵压水管给水管路（管网）、水泵压水管fhjhgv22fhjhgv22fh7.4.1 7.4.1 短管自由出流短管自由出流 流量公式：流量公式：02ghaqcghaqc2cc11dlc 管路系统管路系统 流量系数流量系数管路系统管路系统阻力系数阻力系数7.4.2 7.4.2 短管淹没出流短管淹没出流 流量公式：流

10、量公式：02ghaqcghaqc21cc淹没短管自由出流与淹没出流比较：短管自由出流与淹没出流比较：流量公式：流量公式：流量系数：流量系数：结论结论：（1 1）管路系统相同、作用水头相同，自由出流与淹）管路系统相同、作用水头相同，自由出流与淹没出流流量相等。没出流流量相等。（2 2）不同点：自由出流，不同点：自由出流， 为出口距上游水面的高为出口距上游水面的高差；而淹没出流，差；而淹没出流， 为上下游水面的高差。为上下游水面的高差。 ghaqc2ccc11自由自由ccc1淹没淹没hh7.4.3 7.4.3 短管水力计算的类型短管水力计算的类型（1 1）已知作用水头、管的长度、管径、管材（沿程阻

11、力）已知作用水头、管的长度、管径、管材（沿程阻力 系数）以及管路布置（局部阻力系数），系数）以及管路布置（局部阻力系数），确定流量确定流量（2 2）已知流量、管的长度、管径、管材以及管路布置，）已知流量、管的长度、管径、管材以及管路布置， 确定作用水头确定作用水头（3 3）已知作用水头、流量、管的长度、管材以及管路布）已知作用水头、流量、管的长度、管材以及管路布 置，置，确定管径确定管径应用举例应用举例 例例1：虹吸管的水力计算：虹吸管的水力计算 mhv0 . 7 已知上下游水位差已知上下游水位差h h，虹吸管顶部管中心线与上游水面高，虹吸管顶部管中心线与上游水面高差差z1=5.0mz1=5.

12、0m。管长。管长l1,l2,l3，管径，管径d=0.25m，选用铸铁管，选用铸铁管，n=0.011。局部损失系数：弯头处局部损失系数：弯头处 ，进口，进口 ，出口，出口 求求: :（1 1）虹吸管流量；）虹吸管流量； （2 2）求虹吸管最大真空压强；）求虹吸管最大真空压强； （3 3）若虹吸管最大允许真空压强）若虹吸管最大允许真空压强 水柱），安水柱），安装高度是否合理？装高度是否合理？12=0.3e=4.0se=1.021230 0 0 0 0(2)2wwsehhlllvh hdg e弯例例2： 水泵的水力计算水泵的水力计算 离心水泵，离心水泵，q=0.02m3/s，管长，管长允许吸水真空压

13、强允许吸水真空压强 ，安装高度安装高度 试：校核水泵的安装高度试：校核水泵的安装高度 是否合理？是否合理？ 求最大安装高度？求最大安装高度？032. 08lm0.1dm=6.0 =0.53进弯，mhv0 . 7s3.0hm2222222220002222swwpvhhggvvvlhdggg进弯例例3： 倒虹吸管的水力计算倒虹吸管的水力计算 已知流量已知流量 ，两水面高差，两水面高差 ，管，管长长 ， ， ， ， 求管径？求管径？ smq/23ml3000000whhgdqdlhhsew214)2(22）（弯进0318. 08275. 06 . 05dd0.6hm032. 05 . 0进3 .

14、0弯0 . 1se7.5 7.5 长管的水力计算长管的水力计算 7.5.1 7.5.1 简单管路简单管路 比阻法比阻法: :比阻：比阻：fhh20fhs lq5208dgs注意：注意： 在水力计算时在水力计算时, ,比阻比阻s s0 0在不同流态、流区有不同的值在不同流态、流区有不同的值. . u当当 , ,为阻力平方区，查表为阻力平方区，查表7-37-3、7-57-5，根据，根据n n，d d查比阻查比阻u当当 , ,在光滑区或过渡区在光滑区或过渡区, ,用系数用系数 修正修正smv/2 . 1smv/2 . 1k20lqksh 20lqsh 修正系数修正系数 值值 （表（表7-4）k0.2

15、00.250.300.350.400.451.411.331.281.241.201.1750.500.550.600.650.700.751.151.131.1151.101.0851.070.800.850.901.001.101.061.051.041.031.0151.0)/(smv)/(smv)/(smvkkk20. 1（1 1）通用公式）通用公式 对于圆管对于圆管（2 2）专用公式（铸铁管）专用公式（铸铁管） 舍维列夫公式（舍维列夫公式（粗糙区）粗糙区） 光滑区和过渡区光滑区和过渡区3.503.0001736.0021.0dsd33. 523 .10dnso)001736. 0()

16、876. 01 (852. 03 . 53 . 00dvksso3 .0)876.01 (852.0vk对于明渠水流对于明渠水流k-流量模数，与比阻的关系见上式。流量模数，与比阻的关系见上式。可用于明渠均匀流的水力计算。可用于明渠均匀流的水力计算。rjcv rjacavqkac r令，221fhhlqk22qk j021sk即7.5.2 7.5.2 串联管路串联管路 计算原则计算原则niiiiiiiqlshqqq1201举例：举例： 如图所示，已知如图所示，已知 ， ； ， ； ， ，管道，管道为铸铁管，为铸铁管， ，转输流量，转输流量 ， 管路水平布置，管道末端高程管路水平布置，管道末端高程

17、 ，服务水头（自由，服务水头（自由水头）水头） ,求水塔的高度？求水塔的高度？ml5001mmd4001ml4502mmd3502ml3503mmd3003smq/1 . 033smq/05. 031smq/05. 032mhz0 .10m0 . 0步骤总结步骤总结（1 1）求各管中流量、流速，判别在哪个区；）求各管中流量、流速，判别在哪个区；（2 2）求各管段的比阻（查表）求各管段的比阻（查表7-37-3得，因为管中水流都在得，因为管中水流都在粗糙区，故比阻不修正）粗糙区，故比阻不修正）（3 3）求总的水头损失；）求总的水头损失； （4 4）求水塔高；）求水塔高； mhhhzf17.2110

18、17.117.5.3 7.5.3 并联管路并联管路计算原则计算原则: :321321fffhhhqqqq233032220221101qlsqlsqls举例举例 某输水系统，管长：某输水系统，管长： , , , , , ；糙率；糙率 ；管径：；管径： ， ， ；流量；流量 。水塔处地形高水塔处地形高 ，管道末端自由水头，管道末端自由水头 , , 管道末端地形管道末端地形 ，求水塔高，求水塔高h h? ?013. 0nml5001ml7002ml3503ml3004mmd3501mmdd15032mmd2004slqb/70slq/504mt104mhz8m100（1）流量、流速、确定流区）流量

19、、流速、确定流区 先按粗糙区计算。先按粗糙区计算。（2）比阻，查表）比阻，查表7-3smqqqb/120. 0050. 0070. 0341smdqv/248.135.014.312.0442211smqqq/050.03432smv/59.12.014.3050.042426010.471(/)ssm26020343.0/sssm26049.30/ssm（3）计算）计算2、3管中流量管中流量2203 3202 2203 33302 23500.707700s lqs l qs l qqs lsmqqqq/050.0707.03323232330.021/0.029/qmsqms2240.02

20、11.19/3.140.15vms3240.0291.64/3.140.15vms（4 4）计算水头损失）计算水头损失（5）求水塔高）求水塔高244042330321101qlsqlsqlshw2220.471 500 0.12043.0 350 0.0299.30 300 0.0503.39 12.666.97523.025mzwthhh10023.0258 10427.025wzthhhm 7.5.4 7.5.4 沿程沿程均匀均匀泄流管路泄流管路折算流量折算流量当当 时，时，dxqsdhxof2xqqqlqx2020)55. 0(rfablqsqlqlshhqlqqr55. 00q2013

21、hs l ql2()fodhs qqlqxdx22 21()3fohs l qqqlq l举例：举例：如图所示的由水塔供水的管路，有三段铸铁管段组如图所示的由水塔供水的管路，有三段铸铁管段组成，其中第二段为沿程均匀泄流管段，已知铸铁管糙成，其中第二段为沿程均匀泄流管段，已知铸铁管糙率率 ，管长管分别为：，管长管分别为： ；管径：；管径： 节点节点b b转输流量转输流量 ，途泄流量，途泄流量 管路末端流量，管路末端流量， ，求需要的水塔高度，求需要的水塔高度 ？ 012. 0nml4501mmd2501ml2002mmd2002ml3003mmd1503smq/015. 031smmq/0001

22、. 03smq/02. 033hv作业：作业：-，-，-，-v作业：作业：-1-1，-2-2上讲内容上讲内容1 1、长管与短管的概念、长管与短管的概念2 2、测压管水头线与总水头线的画法、测压管水头线与总水头线的画法3 3、短管流量的计算公式、短管流量的计算公式自由出流自由出流淹没出流淹没出流02ghaqc1cc淹没11cc自由dlc上讲内容上讲内容1.1.长管的水力计算长管的水力计算 简单管路简单管路2.2.比阻比阻在不同流态、流区有不同的值在不同流态、流区有不同的值. . 粗糙区粗糙区 水力光滑区、过度粗糙区水力光滑区、过度粗糙区3.3.串联管路的计算原则串联管路的计算原则 4.4.并联管

23、路的计算原则并联管路的计算原则 5.5.沿程均匀泄流管路沿程均匀泄流管路20lqsh 5208dgssmv/2.1smv/2.120lqksh niiiiiiiqlshqqq1201321321fffhhhqqqqqlqqr55. 020rhs lq7.6 7.6 有压管中的水击有压管中的水击 7.6.1 7.6.1 水击现象水击现象 在有压管中，因某种原因在有压管中，因某种原因( (阀门关闭），水流流阀门关闭），水流流速突然变化，压强随之产生急剧变化（交替升降）。速突然变化，压强随之产生急剧变化（交替升降）。压强交替变化如同用锤子击打管壁，严重时造成管道压强交替变化如同用锤子击打管壁，严重时造成管道破裂，这种现象称为水击（水锤）。破裂，这种现象称为水击（水锤）。 （1 1） （增压逆波）（增压逆波） 流体被压缩、管道膨胀流体被压缩、管道膨胀 水击波水击波c c向左传播向左传播（2 2） （减压顺波）（减压顺波） 流体恢复原状流体恢复原状 管道恢复原状管道恢复原状 水击波水击波c c向右传播向右传播clt 000vgpgpgp00cltcl200vvgpgpgp007.6.2 7.6.2 水击传播过程水击传播过程(3(3) ) （减压逆波）（减压逆波） 流体膨胀流体膨胀 管道被压缩管道被压缩 水击波水击波c c向左传播向