水力学 课件 第5章有压管流

第5章有压管流

本章主要研究内容：1.有压管道恒定流：

短管和长管的概念

短管水力计算:（水泵，虹吸管，倒虹吸管）

长管水力计算：（并联，串联，沿程泄流）

总水头线和测压管线绘制2.有压管道非恒定流简介：

水击产生的原因和水击现象

水击波的传播

水击分类

直接水击压强的计算

防止产生直接水击破环的措施

水利工程中的压力引水隧洞、有压泄洪隧洞。水电站的压力钢管。灌溉中的虹吸管、倒虹吸管、水泵的管路系统。城市给排水工程中的自来水管，石油工程中的输油管，（天然气、煤气、供热、通风），人体中的血管。有压管的工程实例

南水北调中线穿黄工程是人类历史上最宏大的穿越大江大河的水利工程，是整个南水北调中线的标志性、控制性工程。其任务是将中线调水从黄河南岸输送到黄河北岸，之后向黄河以北地区供水，同时在水量丰沛时可向黄河相机补水。一期工程设计流量为265m³/s，加大流量为320m³/s。穿黄隧洞水流为有压流，此流量大小与洞长、洞泾、材料及布设有关，可根据有压管道进行水力计算。1.管流的定义和分类

有压管道→有压管流→满管液流，无自由液面

无压管道→无压管流→明渠水流，有自由液面

简单管路

复杂管路

自由出流

淹没出流

短管（

hj

、

、

hf

须同时考虑，虹吸管，水泵吸水管，倒虹吸管，堤坝泄洪管）

长管（hf

起主要作用，

hj和可以忽略，自来水管，喷灌引水管）

有压恒定流

有压非恒定流5.1概述2.管流的计算任务一类是设计新管路或新管网；按照标准或规范中规定的方法利用人数及用水定额求出设计流量Q。然后由经济流速ve和连续方程求得管径d，再求管流的水头损失hf和hj，再求管流上游的水塔高度或水泵扬程H（又称水头）另一类是校核计算已建成管路通过流量Q、v、管道压强p、作用水头H等，判断是否满足用水需求。两类任务可综合归纳为以下计算内容：（1）管道输水能力的计算。即给定水头、管线布置和断面尺寸的情况下，确定输送的流量Q。（2）当管线布置、管道尺寸和流量一定时，要求确定管路的水头损失，即输送一定流量所必需的水头H。（3）当管线布置、作用水头及输送的流量已知时，计算管道的断面尺寸（对圆形断面的管道则是计算所需要的直径d）。（4）给定流量、作用水头和断面尺寸，要求确定沿管道各断面的压强p。5.2短管的水力计算1.自由出流

总水头H0令

为管道流量系数2.淹没出流令

为管道流量系数自由出流

淹没出流

比较自由出流和淹没出流两种情况下的管道流量系数行近流速水头是否可以忽略？→←3.管径d的确定影响管道直径的因素较多，因而管径确定一般考虑以下几个方面：（1）管道的输水流量Q、管道的布置情况已知时，要求选定所需的管径及相应的水头。在这种情况下，一般是从技术和经济条件综合考虑先确定管径，再确定水头：①流量一定条件下，管径大小与流速有关，故确定管径要考虑管道使用的技术要求。若管内v过大，开通或关闭水流时，会由于水击作用而使管道遭到破坏；对水流中挟带泥沙的管道，v又不宜过小，以免泥沙沉积。一般情况下，水电站引水管中v不宜超过5～6m/s；给水管道中的v不应大于2.5～3.0m/s，也不应小于0.25m/s。②若采用较小的管径，则管道造价低，但v增大，水头损失增大，输水耗费的电能也增加；反之，若采用较大的管径，则管内v小，水头损失减小，运行费用也减小，但管道造价增高，故选取管径也应考虑管道的经济效益。重要的管路，应选择几个方案进行技术经济比较，但管道投资与运行费用的总和最小，这样的流速称为经济流速（ve)，其相应的管径称为经济管径。一般的给水管道，管径d为10～20cm，ve为0.6～1.0m/s；d为20～40cm，ve为1.0～1.4m/s。水电站压力隧洞的ve约为2.5～3.5m/s；压力钢管约为3.0～4.0m/s，甚至5.0～6.0m/s。ve涉及的因素较多，比较复杂，选用时应注意因时因地而异。根据技术要求及经济条件选定管道的流速后，管道直径即可由下式求得

（2）当管道的流量、布置、管材及其作用水头等已知时，对于短管的直径确定，可列能量方程采用试算法。总水头线

顶端的连线总是沿程下降的测压管水头线

顶端的连线沿程可以上升也可以下降 4.管道动水压强的分布

----------总水头线和测压管水头线的绘制绘制原则：总水头线总是沿程下降的，而测压管水头线沿程可升可降。在绘制总水头线时，局部水头损失可集中图示在边界突然变化的断面上，沿程水头损失则沿程线性下降。控制条件：上、下游水面线是测管水头线的起始、终止线。进口处有局部损失，集中绘在进口处，即总水头线在此降落出口为自由出流时，管道出口断面的压强近似为零，测管水头线终止于出口断面中心。出口若为淹没出流，下游水面是测管水头线的终止线。

举例动量方程进口边界出口边界标出管中某点的z，p/rg，z+p/rg真空区的判别：☆测管水头线位于管轴线以下的区域，为真空发生区。5.负压段的判别与调整标出真空区绘制总水头线和测压管水头线对于长管6.短管的水力计算举例

（1）虹吸管的水力计算1）工作原理：2）管内真空值的限制：工程上管中的最大真空高度常限制在6~8m水柱以内。3）虹吸管的计算主要有以下几个方面：①计算虹吸管的泄流量；②由虹吸管内允许真空高度值，确定管顶最大安装高度；③已知安装高度，校核吸水管中最大真空高度是否超过允许值。

例5.1某渠道用直径d=0.5m的钢筋混凝土虹吸管从河道引水灌溉，如图所示。河道水位为120.0m，渠道水位为119.0m。虹吸管各段长度为10m，6m，12m。沿程水头损失系数均为0.027。进口装滤水网，无底阀，ζ=2.5，管的顶部有60度的折角转弯两个，每个弯头ζ=0.55。求：(1)虹吸管的流量；(2)当虹吸管内最大允许真空高度为7.0m时，虹吸管的最大安装高度.

(1)计算虹吸管的流量。列断面1，3的能量方程或采用淹没出流(2)最大安装高度

列断面1，2的能量方程：

虹吸应用：虹吸式屋面雨水排水系统:

传统方式：重力（坡度）排水

内有一个完整的虹吸管道，形状呈侧倒状的“S”

（2）水泵装置的水力计算

1）工作原理：2）管内真空值的限制：工程上管中的最大真空高度常限制在6~8m水柱内。3）计算内容：

①水泵扬程hp；

②水泵安装高度hs；

③水泵装机容量N；1）计算水泵扬程扬程：单位重量的水体从水泵中获得的外加机械能，称为水泵的扬程。取水池水面0—0为基准面，断面1和4列能量方程

水泵扬程等于提水高度加上吸水管和压水管的水头损失之和

列1-2能量方程2）

水泵安装高度关注2断面的真空压强3）计算水泵装机容量N水泵装机容量N：水泵的动力机(如电动机)所具有的总功率。

hp:单位重量的水体从水泵获得的能量有效功率Np：单位时间内重量为的水流从水泵获得的能量水泵总效率则

水泵装机容量为：（3）倒虹吸管渠道穿越河流、渠沟、洼地、道路，采用其它类型建筑物不适宜时，可选用倒虹吸。倒虹吸管中的水流只是一般压力管道，其出流方式一般为短管淹没出流。5.3长管的水力计算5.3.1简单管道的水力计算直径不变没有分支的管道称为简单管道。是（长管）中最基本的情形。

长管的水头H全部消耗于沿程水头损失hf上

谢才公式计算：给水工程中：

a称为比阻。比阻的物理意义是单位流量(Q=1)，通过单位管长(l=1)所需要的水头。5.3.2串联管道串联管道：由直径不同的简单管道串联而成的管道串联管道的特征：1.

各管段流量2.水头损失为各段水头损失之和

5.3.3并联管道

并联管道:由直径不同的简单管道并联而成的管道。

2.每段管道的水头差是相等1.并联管道流量

5.3.4沿程泄流管道在工程中常有这样的情况，水在沿管轴方向流动的同时，还从管侧壁上连续地有流量泄出，这种管道称为沿程泄流管道。灌溉工程中的人工降雨管道给水工程中的滤池冲洗管

给水工程中的滤池冲洗管滴灌节水技术dx距离内水头降落值为若QT

=0，则

在连续均匀泄流时，所需水头只有管道末端通过相同流量时所需水头的三分之一5.4有压管道非恒定流简介水击（水锤）：在有压管路中，由于某种外界原因使得流速发生突然变化，从而引起压强急剧升高和降低的交替变化，这种水力现象成为水击（水锤）。需要考虑：水的压缩性、管壁的弹性工程中产生水击常见原因：（输水、输气管道）1阀门突然关闭2水泵突然启闭Δp

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。5.4.1水击现象传播过程

为了更清晰地说明水击波传播、反射、叠加的发展过程，考察上游水库与阀门间的长度为L的直圆管（BA）中因阀门A突然完全关闭发生的水击现象，认为弹性力与惯性力起主要作用，忽略水头损失和流速水头。在理解了水击波在A处的正反射和B处的负反射之后，可以列出0<t<L/c，L/c<t<2L/c，2L/c<t<3L/c，3L/c<t<4L/c四个阶段水击现象的物理特性。水击现象的分析LBA阶段时段速度变化流速方向压强变化水击波传播方向波的状态液体状态0<t<L/cv0→0水库→阀门增高

p阀门→水库增压逆波压缩(a)BALv0cHH全管原压强水头Hv=01、增压逆波BAL

HHv=0时刻全管速度全管压强水头水击波到达液体状态t=L/cv=0H+HB点压缩时刻t=L/cBAL

HHv=0

由于B点压强水头保持为常数H，水击波到达B点后无法再向上游传播，压差

H转化为流向水库的流速v0而形成一个减速（速度以水库流向阀门为正）减压的过程，由B传向A，水击波反向，并由增压波变为减压波。在减压波传播过程中，管壁和液体密度复原，提供流向水库的水量。时刻t=L/c阶段时段速度变化流速方向压强变化水击波传播方向运动状态液体状态BALv0cH

Hv=0L/c<t<2L/c0→-v0阀门→水库恢复原状水库→阀门减速顺波恢复原状(b)2、减压顺波BALh0时刻全管速度全管压强水头水击波到达液体状态t=2L/cv=-v0

HA点复原v0BALh0

由于阀门已经关闭，减速减压的水击波到达A点后无法再继续向前传播。因为根据连续方程，A点流速必须为零，若A点处也要形成流向水库的流速，则液体没有补充的来源。而此时管中其它断面上的流速却是-v0，于是在t=2L/c

时刻，在A点形成增速、减压、减密度、减断面面积的水击波，由A传向B，水击波反向，但减压波仍转为减压逆波。时刻t=2L/cv0阶段时段速度变化流速方向压强变化水击波传播方向运动状态液体状态BALv0cHHv=02L/c<t<3L/c-v0→0阀门→水库减低

p阀门→水库减压逆波膨胀(c)3、减压逆波BAL

HHv=0时刻全管速度全管压强水头水击波到达液体状态t=3L/cv=0H-

HB点膨胀BAL

h=cv0/gh0v=0时刻t=3L/c

由于B点压强水头保持为常数h0，水击波