第六章有压管道恒定流动.ppt

1、本章在定量分析沿程水头损失和局部水头损失的基础上，对工程实际中最常见的孔口、管嘴出流及有压管流进行水力计算。,第六章 孔口、管嘴出流与有压管流,孔口出流：在盛有流体的容器上开孔后，流体会通过孔口流出容器，称这种流动为孔口出流,6.1 孔口及管嘴的恒定出流,管嘴出流：在容器孔口处接上断面与孔口形状相同、长度为34倍管径尺寸的短管，形成的流动,液体从孔口以射流状态流出，流线不能在孔口处急剧改变方向，而会在流出孔口后在孔口附近形成收缩断面，此断面可视为处在渐变流段中，其上压强均匀。,收缩断面,孔口、管嘴出流的分类,恒定出流、非恒定出流；H是否随时间发生变化 自由出流、淹没出流；是否流入大气,孔口、管

2、嘴出流的分类,薄壁出流、厚壁出流。薄壁出流就是锐缘孔口出流，流体与孔壁只有周线上接触，孔壁厚度不影响射流形态。 否则就是厚壁出流，孔壁参与出流的收缩，但收缩断面还是在流出孔口后形成。 小孔口出流、大孔口出流（按D / H 是否小于等于0.1来判定）；,如果壁厚达到34D，孔口就可以称为管嘴，收缩断面将会在管嘴内形成，而后再扩展成满流流出管嘴。,管嘴出流的能量损失只考虑局部损失，如果管嘴再长，以致必须考虑沿程损失时就是短管了。,6.1.1 薄壁小孔口自由出流,取渐变流断面1-1和收缩断面c-c，列能量方程,非淹没出流的收缩断面上相对压强均为零，绝对压强为当地大气压强。,1.出流公式,小孔口非淹没

3、出流公式,收缩系数,由于边壁的整流作用，它的存在会影响收缩系数，故有完全收缩与非完全收缩之分，视孔口边缘与容器边壁距离与孔口尺寸之比的大小而定，大于3则可认为完全收缩。,流量系数是流速系数与小孔口断面收缩系数的乘积,完全收缩,非 完 全 收 缩,无收缩,孔口形状和边缘情况， 对流量系数的影响不大。,孔口的位置， 对流量系数的影响不大。,2.孔口收缩系数及流量系数,大孔口出流的流量公式形式不变。 相应的水头近似取孔口形心处的值。 具体的流量系数与小孔口出流不同。见表,小孔口淹没出流的相应公式只需将作用总水头改成孔口上下游水位差即可。,6.1.2 大孔口出流,6.1.3 薄壁孔口的淹没出流,厚壁孔

4、口出流与薄壁孔口出流的差别在于收缩系数和边壁性质有关，注意到收缩系数定义中的A为孔口外侧面积，容易看出孔边修圆后，收缩减小，收缩系数和流量系数都增大。,厚壁孔口出流,6.1.4管嘴出流,当孔口壁厚l等于（34）d时，孔口处接一段长l的圆管时。 特点：收缩断面在管嘴内形成，而后再扩展成满流流出管嘴,1基本公式,取通过管嘴中心的水平面为基准面，列渐变流断面1-1和2-2的能量方程,其中 为管嘴局部阻力系数，相当于管道进口的局部阻力系数，一般取 ，所以,6.1.4管嘴出流,管嘴出流的局部损失由两部分组成，即孔口的局部水头损失及收缩断面后扩展产生的局部损失，水头损失大于孔口出流。但是管嘴出流为满流，收

5、缩系数为1，因此流量系数仍比孔口大，其出流公式为,管嘴出流流量系数的加大也可以从管嘴收缩断面处存在的真空来解释，由于收缩断面在管嘴内，压强要比孔口出流时的零压低，必然会提高吸出流量的能力。,2收缩断面压强,列渐变流收缩断面c-c和出口断面2-2的能量方程,将各项系数， ， ， 代入得,说明收缩断面存在真空，真空度为0.756H0，而孔口收缩断面在大气中，真空的抽吸作用使管嘴流量增加。,式中， ， ， 与孔口收缩系数基本相同，代入得,作用水头H0越大，管嘴内的真空度也越大，当超过7m水柱时真空区将被破坏，无法保持满管出流。所以管嘴水头限值,管嘴的正常工作条件,管嘴长度要求：（34）d。管嘴出流的

6、能量损失只考虑局部损失，如果管嘴再长，以致必须考虑沿程损失时就是短管了。,当液流局部地区的压强降低到一定程度时，液流的内部会出现气体（或蒸汽）空泡或空穴，这种现象叫空化。空化会造成水力机械效率的降低以及气泡在随后压强稍高的区域溃灭时的空蚀危害。理论上认为压强低于当地温度下液体的蒸汽压强就要发生空化。,6.2 孔口及管嘴的非恒定出流,如图，孔口于底部，孔口面积A，作用水头z,dt时段内,孔口流出流体体积=容器内流体体积变化,等截面,放空,有压管道恒定流动水力计算主要解决以下几方面问题：,6.3 有压管道恒定流动的水力计算, 计算管道输水能力； 确定作用水头； 计算沿程压强分布。,实际流体恒定总流

7、能量方程,沿程损失,局部损失,已能定量分析，原则上解决了恒定总流能量方程中的粘性损失项。,管道中的满流,满管流动，管道内的压强不等于大气压强，有压流。 非满管，有自由表面，无压流或明渠水流。,为简化计算，按两类水头损失所占比重的不同，分为短管和长管。 短管沿程水头损失和局部水头损失比例相当，两者都不可忽略。 长管水头损失以沿程损失为主，局部损失和流速水头可以忽略不计。,6.3 有压管道恒定流动的水力计算,有压管道的进口是淹没的，出口分自由和淹没两种情况，它们的作用水头是不同的。,一.简单管道的水力计算,自由出流,上游总水头和下游测管水头之差，用于支付出口速度水头和全部水头损失（包括沿程损失及所

8、有局部损失）。,作用水头,如图，以oo为基准面，列1-1和2-2断面能量方程,管系流量系数,作用水头 z,=,z+h,0,=,=,=,用3-3断面作下游断面,0,h,=,出口水头损失按突扩计算,管系流量系数,淹没与自由出流相比，作用水头不同，管系流量系数相同，局部损失中不包含2-2断面出口损失。,6.3.2计算实例,1 离心泵管路系统的水力计算,z,z2,1,1,2,2,3,3,水泵最大真空度不超过6m,l2,l1,水泵允许安装高度,水泵扬程,流量Q，吸水管长l1，压水管长l2，管径d，提水高度z ，各局部水头损失系数，沿程水头损失系数,要求,确定,计算,已知,z,z2,1,1,2,2,3,3

9、,l2,l1,z,z2,1,1,2,2,3,3,l2,l1,水泵扬程 = 提水高度 + 全部水头损失,2 有压泄水道的水力计算,泄流量Q，画出水头线,圆形隧洞,求,已知,具体例子Q=392.5m3/s,出口断面由A缩小为A2,出口流速,管内流速,新增出口局部损失,具体例子Q=324m3/s,出口断面缩小,出口流速稍有增大,管中流速却显著减小,出流量减小,沿程压强增高,压强的沿程分布,入口断面 0-0，任意断面 i-i,通过有压管道恒定流动的水力计算，容易确定沿程压强的分布，得到测压管水头线。测压管水头线低于管轴线，为负压。工程中有时需要避免压力的低值，为此找出管道中的压力最低点，检验其是否满足

10、要求。如压力过低，可采取调整管道位置高程、降低流速等措施解决。,6.4 长管的水力计算,6.4.1 简单长管的水力计算,如果作用水头的95%以上用于沿程水头损失，就可以略去局部损失及速度水头，认为全部作用水头消耗在沿程，这样的管道流动称为水力长管。,作用水头全部用于支付沿程损失,称为比阻，单位流量流过单位长度管道所需水头,流量模数 与流量具有相同的量纲,对水力长管，根据连续方程和谢才公式可知,等值长度,6.4.2 复杂管道的水力计算,以沿程损失为主，必要时用等值长度计及局部损失。,水头线中不画局部损失和速度水头。,n 段串联管道各段的流量、流速、管径、长度可不同，各段损失分别计算然后叠加，认为

11、作用水头全部用于沿程损失，可得一个方程,各段流量间的关系由连续原理确定，又可得 n-1个方程,1.串联管道,各管段的首尾相连,n段并联管道的水头损失是相同的，给出n-1个方程,流量之和为总流量，又可得一个方程,(i=1, n),2.并联管道,各管段的首首相连，尾尾相连,6.4.3 沿程均匀泄流管路,1、沿途均匀泄流管路水力计算,积分得,因为,所以可近似写作,令,管路在只有沿程泄流时，其水头损失仅为传输流量通过时的1/3.,折算流量,2.水处理滤池中的沿途均匀泄流管应用,水处理滤池的底部需要设配水系统，其中的“大阻力配水系统”就属于沿途泄流管路问题。,P155,分枝状管网应按最不利点设计干管，在干管各段的流量分配给定，管径由经济流速确定的情况下，可以决定所需作用水头。此后的支管设计就成为已知水头和流量求管径的问题。,6.5 管网水力计算基础,6.5.1 枝状管网,