第五章 孔口、管嘴出流和有压管路

1、孔口、管嘴出流和孔口、管嘴出流和有压管路有压管路 第五章第五章基本要求：1.1.概念：概念：孔口、管嘴、有压管路孔口、管嘴、有压管路- -简单管路、复杂管路（串简单管路、复杂管路（串联和并联管路、节点）；联和并联管路、节点）；薄壁小孔薄壁小孔自由出流、淹没出流自由出流、淹没出流长管、短管长管、短管作用水头，比阻作用水头，比阻基本要求：2.2.计算计算孔口、管嘴流量系数孔口、管嘴流量系数水头线绘制；水头线绘制；长管、短管水力计算长管、短管水力计算简单管路、复杂管路水力计算简单管路、复杂管路水力计算水泵相关计算、管网设计水泵相关计算、管网设计本章纲要：n第一节第一节 液体经薄壁孔口的恒定出流液体经

2、薄壁孔口的恒定出流 n第二节第二节 液体经管嘴的恒定出流液体经管嘴的恒定出流 n第三节第三节 短管的水力计算短管的水力计算n第四节第四节 长管的水力计算长管的水力计算 n第五节第五节 管网水力计算基础管网水力计算基础第一节第一节 液体经薄壁孔口的恒定出流液体经薄壁孔口的恒定出流 孔口出流孔口出流:在容器壁上开一个孔口，液体从孔口流在容器壁上开一个孔口，液体从孔口流出的现象。出的现象。一、孔口出流的分类与特点一、孔口出流的分类与特点n据据d/Hd/H的比值：的比值： 小孔口小孔口 d/H0.1d/H0.1，大孔口，大孔口d/H0.1d/H0.1。n据运动要素是否随时间变化：据运动要素是否随时间变

3、化： 恒定出流和非恒定出流恒定出流和非恒定出流 n据孔口边缘：据孔口边缘： 薄壁孔口和厚壁孔口。薄壁孔口和厚壁孔口。薄壁孔口：孔口壁的厚度对水流现象没有影响，孔薄壁孔口：孔口壁的厚度对水流现象没有影响，孔壁和水流仅仅在一条周线上接触，这样的孔口称为壁和水流仅仅在一条周线上接触，这样的孔口称为薄壁孔口。薄壁孔口。n据下游出流条件：据下游出流条件：自由出流淹没出流注意：淹没出流中流线的变化和局注意：淹没出流中流线的变化和局部水头损失的确定（部水头损失的确定（1，2）二、薄壁小孔口的自由出流二、薄壁小孔口的自由出流收缩断面收缩断面c-cc-c：约在距孔口：约在距孔口d d/2/2处收缩完毕，处收缩完

4、毕，流流线在此趋于平行线在此趋于平行。000221gHgHvcc建立0-0和c-c断面的能量方程000200221,2)(gHvgHvgvHccccc000200221,2)(gHvgHvgvHccccc02002HgvH02002HgvH011其中令cc/令02gHQ0022gHgHvQcc令gvgvgvHccc222202200流速系数0.970.98定义为收缩系数流量系数作用水头薄壁圆形小孔口出流的各项系数薄壁圆形小孔口出流的各项系数 n流速系数 ，实验测得约为 0.970.98。n孔口的局部阻力系数0n孔口的收缩系数n孔口的流量系数 ，对薄壁小孔口= 0.600.62。 00111c6

5、4.0/c06. 00三、薄壁小孔口的淹没出流三、薄壁小孔口的淹没出流建立1-1和2-2断面的能量方程gvgvgvgvzcc2222220222211扩gvzc2) 1(20gzgzvc22110gzgzvQcc22孔口淹没出流流速和流量与孔口的淹没深度无关gzgzvc22110gzgzQ220022gHgHQ000221gHgHvc自由出流与淹没出自由出流与淹没出流流量系数相同流流量系数相同gzgzvc22110gzgzQ220022gHgHQ000221gHgHvcn孔口形状、边缘情况、孔口在壁面上的位置全部收缩孔口：孔口的全部边界全部收缩孔口：孔口的全部边界都不与相邻的容器底边和侧边重都

6、不与相邻的容器底边和侧边重合时，四周流线都发生收缩。合时，四周流线都发生收缩。l3bl3aab 完善不完善全部收全部收缩孔口缩孔口 完善收缩：孔口与相邻壁面的距离大于同方向孔完善收缩：孔口与相邻壁面的距离大于同方向孔 口尺寸的口尺寸的3倍，出流不受壁面影响倍，出流不受壁面影响 。 不完善收缩：不完善收缩： 64. 062. 097. 006. 0对于薄壁圆形小孔口，在完善收缩情况下，对于薄壁圆形小孔口，在完善收缩情况下，四、四、影响影响 的因素的因素 n五、大孔口的流量系数淹没岀流自由岀流02gHQ表5-1-2第二节第二节 液体经管嘴的恒定出流液体经管嘴的恒定出流 n外接外接l=(3l=(34

7、)d4)d的短管的短管n水流进入管嘴水流进入管嘴, , 先收缩，后扩大至满管出流。先收缩，后扩大至满管出流。 一、一、圆柱形外管嘴的恒定出流圆柱形外管嘴的恒定出流gvgvgvHn22222200管嘴出流的流速系数82.05.0112212)(0020nnnngHgHvgvH)82. 0(20nnngHvQ建立0-0和b-b断面的能量方程)82. 0(20nnngHvQ管嘴出流的流速系数82.05.0112212)(0020nnnngHgHvgvH管嘴出流的流速系数82.05.0112212)(0020nnnngHgHvgvH管道进口局部阻力系数n94页 02gHQ02gHQn比较孔口出流管嘴出

8、流nn= 0.82 ;= 0.62 nn= 1.32n在相同条件，管嘴的过流能力是孔口的1.32倍。 二、二、圆柱形外管嘴的真空圆柱形外管嘴的真空 )(212)(22200200202200cacccccaccccappHgvgvppHgvgvpgvpH)(2)(200cacaccppHgppHgvQ)(212)(22200200202200cacccccaccccappHgvgvppHgvgvpgvpH)(212)(22200200202200cacccccaccccappHgvgvppHgvgvpgvpH00075.0)(262.0282.0HppppHggHcaca故02gHQ00022

9、1gHgHvcc孔口圆柱形外管嘴的正常工作条件 n收缩断面的真空受限制（2）。n圆柱形外管嘴的正常工作条件是：n(1)作用水头H09米；n(2)管嘴长度l=(34)d。 OmHHppca20775. 0n工程上为了增加孔口的泄水能力或为了增加(减少)出口的速度，常采用不同的管嘴形式。三、其他形式的管嘴三、其他形式的管嘴 圆锥形扩张管嘴，较大 圆锥形收敛管嘴， 流线形管嘴，过流能力，较小出口流 较大出口流速， 阻力系数小，速，水轮机尾水管。 水力挖土机喷嘴。 水坝泄水管 例：图示水箱孔口出流，p=0.5个大气压， h1=2m，d1=40mm，d2=30mm，h3=1m，求h2和Q)(22111h

10、hgQ解： 对否？2132222111)(2)(2QQhhgQphhgQ联立解得：h2=5.08m Q=4.78l/s管道有压管道无压管道有压管恒定流非恒定流有压管简单管道复杂管道有压管长管短管第三节第三节 短管的水力计算短管的水力计算 简单管道简单管道: :指直径和流量沿流程不变且无分支的管指直径和流量沿流程不变且无分支的管道；道；否则为否则为复杂管道复杂管道简单管道简单管道串联管道串联管道并联管道并联管道简单管道和复杂管道简单管道和复杂管道n. .短管和长管短管和长管 n 短管短管是指管路中水流的流速水头和局部水头损是指管路中水流的流速水头和局部水头损失都不能忽略不计的管道；失都不能忽略不

11、计的管道；n 长管长管是指流速水头与局部水头损失之和远小于是指流速水头与局部水头损失之和远小于沿程水头损失，在计算中可忽略的管道沿程水头损失，在计算中可忽略的管道. .自由出流自由出流淹没出流淹没出流. .自由出流和淹没出流自由出流和淹没出流一、一、自由出流 gvgvdlgvhgvgvHw222222222200gvHH22000gvdlgvdlH2)1 (2)(22002gHvQcdlc11管路流量系数 0211gHdlv1、简单管路2、复杂管路0HH 2 20vEDCiiBA0020 02vg022iiiiii121vgHld22iiiiii11cldc02QgH 二、二、淹没出流 gvd

12、lhzw2)(2gzdlv21gzvQc2dlc11出口0211gHdlv1、简单管路问题：自由岀流和淹没岀流淹没系数相等？dlc112、复杂管路ABiiCDEv121 12vgzFG2v2222vg 2 2v1122iiiiii1cldc2Qgz 22iiiiii11cld三、水头线的绘制1、绘制步骤(1)计算各项局部水头损失和各管段的沿程水头损失(2)从管道进口断面的总水头依次减去各项水头损失，得各断面的总水头值，连结成总水头线。绘制时假定沿程水头损失均匀分布在整个管段上，假定局部水头损失集中发生在边界改变处。(3)由总水头线向下减去各管段的流速水头，得测压管水头线。在等直径管段中，测压管

13、水头线与总水头线平行。2.注意事项 进口：注意总水头线的起点。 出口：注意测压管水头线的终点。 没有额外的能量输入时，总水头线总是下降的，有额外的能量输入时，总水头线突然抬高。三、三、水头线的绘制举例 Z+p/r总水总水头线头线00gv220原始原始总水总水头头gv22注意：管流的水头线；先做总水头线，首先找到总水头线控制点-起点；做测压管水头线，首先找到总水头线控制点-终点总水总水头线头线00gv220原始原始总水总水头头gv2200gv220gv2200管道流速水头管道流速水头 v2/2g最终最终总水总水头头问题：为什么测压管水头起点不落在自由问题：为什么测压管水头起点不落在自由水面上？水

14、面上？举例短管自由出流短管自由出流 水力坡度？短管淹没出流短管淹没出流 有负压的短管一有负压的短管一V00202Vg22Vg00z此断面相此断面相对压强对压强p/400mm ve=1.01.4m/s先选定先选定vd（计）（计）d（标准）（标准）验算验算v2、计算各管段的水头损失、计算各管段的水头损失 2AlQhfvQd43、确定控制点：、确定控制点：水塔至该点的水头损失水塔至该点的水头损失+该点的地形标高该点的地形标高+该点要求的自由水头该点要求的自由水头=最大值最大值4、计算水塔高、计算水塔高Ht ：塔控塔控控fzthHH 6zH3zH4zH水塔例题5-12n一枝状管网如图5-5-2所示，各

15、节点要求供水量如图中所示。每一段管路长度列于表5-5-1中。此外，水塔处的地形标高和点4、点7的地形标高相同，点4和点7要求的自由水头同为12m。求各管段的直径、水头损失及水塔应有的高度。水塔1 1、按经济流速确定管径按经济流速确定管径1m/sev 3-4管段，Q=25l/s，采用经济流速选铸铁管, d=200mmA9.029, 因0.8m/s1.2m/s，在过渡区2、计算各管段的水头损失、计算各管段的水头损失 v=0.8m/s修正系数k=1.06水塔已知数值计算所得数值管段管长(m)流量Q(l/s)d(mm)流速v(m/s)A(s2/m6)修正系数khf(m)左支线3-42-31-23503

16、502002545802002503000.800.921.139.0292.7521.0151.061.041.012.092.031.31右支线6-75-61-55002003001322.531.51502002500.740.720.6441.859.0292.7521.071.081.103.780.990.90水塔至分叉点0-1400111.53501.160.45291.012.273、确定控制点：、确定控制点：沿0-1-2-3-4线沿0-1-5-6-7线故7点为控制点。4、计算水塔高、计算水塔高Ht ：水塔例：一直径不变的输水管道连接两水池，已知管道直径d=0.3m，全管长l=

17、90m，沿程阻力系数 =0.03， ， h2=2.3m，U型水银测压计液面差h=0.5m，较低的水银液面距离管轴1.5m，试确定：（1）通过管道的流量Q以及两水池水面差z。（2）定性绘制总水头和测压管水头线。5 . 0进3 . 0弯n等压面原理， 222/94. 55 . 16 .136 .135 . 1mkNhphp以0-0为基准面建立2-2和3-3断面的能量方程gvhpgvgvdhgvp232230222222222 v = 4.43m/s，Q= v=0.313m3/s建立1-1和3-3断面的能量方程mgvgvgvdlhzw1 .112) 16 . 05 . 03 . 09003. 0(2

18、)2(2222出弯进总例：有两水池，管路布置如图所示，已知l1=l2=l3=1000m， d1=d2=d3=40cm， n=0.012，mz5 .12求：A池流入B池的流量（按长管计算）。解： 和 并联，再和 串联 zhhhhffff)3()1()2()1(,1313212122222211112222vvQQQQvvgvdlgvdlzgvdlzgvdlgvdl2522211112333321111 0243. 08774.56)44 . 0(012. 01126/16/1cgRnC5 .1224 . 010000243. 0521gvv1=0.898m/ssldQ/7 .22541898. 0221zgvdlzgvdlgvdl2522211112333321111回答问题：1、如图所示，(a)图为自由出流，(b)图为淹没出流，若在两种情况下作用水头H、管长l、管径d及沿程阻力系数均