第六章孔口、管嘴出流与有压管流

1、流体力学流体力学合肥工业大学合肥工业大学土木与水利工程学院土木与水利工程学院主讲：曹广学主讲：曹广学第六章第六章 孔口、管嘴出流与有压管流孔口、管嘴出流与有压管流6.16.1 薄壁孔口出流薄壁孔口出流6.2 6.2 管嘴出流管嘴出流6.3 6.3 有压管道恒定流计算有压管道恒定流计算前面的章节中讨论了流体运动的基本规律，得出了流体力前面的章节中讨论了流体运动的基本规律，得出了流体力学中的三大基本方程，即连续性方程，能量方程和动量方学中的三大基本方程，即连续性方程，能量方程和动量方程，并阐述了水头损失的计算方法。理论分析的最终目的程，并阐述了水头损失的计算方法。理论分析的最终目的和最好价值体现就

2、是它能够方便人们用于解决实际的问题。和最好价值体现就是它能够方便人们用于解决实际的问题。这一章将应用这些基本规律，分析工程实践中孔口、管嘴这一章将应用这些基本规律，分析工程实践中孔口、管嘴出流以及有压输水管道的水力计算问题。出流以及有压输水管道的水力计算问题。 第六章第六章 孔口、管嘴出流与有压管流孔口、管嘴出流与有压管流孔口和管嘴孔口和管嘴0dl孔口孔口10Hd 10Hd 小孔口小孔口大孔口大孔口43dl管嘴管嘴Hddl)43(第六章第六章 孔口、管嘴出流与有压管流孔口、管嘴出流与有压管流出流的分类出流的分类自由出流自由出流: :淹没出流淹没出流: :H1HH2H流体流入大气流体流入大气流体

3、流入液体空间流体流入液体空间第六章第六章 孔口、管嘴出流与有压管流孔口、管嘴出流与有压管流有压管流有压管流发生在有压管道中的流动。发生在有压管道中的流动。无压管流无压管流若流体没有充满管道，存在自由表明的流动。若流体没有充满管道，存在自由表明的流动。 有压管道：有压管道：断面形状为圆形，流体充满整个管道，断面的周界就是湿断面形状为圆形，流体充满整个管道，断面的周界就是湿周，管道的边壁处处受到压力的作用，这个压力一般大于大气压，因周，管道的边壁处处受到压力的作用，这个压力一般大于大气压，因此这种输流管道称为有压管道。此这种输流管道称为有压管道。流流 体体管管 壁壁有压管道有压管道流体自由面流体自

4、由面 管管 壁壁无压管道无压管道第六章第六章 孔口、管嘴出流与有压管流孔口、管嘴出流与有压管流 管道按布置分为管道按布置分为 简单管道简单管道 复杂管道复杂管道 串联管道串联管道 并联管道并联管道 分叉管道分叉管道 管径不变无分叉管径不变无分叉 均匀泄流管道均匀泄流管道 第六章第六章 孔口、管嘴出流与有压管流孔口、管嘴出流与有压管流根据两种水头损失大小比重的不同，可分为根据两种水头损失大小比重的不同，可分为：长管长管 短管短管 长管长管是指水头损失以沿程水头损失为主，流速水头与局是指水头损失以沿程水头损失为主，流速水头与局部水头损失之和在总水头中所占比重很小（小于总水头的部水头损失之和在总水头

5、中所占比重很小（小于总水头的5%5%），因而计算时可将其忽略。），因而计算时可将其忽略。 短管短管短管是指在管道的总水头中沿程水头损失和局水头短管是指在管道的总水头中沿程水头损失和局水头损失都占有相当比例，即流速水头与局部水头损失之和在损失都占有相当比例，即流速水头与局部水头损失之和在总水头中所占比重超过总水头的总水头中所占比重超过总水头的5%5%，不能忽略任何一种，不能忽略任何一种。第六章第六章 孔口、管嘴出流与有压管流孔口、管嘴出流与有压管流2211 1122ccccwpVpVzzhgggg22200000222cccVVVHggg22022cccVVHgg2()2ccVg012ccVgH

6、孔口水头孔口水头行近水头行近水头作用水头作用水头第六章第六章 孔口、管嘴出流与有压管流孔口、管嘴出流与有压管流02cVgH012ccVgH称为流速系数，称为流速系数，0.97cAA称为孔口收缩系数，称为孔口收缩系数，0.6402ccQAVAgH 02QAgH称为孔口流量系数，称为孔口流量系数，0.62第六章第六章 孔口、管嘴出流与有压管流孔口、管嘴出流与有压管流第六章第六章 孔口、管嘴出流与有压管流孔口、管嘴出流与有压管流 2211 1222121 222wpVpVzzhgggg221 122120022wVVHHhgg2222ccwEVVhgg012cEVgH02gH221 122012()

7、()22VVHHHgg分别分别代表代表收缩收缩和扩和扩散产散产生的生的水头水头损失损失作用水头作用水头第六章第六章 孔口、管嘴出流与有压管流孔口、管嘴出流与有压管流02ccQAVAgH 02QAgH012ccVgH02QAgH012cEVgH02QAgH第六章第六章 孔口、管嘴出流与有压管流孔口、管嘴出流与有压管流t =0t = TH1H2h2dVAghdtdVdh2dtdhAgh211202()22HTHdhTdtHHAghAg0122THAg2QAgh1max1222HVQAgH变水头时放空或充满变水头时放空或充满容器所需的时间是水容器所需的时间是水头不变的恒定流流出头不变的恒定流流出相同

8、体积时间的相同体积时间的2 2倍倍第六章第六章 孔口、管嘴出流与有压管流孔口、管嘴出流与有压管流2211 12221222wpVpVzzhgggg2221 1000222VVVHggg012VgH110.821 0.502gH第六章第六章 孔口、管嘴出流与有压管流孔口、管嘴出流与有压管流0.82110.821 0.502QAVAgH1第六章第六章 孔口、管嘴出流与有压管流孔口、管嘴出流与有压管流第六章第六章 孔口、管嘴出流与有压管流孔口、管嘴出流与有压管流2211 12221222wpVpVzzhgggg220000022wVVHhgg012VgHld02cQAVAgH2()2wlVhdg作用

9、水头作用水头H0管道流量系数管道流量系数c第六章第六章 孔口、管嘴出流与有压管流孔口、管嘴出流与有压管流2211 12221222wpVpVzzhgggg221 122120022wVVHHhgg0wHh012VgHld02cQAVAgH2()2wlVhdg第六章第六章 孔口、管嘴出流与有压管流孔口、管嘴出流与有压管流第六章第六章 孔口、管嘴出流与有压管流孔口、管嘴出流与有压管流2211 12221222wpVpVzzhggggfHhVC RJ第六章第六章 孔口、管嘴出流与有压管流孔口、管嘴出流与有压管流QAC RJfHhVC RJ22VJC R22fVhHlC R222QJA C RQKJ2

10、22fQhHlA C R22QJK22fQhHlKKAC R第六章第六章 孔口、管嘴出流与有压管流孔口、管嘴出流与有压管流简单管道水力计算的基本类型简单管道水力计算的基本类型对于恒定流，有压管道的水力计算主要有下列几种：对于恒定流，有压管道的水力计算主要有下列几种： 当管道的布置、断面尺寸当管道的布置、断面尺寸d 及作用水头及作用水头H 已知时，要求确定管已知时，要求确定管道通过的流量。道通过的流量。 例例 6.16.1图图o=0.5弯=0.5阀=0.5e=0.5排水管渗水池集水井 例例6.1 6.1 计算某水电厂由渗计算某水电厂由渗水池排入集水井的流量，已水池排入集水井的流量，已知排水管的糙

11、率知排水管的糙率 ，管径管径 ，管长，管长 ，其他数据如图所示。其他数据如图所示。 0125. 0nmmd150ml20第六章第六章 孔口、管嘴出流与有压管流孔口、管嘴出流与有压管流简单管道水力计算的基本类型简单管道水力计算的基本类型由图可知该排水装置系淹没出流，其计算公式为由图可知该排水装置系淹没出流，其计算公式为在淹没出流情况下，作用水头为上、下游水位差在淹没出流情况下，作用水头为上、下游水位差gHAQc2mH3 . 67 .384528.46)415. 0(0125. 01)4(16161dnC0125. 0nmmd150依据依据和和，0367. 028.468 . 98822Cg89.

12、 415. 0200367. 0dl6 . 40 . 10 . 21 . 15 . 0iicdl1325. 06 . 489. 41c流量系数流量系数 slsmgHdQC64064. 03 . 68 . 92415. 0325. 024322解：解：第六章第六章 孔口、管嘴出流与有压管流孔口、管嘴出流与有压管流简单管道水力计算的基本类型简单管道水力计算的基本类型 61221,RnCRACKlKQhHf供水工程中当供水工程中当 时时smv2 . 1lKQkhHf22当当 时时smv2 . 11k这种类型的题一般在输流工程中用到的较多，按长管计算：这种类型的题一般在输流工程中用到的较多，按长管计算

13、：或者用查表法。或者用查表法。式中式中k 查表可得查表可得lKQkhHf22式中式中第六章第六章 孔口、管嘴出流与有压管流孔口、管嘴出流与有压管流简单管道水力计算的基本类型简单管道水力计算的基本类型 例例6.2 6.2 由水塔向工厂供水，如图所示，采用铸铁管，管长由水塔向工厂供水，如图所示，采用铸铁管，管长25002500m，管径，管径400400mm。水塔处地形标高为。水塔处地形标高为 ，工厂需水，工厂需水量量 ，工厂地形标高，工厂地形标高 ，管路末端需要的自由水，管路末端需要的自由水头头 ，试设计水塔高度，试设计水塔高度H。 m611smQ3152. 0m452mH2521H1水塔2H2H

14、例例 图图6.26.2第六章第六章 孔口、管嘴出流与有压管流孔口、管嘴出流与有压管流当管径当管径 ，查表铸铁管，查表铸铁管简单管道水力计算的基本类型简单管道水力计算的基本类型因为管道的长度较大，考虑按照长管计算。因为管道的长度较大，考虑按照长管计算。列出水厂断面和工厂断面的能量方程列出水厂断面和工厂断面的能量方程解：解：fhHH2211mmd400slK310464. 2smdQv21. 14 . 0152. 044221kmlKQkhf5 . 92500464. 2152. 02222mhHHf5 .185 . 92561452121，所以，所以第六章第六章 孔口、管嘴出流与有压管流孔口、管

15、嘴出流与有压管流简单管道水力计算的基本类型简单管道水力计算的基本类型1. 1. 管道的输流能力管道的输流能力Q，管长，管长l 及管道的总水头及管道的总水头H 均已确定。均已确定。 对于长管对于长管lHQHlQKlKQH222,求得求得K值后反查表就可得值后反查表就可得d 对于短管对于短管dlgHQdgHdgHAdlQcCC11,24242112采用试算法采用试算法第六章第六章 孔口、管嘴出流与有压管流孔口、管嘴出流与有压管流简单管道水力计算的基本类型简单管道水力计算的基本类型2. 2. 管道的输流能力，管长已知，要求选定所需的管径及相应的水头。管道的输流能力，管长已知，要求选定所需的管径及相应

16、的水头。 管道的技术要求。管道的技术要求。流量一定的条件下，所选管径的大小影响着管中流量一定的条件下，所选管径的大小影响着管中的流速，所选管径应使流速控制在既不会产生过大的压力，降低管道的的流速，所选管径应使流速控制在既不会产生过大的压力，降低管道的使用寿命，又不能过小，使泥沙沉积，阻塞管路。一般情况下，水电站使用寿命，又不能过小，使泥沙沉积，阻塞管路。一般情况下，水电站引水管中流速不应大于（引水管中流速不应大于（5 56 6）m/s ，给水管中的流速不应大于，给水管中的流速不应大于（2.52.53 3）m/s，不应小于，不应小于0.250.25m/s 。管道的经济效益。管道的经济效益。重要的

17、管道在选取管径时一般应选择几个方案进重要的管道在选取管径时一般应选择几个方案进行比选，选出一种方案，使得管道投资和运转的总费用最小，但是工行比选，选出一种方案，使得管道投资和运转的总费用最小，但是工程中，费用最小的并非各方面最优或可行，往往是选一种经济上合理程中，费用最小的并非各方面最优或可行，往往是选一种经济上合理工程上可行的方案作为最终设计方案，这样选定的流速称为工程上可行的方案作为最终设计方案，这样选定的流速称为，对应的直径为经济直径。具体数值可参照有关设计手册。对应的直径为经济直径。具体数值可参照有关设计手册。 这是工程中常见的实际问题。通常是从技术和经济两方面综合考虑，这是工程中常见

18、的实际问题。通常是从技术和经济两方面综合考虑，确定满足技术要求的经济流速。确定满足技术要求的经济流速。 第六章第六章 孔口、管嘴出流与有压管流孔口、管嘴出流与有压管流简单管道水力计算的基本类型简单管道水力计算的基本类型 根据能量方程，管路中任意断面处的测压管水头为：根据能量方程，管路中任意断面处的测压管水头为：gvhhHpzijfi2)()(200 即管路中任意断面即管路中任意断面i 处的测压管水头等于总水头处的测压管水头等于总水头H0 0 减去该断减去该断面以前的沿程水头损失与局部水头损失，再减去该断面的流速水面以前的沿程水头损失与局部水头损失，再减去该断面的流速水头。把各断面的测压管水头连

19、接起来，就得到整个管路的测压管头。把各断面的测压管水头连接起来，就得到整个管路的测压管水头线。水头线。第六章第六章 孔口、管嘴出流与有压管流孔口、管嘴出流与有压管流如果您有任何问题，如果您有任何问题，请毫不犹豫地提出请毫不犹豫地提出 ! !In case of you have any In case of you have any question, DO NOT question, DO NOT hesitate to ask me !hesitate to ask me !第六章第六章 孔口、管嘴出流与有压管流孔口、管嘴出流与有压管流简单管道水力计算特例简单管道水力计算特例 虹吸管是一种

20、压力输水管道虹吸管是一种压力输水管道, ,（如图）（如图）顶部弯曲且其高程高于上游供水水面。顶部弯曲且其高程高于上游供水水面。若在虹吸管内造成真空，使作用在上游若在虹吸管内造成真空，使作用在上游水面的大气压强和虹吸管内压强之间产水面的大气压强和虹吸管内压强之间产生压差，水流即能超过虹吸管最高处流生压差，水流即能超过虹吸管最高处流向低处。虹吸管顶部的真空理论上不能向低处。虹吸管顶部的真空理论上不能大于最大真空值，即大于最大真空值，即1010米高水柱。实际米高水柱。实际上当虹吸管内压强接近该温度下的汽化上当虹吸管内压强接近该温度下的汽化压强时，液体将产生汽化，破坏水流的压强时，液体将产生汽化，破坏

21、水流的连续性。故一般不使虹吸管中的真空值连续性。故一般不使虹吸管中的真空值大于大于7 78 8米。米。虹吸管示意图虹吸管示意图第六章第六章 孔口、管嘴出流与有压管流孔口、管嘴出流与有压管流简单管道水力计算特例简单管道水力计算特例 1. 1. 虹吸管流量的计算虹吸管流量的计算 2. 2. 虹吸管安装高度的计算虹吸管安装高度的计算 根据淹没出流的公式计算根据淹没出流的公式计算 gHAQS2dlS1以下游断面为基准面，列出上游断面和顶部断面的能量方程以下游断面为基准面，列出上游断面和顶部断面的能量方程wchgvgpzHgpH2020whgppz0得得式中式中 为虹吸管的允许真空度为虹吸管的允许真空度, ,用用 表示表示 gpp0vh第六章第六章 孔口、管嘴出流与有压管流孔口、管嘴出流与有压管流简单管道水力计算特例简单管道水力计算特例 1. 1. 吸水管的水力计算。吸水管的水力计