孔口管嘴出流和有压管流案例

1、会计学1孔口管嘴出流和有压管流案例孔口管嘴出流和有压管流案例2022-5-62【教学基本要求】3 了解复杂管道的特点和计算方法。 1 掌握有压管流基本特点：长管、短管流动的条件。 2 掌握简单管道水力计算和水头线的绘制：管道内压强分布。 4 了解有压管道的水击现象、分类和直接水击压强计算。 2022-5-63【学习重点】 孔口出流、管嘴出流与有压管流是工程中最常见的流动现象，研究这三种流动现象的基本特性与计算方法具有重要的工程实际意义。本章重点掌握简单管道的水力计算。 (1)孔口出流：给排水工程中的取水孔口、泄水孔口中的水流， 通风工程中通过门、窗气流，某些流量量测设备中 的流动； (2)管嘴

2、出流：消防水枪、水力机械化施工用的水枪； (3)管道流：市政建设、给水排水、采暖通风、交通运输、 水利水电等工程中最常见的流动。 2022-5-641、孔口出流、孔口出流容器壁上开孔，流体经容器壁上所开 小孔流出的水力现象，称孔口出流。2、管嘴出流、管嘴出流在孔口上对接长度为3-4倍孔径的短管，流体经容器壁上所接短管流出的水力 现象，称管嘴出流。一、概念2022-5-65（3）能量损失计算式。 （1）能量方程；（2）总流的连续性方程； 二、任务： 计算过流量Q。三、依据：2022-5-66一、孔口出流分类1、按 e 与H 的关系：101He101He eH小孔口：大孔口：2022-5-672、

3、按孔口的作用水头是否稳定：自由式出流；淹没式出流。厚壁孔口出流。 薄壁孔口出流；恒定孔口出流；非恒定孔口出流。3、按出流后周围的介质情况：4、按孔壁对出流的影响：2022-5-68H2022-5-69列列A-A、C-C断面能量方程断面能量方程222222CCCAAACpvvpvzzgggggaCpp gvgvgppzzCAaACA21222H0自由出流的作用水头自由出流的作用水头二、薄壁小孔口恒定自由出流 2022-5-610gvHC2120物理意义：促使流体克服阻力，流入大气的全部能量物理意义：促使流体克服阻力，流入大气的全部能量特例自由液面：特例自由液面：PA=Pa，液面恒定：，液面恒定：

4、vA=0HzzHCA0收缩断面流速收缩断面流速002211gHgHvC孔口的流速系数，孔口的流速系数，=0.97。2022-5-611孔口流量孔口流量0022gHAgHAAvAvQCCC面积收缩系数AAC620.流量系数全部收缩（完善收缩、不完善收缩）全部收缩（完善收缩、不完善收缩）部分收缩（不完善收缩）2022-5-612CgHvf20gHAQ20fCAACCaxf1其中：1、流量公式：=0.97=0.62；=0.64；对薄壁圆形完善收缩小孔口：结论结论2022-5-613列上下游液面能量方程21112pvzggse=1突然扩大阻力系数222121212122CvppvvzzgggH0淹没出

5、流的作用水头2012CvHg222222222CCsevvpvzgggg三、薄壁小孔口恒定淹没出流2022-5-614物理意义：促使流体克服阻力流入到下游的全部能量物理意义：促使流体克服阻力流入到下游的全部能量特例：特例：P1= P2=Pa，v1= v2 =0HzzH210收缩断面流速收缩断面流速001221CvgHgHf孔口流量孔口流量02gHAAvAvQCCCC与自由出流一致H0与孔口位置无关2022-5-61502gHAQ1、流量公式：2、自由式与淹没式对比：1 公式形式相同；2 、基本相同，但 H0不同； 3 自由出流与孔口的淹没深度有关， 淹没出流与上、下游水位差有关。结论结论202

6、2-5-616Hv0zv0v2H0= H +2gv02自由式：自由式：淹没式：淹没式：H0=z+2gv022gv222022-5-617 考考你：请写出图中两个孔口Q1和Q2的流量关系式（A1=A2)。图1：Q1 Q2；图2：Q1 Q2。（填、 公式形式相同，但系数不同：孔口： =0.62 =0.97 =0.64管嘴： =0.82 =12 H0 相同时，若A 也相同，则管嘴出流是孔口出流 量的1.32倍。2022-5-628gvgvpgvpaccc2222222222+=+xagag二、 收缩断面的真空1 对CC，22 列方程：gvvc2)(22-=2hj2= xv222g2c2v0Hcv可作

7、为突然扩大处理2221vvAAvcc2222111cAA022gHvn0222222211211Hgvgppgpncccavaaaa2022-5-629=075.0Hpvg在 CC处形成 0.75H0 真空度。2 真空计算：H0 9 mH0O水柱；L（34）d。 水柱时，管内液体pv 7m H0O实验证明：将气化，吸入空气，破坏真空。三、圆柱形外接管嘴 正常工作的条件：2022-5-630问题：孔口、管嘴若作用水头和直径d相同 时，下列那些是正确的： A.Q孔Q嘴，u孔u嘴； B.Q孔u嘴；C.Q孔Q嘴，u孔u嘴； D.Q孔Q嘴，u孔u嘴。 2022-5-631例：水箱中用一带薄壁孔口的板隔开

8、，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。2022-5-632解：设孔口的流量为q212hhgAq62. 0对管嘴1112ghAq82. 012222ghAq82. 02连续性方程21qqQ2qq 解得sLq/501sLq/3022022-5-633特点：（1）流体充满整个过流断面；（2）流体在压力下流动。（3）能量损失计算。 （1）连续性方程；（2）能量方程；1、有压管流是工程中常见的典型流动之一。2、分析有压管流的依据：2022-5-6343、有压管流分类：（1）按局部损失所占比重，可分为 ：短管局部损失、速度

9、水头均不可忽略的管路。长管局部损失、速度水头均可忽略（或按沿 程损失的一定比例计入）。L 公式形式一致；2 H0意义不同：自由式与淹没式二者比较：自由式出口断面形心点的总作用水头。 淹没式上、下游过流断面总水头差。淹没式：gvgvHH222222000aaH0= H +2gv02自由式：2022-5-645三、水头线绘制。测压管水头线终止端： 1.自由出流时 管轴上； 2.淹没出流时 自由液面上。 注：若沿程流速不变是均匀流时，测压管水头线与总水头线平行。 2022-5-646问题1：图示两根完全相同的长管道，只是安装高度不同， 两管道的流量关系为： （C） A.Q1Q2； C.Q1=Q2；

10、D.不定2022-5-647问题2：已知一水箱外接一长L的短管，自由出流时如图A，其流量为Q1；淹没出流时如图B，其流量为Q2，则Q1与Q2的关系为： （A ）A.Q1=Q2； B.Q1Q2； C.Q11000 d特点：（1） 局部损失、流速水头可忽略；（2）总水头线与测压管水头线合。H总水头线与测压管水头线2022-5-66122528 alQlQdg=pl22gvdlfhH=l一、简单长管的水力计算1、计算式：H24dQv2022-5-6622、比阻a的计算： a= f ( d ，)管道比阻 在实际工程中，有压管流多在紊流粗糙区和过渡区 ，故可按下列方法计算 a值。 土木工程中通用的公式（

11、谢才公式）：21/312.693gnd可以制成表，查表求得a。阻力平方区阻力平方区紊流过渡区紊流过渡区25.3310.3nad2022-5-663二、串联管路由数段管径不同的管段首、尾相接所联成的管路。1、装置：q1q2hf hf2 hf3 总水头线、测压管水头线 2022-5-6642、特点：3全部的能量用于管路消耗1可按长管计算；2总水头线为数条折线；2022-5-6653、计算：（1）流量：符合连续性方程，即流入节点的流量等于流出节点的流量。H = hfi =ai liQi 2 =Si Qi 2 即：总损失等于各段损失之和。（2）水头：iiqQQqQQqQQ1i232121一般式：式中

12、Si为管段的抗阻，Si= ai li。2022-5-6664、应用（1）已知： Q i ，di ， li ， qi 。求： H三类水力问题的解决校核计算方法： H = hf i2022-5-667校核计算，扩建工程求：各管段的流量 Qi 。（2）已知：H , di , Li , qi 。1 管段较少时，可直接利用 H、Q 公式，2 管段较多时，可利用试算法： 方法：列方程组。 2022-5-668nif nllHh设末端管路：i l H全段平均坡降：末端流量：验算：hfi ai li Qi2 （？）nnfnnlahQ 再依次推 算前段各流量。如不合适，再调整 hfn，重复以上步骤，直至合适。2

13、022-5-669（3）已知： H , Q（或各管段Qi，qi） ， di , L i 。求： 某一管段的 dx。扩建或返修方法：1 先计算已知各段： hfi =ai liQi 2 4 最后选择标准管径。3 再求 dx (试算、辅助曲线)。 2 再计算所求段：hfx = Hhfi 2022-5-670AB123三、并联管路在两个节点之间并设几条管段。1、装置：（1）增加了供水的可靠性；（2）两节点间的能量损失相等。2、特点：2022-5-671（2）能量： hf1 = hf2 = hf3 = hfAB（1）流量： Q流入= Q流出=Q1+Q2+Q33、计算：4、应用：三类计算同串联通过流量(转

14、输流量)：每根管段间通过不变的流量。 途泄流量(沿线流量)：工程中沿管长由开在管道上的孔口泄出的流量，最简单的是沿程均匀泄流管道(单位长度上泄出相等流量)。 如图7-17设沿程均匀泄流管段长l，直径d，通过流量Qz，总途泄流量Qt。 x处取dx管段，该管段Qx不变，水头损失按简单管道计算，即 xlQQQQttzx dxxlQQQadxaQdhttzxf22)( lttzlffdxxlQQQadhh020)(管段直径、粗糙一定，流动处于粗糙区，比阻a常量，上式积分得 )31(22ttzzfQQQQalh (7-25)近似写为22)55. 0(ctzfalQQQalh (7-26)tzcQQQ55

15、. 0 若管段Qz=0，由式(7-25)得 231tfalQh (7-27) 供水、供热、供气、通风系统常将数段管道组合成管网，如图7-19，分为枝状管网、环状管网两类，具体计算参照相关专业教材。 P189 例7-9（水塔供水，求作用水头） 四、沿程均匀连续泄流2022-5-673一、 水击现象 水击：有压管道中由于阀门突然开启、关闭或水泵突然关闭，使水流流速急剧变化，引起管内压强发生大幅波动的现象。水击压强为正常压强几十倍或几百倍，导致长管系统破坏(振动、噪声、阀门、接头、变形、爆裂)。 (1)水击发生的原因v0、p0)(0Hgp 阀门突然关闭 v0=0、p0+p 管道内水流速度突然变化(阀

16、门突然关闭)是引发水击的条件，水本身具有惯性和压缩性则是发生水击的内在原因。 水击压强正水击：当管道阀门迅速关闭，管中流速迅速减小，压强显著增大的水击。 负水击：当管道阀门迅速开启时，管中流速迅速增大，压强显著减小的水击。 2022-5-674 水击波传播过程中，管道各断面流速、压强随时间变化，所以水击过程是非恒定流。图7-22是阀门断面pt曲线，但实际水击波传播过程中，能量不断损失，水击压强迅速衰减，图7-23是阀门断面实测的pt曲线。(2)水击波的传播过程第一阶段(0tlc,增压逆波)：增压波从阀门向管道进口传播, v0=0、 p0+p。第二阶段(lct2lc,减压顺波)：减压波从管道进口

17、向阀门传播, -v0、 p0 。第三阶段(2 lct3 lc,减压逆波)：减压波从阀门向进口传播, v0=0、 p0-p。 第四阶段(3 lct4 lc,增压顺波)：增压波从管道进口向阀门传播,v0、 p0 。：水击以波的形式传播，c为水击波波速。 (T2lc )：阀门开始关闭至水击波返回至阀门所需时间。水击过程的物理特性阶段阶段时段时段 流速变化流速变化 流速方向流速方向 压强压强变化变化水击波水击波传播方向传播方向运动状态运动状态 液体状态液体状态一一0 t l/cv00水库水库阀门阀门 p0+p 阀门阀门水库水库 减速增压减速增压 压缩压缩 二二l/c t 2l/c0-v0阀门阀门水库水

18、库p0水库水库阀门阀门 减速减压减速减压 恢复原状恢复原状 三三2l/c t 3l/c-v0 0阀门阀门水库水库 p0-p 阀门阀门水库水库 增速减压增速减压 膨胀膨胀 四四3l/c t 4l/c0v0水库水库阀门阀门p0水库水库阀门阀门 增速增压增速增压 恢复原状恢复原状二、 水击压强的计算(1)直接水击 阀门关闭时间小于一个相长(Tz2lc)，最早形成的水击波的反射波回到阀门前，阀门已全关闭，这时阀门处水击压强和阀门瞬时关闭相同，这种水击称为直接水击。应用质点系动量原理求直接水击压强公式。 图7-24设有压管流，阀门突然关小形成波速c水击波。1-2段t内水体：波前v0、p0、A；波后v、p

19、0p、AA。质点系动量定理，得 000)()(tvActvcAAtAAppAp 、A2lc) 由于正、负水击相互作用，精确计算更为复杂，多用数值求解。工程设计中常用下式计算间接水击压强。zTTcvp0 zzTlgvTTgcvgp200 或(7-31)Tz阀门关闭时间 三、水击波的传播速度考虑到水的压缩性和管壁弹性变形，得水管中水击波传播速度(推导略) dEKcc 10(7-32)K水的体积模量，K=2.1109Nm2E管壁材料的弹性模量，见表7-4 d 管道直径管壁厚度c0水中声波的传播速度，10、125大气压时，c0=1435ms 对于液体，K、对温度、压强变化不敏感，c只取决于管壁特性。

20、如普通钢管 、v0=1.0ms，有c=1000ms，直接水击压强p106Pa，可见直接水击压强很大。 1001100 EKd、 四、防止水击危害的措施 水击危害：管道较长、声速较大或阀门关闭时间较短的条件下，水击产生幅度很大的高压与低压。高压造成管道爆裂破坏，低压使水体汽化形成的气囊造成破坏性振动，流速、压强周期性波动引起部件的振动而产生变形损坏。 防止产生水击破坏的措施：(1)缩短有压管道的长度(明渠代替有压管道)，采用E小的材质； (2)尽量延长阀门关闭或开启时间；(3)降低管内流速；(4)设置水击过载保护装置。如靠近阀门设置调压塔、调压室、安全阀与压力调节阀P195 例7-10（输水管道水击） 补例 某压力引水钢管上游与水池相联，下游管末端设阀门控制流量。已知管长l=600m，管径d=2400mm，管壁厚=20mm，水头H0=200m，c0=1435m/s。阀门全开时管中流速v0=3m/s。阀门在Tc=1s和Tc=2s内全关完，此时管内发生水击，求阀门处各水击压强。 解水击波的传播速度