有壓管道中的水流運(yùn)動

1、 第五章第五章 有壓管道中的水流運(yùn)動有壓管道中的水流運(yùn)動水力學(xué)水力學(xué)水力學(xué)水力學(xué) 以上各章中討論了液體運(yùn)動的基本規(guī)律，以上各章中討論了液體運(yùn)動的基本規(guī)律，導(dǎo)出了水力學(xué)的基本方程導(dǎo)出了水力學(xué)的基本方程連續(xù)方程、能連續(xù)方程、能量方程及動量方程，并闡述了水頭損失的計量方程及動量方程，并闡述了水頭損失的計算方法，應(yīng)用這些基本原理即可研究解決工算方法，應(yīng)用這些基本原理即可研究解決工程中常見的水力計算問題，如有壓管道中的程中常見的水力計算問題，如有壓管道中的恒定流、明渠恒定流及水工建筑物的水力計恒定流、明渠恒定流及水工建筑物的水力計算等。本章討論的重點(diǎn)是有壓管中恒定流的算等。本章討論的重點(diǎn)是有壓管中恒定流

2、的水力計算。水力計算。即即短管（水泵裝置、虹吸管、倒短管（水泵裝置、虹吸管、倒虹吸管）、長管的水力計算虹吸管）、長管的水力計算和和測壓管水頭線測壓管水頭線和總水頭線的繪制。和總水頭線的繪制。 有壓管道：管道周界上的各點(diǎn)均受到液有壓管道：管道周界上的各點(diǎn)均受到液體壓強(qiáng)的作用。有壓管中的恒定流：有壓管體壓強(qiáng)的作用。有壓管中的恒定流：有壓管中液體的運(yùn)動要素不隨時間而變。中液體的運(yùn)動要素不隨時間而變。1.1.簡單管道和復(fù)雜管道簡單管道和復(fù)雜管道 根據(jù)管道的組成情況我們把它分為簡單根據(jù)管道的組成情況我們把它分為簡單管道和復(fù)雜管道。管道和復(fù)雜管道。簡單管道簡單管道是是指管道直徑不指管道直徑不變且無分支的管

3、變且無分支的管道；道；復(fù)雜管道復(fù)雜管道是指由兩根以是指由兩根以上管道組成管道系統(tǒng)。復(fù)雜管道又可以分為上管道組成管道系統(tǒng)。復(fù)雜管道又可以分為串聯(lián)管道、并聯(lián)管道、分叉管道、沿程泄流串聯(lián)管道、并聯(lián)管道、分叉管道、沿程泄流管和管網(wǎng)。管和管網(wǎng)。 一一. . 概述概述水力學(xué)水力學(xué)水力學(xué)水力學(xué)2.2.短管和長管短管和長管 短管短管是指管路中水流的流速水頭和局部水頭損是指管路中水流的流速水頭和局部水頭損失都不能忽略不計的管道；失都不能忽略不計的管道； 長管長管是指流速水頭與局部水頭損失之和遠(yuǎn)小于是指流速水頭與局部水頭損失之和遠(yuǎn)小于沿程水頭損失，在計算中可以忽略的管道為，一般認(rèn)沿程水頭損失，在計算中可以忽略的管

4、道為，一般認(rèn)為（局部水頭損失為（局部水頭損失+ +流速水頭）流速水頭）5%5%的煙程水頭損失，的煙程水頭損失，可以按長管計算?？梢园撮L管計算。 需要注意的是：長管和長管不是完全按管道的長需要注意的是：長管和長管不是完全按管道的長短來區(qū)分的。將有壓管道按長管計算，可以簡化計算短來區(qū)分的。將有壓管道按長管計算，可以簡化計算過程。但在不能判斷流速水頭與局部水頭損失之和遠(yuǎn)過程。但在不能判斷流速水頭與局部水頭損失之和遠(yuǎn) 水力學(xué)水力學(xué) 二二. .簡單管道短管的水力計算簡單管道短管的水力計算小于沿程水頭損失之前，按短管計算不會產(chǎn)生小于沿程水頭損失之前，按短管計算不會產(chǎn)生較大的誤差。較大的誤差。 簡單管道的水

5、力計算可分為簡單管道的水力計算可分為自由出流自由出流和和淹沒出流兩種情況。 1.1.自由出流自由出流 管道出口水流流入大氣，水股四周都受管道出口水流流入大氣，水股四周都受大氣壓強(qiáng)的作用，稱為自由出流管道。大氣壓強(qiáng)的作用，稱為自由出流管道。 水力學(xué)水力學(xué) 圖圖5-1 圖圖4 41 1中，列斷中，列斷面面1 11 1、2 22 2的能量方的能量方程程 管道出口中心到上游水位的高差，全部消管道出口中心到上游水位的高差，全部消耗于管道的水頭損失和保持出口的動能。耗于管道的水頭損失和保持出口的動能。水力學(xué)水力學(xué)管道自管道自由出流由出流的流量的流量系數(shù)系數(shù)2.2.淹沒出流淹沒出流水力學(xué)水力學(xué)管道出口淹沒在

6、水下，稱管道出口淹沒在水下，稱淹沒出流。圖圖5-2在圖在圖5-25-2中，列斷面中，列斷面與的能量與的能量方程：方程：2001 22wzhg 0zz 若不計上游流速水頭，則若不計上游流速水頭，則水力學(xué)水力學(xué)2201 22fjLzhhdg 說明：說明：簡單管道在淹沒出流的情況下，其簡單管道在淹沒出流的情況下，其作用水頭完全被消耗于克服管道由于沿程阻力、作用水頭完全被消耗于克服管道由于沿程阻力、局部阻力所作負(fù)功所產(chǎn)生的水頭損失上。局部阻力所作負(fù)功所產(chǎn)生的水頭損失上。管中流速：管中流速：畢業(yè)答辯畢業(yè)答辯水力學(xué)水力學(xué)通過管道的流量：通過管道的流量：管道淹沒出流管道淹沒出流的流量系數(shù)的流量系數(shù)請?zhí)貏e注意

7、：短管自由出流和淹沒出流的計請?zhí)貏e注意：短管自由出流和淹沒出流的計算關(guān)鍵在于正確計算流量系數(shù)。我們比較短算關(guān)鍵在于正確計算流量系數(shù)。我們比較短管自由出流和淹沒出流的流量系數(shù)公式，可管自由出流和淹沒出流的流量系數(shù)公式，可以看到兩式在分母中多一項(xiàng)以看到兩式在分母中多一項(xiàng)“1”1”，但是計算，但是計算淹沒出流的流量系數(shù)淹沒出流的流量系數(shù)c c時，局部水頭損失系時，局部水頭損失系數(shù)數(shù)水力學(xué)水力學(xué)三三. .長管的水力計算長管的水力計算 如果作用水頭的如果作用水頭的95%95%以上用于沿程水頭損以上用于沿程水頭損失，我們就可以略去局部損失及出口速度水失，我們就可以略去局部損失及出口速度水頭，認(rèn)為全部作用水

8、頭消耗在沿程，這樣的管頭，認(rèn)為全部作用水頭消耗在沿程，這樣的管道流動稱為水力長管。否則為水力短管。道流動稱為水力長管。否則為水力短管。中比自由出流多一項(xiàng)管道出口局部水頭中比自由出流多一項(xiàng)管道出口局部水頭損失系數(shù)損失系數(shù)“1”1”，在計算中不要遺忘。，在計算中不要遺忘。水力學(xué)水力學(xué)對水力長管，根據(jù)連續(xù)方程和謝才公式可知對水力長管，根據(jù)連續(xù)方程和謝才公式可知長管：作用水頭全部長管：作用水頭全部用于支付沿程水頭損失用于支付沿程水頭損失流量模數(shù)流量模數(shù)綜合反映管道的形狀、尺寸和綜合反映管道的形狀、尺寸和邊壁粗糙性對輸水能力的影響。邊壁粗糙性對輸水能力的影響。水力學(xué)水力學(xué)1.1.輸水能力計算輸水能力計算

9、 當(dāng)管道布置、斷面尺寸及作用水頭已知時，當(dāng)管道布置、斷面尺寸及作用水頭已知時，要求確定管道通過得流量。對于短管和長管都可要求確定管道通過得流量。對于短管和長管都可以用公式直接求解。以用公式直接求解。 2.2.已知管道尺寸和輸水流量已知管道尺寸和輸水流量Q Q ，求保證輸水流量，求保證輸水流量的作用水頭的作用水頭H H。 實(shí)際是求通過流量實(shí)際是求通過流量Q Q時管道的水頭損失，可時管道的水頭損失，可以直接計算，但對于長管需要先計算管內(nèi)流速，以直接計算，但對于長管需要先計算管內(nèi)流速，以判別是否要進(jìn)行修正。以判別是否要進(jìn)行修正。3.3.已知管線布置和輸水流量，求輸水管徑已知管線布置和輸水流量，求輸水

10、管徑d d 。四四. .簡單管道水力計算的基本類型簡單管道水力計算的基本類型水力學(xué)水力學(xué)對于短管對于短管 對于長管對于長管 按求得的流量模數(shù)，即可由按求得的流量模數(shù)，即可由5 51 1確定所需的管確定所需的管道直徑。道直徑。4.4.已知流量和管長，求管徑已知流量和管長，求管徑d d和水頭和水頭H H；)2(4gHQdc上式中上式中 與管徑與管徑 有關(guān)，所以需要試算。有關(guān)，所以需要試算。水力學(xué)水力學(xué) 這是工程中常見的實(shí)際問題。通常是這是工程中常見的實(shí)際問題。通常是從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面綜合考慮，確定滿足從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面綜合考慮，確定滿足技術(shù)要求的經(jīng)濟(jì)流速。有了經(jīng)濟(jì)流速就可技術(shù)要求的經(jīng)濟(jì)流速。有了經(jīng)

11、濟(jì)流速就可以求出管徑，這樣求水頭以求出管徑，這樣求水頭H H即轉(zhuǎn)化為第二即轉(zhuǎn)化為第二類問題。類問題。5.5.對于一個已知管道尺寸、水頭和流量的對于一個已知管道尺寸、水頭和流量的管道，要求確定管道各斷面壓強(qiáng)的大小管道，要求確定管道各斷面壓強(qiáng)的大小水力學(xué)水力學(xué) 即管路中任意斷面即管路中任意斷面i i處的測壓管水頭等于總處的測壓管水頭等于總水頭水頭H H0 0減去該斷面以前的沿程水頭損失與局部減去該斷面以前的沿程水頭損失與局部水頭損失，再減去該斷面的流速水頭。把各斷水頭損失，再減去該斷面的流速水頭。把各斷面的測壓管水頭連接起來，就得到整個管路的面的測壓管水頭連接起來，就得到整個管路的測壓管水頭線。測

12、壓管水頭線。（1 1）根據(jù)能量方程，管路中任意斷面處）根據(jù)能量方程，管路中任意斷面處的測壓管水頭為的測壓管水頭為：（2 2）測壓管水頭線和總水頭線的繪制步驟：）測壓管水頭線和總水頭線的繪制步驟：水力學(xué)水力學(xué)a.a.根據(jù)各管的流量根據(jù)各管的流量 ，計算相應(yīng)的流速，計算相應(yīng)的流速 ，沿程水頭損失沿程水頭損失 和局部水頭損失和局部水頭損失b.b.自管道進(jìn)口到出口，計算每一管段兩端的自管道進(jìn)口到出口，計算每一管段兩端的總水頭值，并繪出總水頭線?？偹^值，并繪出總水頭線。c.c.自總水頭線鉛直向下量取管道各個斷面的自總水頭線鉛直向下量取管道各個斷面的流速水頭值，即得測壓管水頭線。流速水頭值，即得測壓管水

13、頭線。（3 3）繪制總水頭線和測壓管水頭線的原則）繪制總水頭線和測壓管水頭線的原則水力學(xué)水力學(xué)a.繪制總水頭線和測壓管水頭線時，繪制總水頭線和測壓管水頭線時， 沿管長沿管長均勻分布；均勻分布； 發(fā)生在局部的管段上，則在該斷發(fā)生在局部的管段上，則在該斷面上有兩個總水頭，一個是局部損失前的，一面上有兩個總水頭，一個是局部損失前的，一個是局部損失后的。個是局部損失后的。 b.在繪制總水頭線時，應(yīng)注意進(jìn)口的邊界條件在繪制總水頭線時，應(yīng)注意進(jìn)口的邊界條件圖圖5-3 管道的進(jìn)口邊界管道的進(jìn)口邊界水力學(xué)水力學(xué)3）在等直徑管段中，測壓管水頭線與總水頭線）在等直徑管段中，測壓管水頭線與總水頭線是平行的。是平行的

14、。4）在繪制總水頭線時，應(yīng)注意出口的邊界條件在繪制總水頭線時，應(yīng)注意出口的邊界條件圖圖5-4 管道出口的邊界管道出口的邊界水力學(xué)水力學(xué)五五. .簡單管道水力計算應(yīng)用舉例簡單管道水力計算應(yīng)用舉例 虹吸管是一種壓力輸水管道，（如圖）頂虹吸管是一種壓力輸水管道，（如圖）頂部彎曲且其高程高于上游供水水面。若在虹吸部彎曲且其高程高于上游供水水面。若在虹吸管內(nèi)造成真空，使作用在上游水面的大氣壓強(qiáng)管內(nèi)造成真空，使作用在上游水面的大氣壓強(qiáng)和虹吸管內(nèi)壓強(qiáng)之間產(chǎn)生壓差，水流即能超過和虹吸管內(nèi)壓強(qiáng)之間產(chǎn)生壓差，水流即能超過虹吸管最高處流向低處。虹吸管頂部的真空理虹吸管最高處流向低處。虹吸管頂部的真空理論上不能大于最

15、大真空值，即論上不能大于最大真空值，即1010米高水柱。實(shí)米高水柱。實(shí)際上當(dāng)虹吸管內(nèi)壓強(qiáng)接近該溫度下的汽化壓強(qiáng)際上當(dāng)虹吸管內(nèi)壓強(qiáng)接近該溫度下的汽化壓強(qiáng)時，液體將產(chǎn)生汽化，破壞水流的連續(xù)性。時，液體將產(chǎn)生汽化，破壞水流的連續(xù)性。1.1.虹吸管的水力計算虹吸管的水力計算水力學(xué)水力學(xué) 故一般不使虹吸管中的真空值大于故一般不使虹吸管中的真空值大于7 78 8米。米。虹吸管的長度一般不大，故應(yīng)按短管計算。虹吸管的長度一般不大，故應(yīng)按短管計算。 圖圖5-5虹吸管的工作原理虹吸管的工作原理例題例題1 1圖示用直徑圖示用直徑d d = 0.4m= 0.4m的鋼筋混凝的鋼筋混凝土虹吸管從河道向灌溉渠道引水，河道

16、土虹吸管從河道向灌溉渠道引水，河道水位為水位為120m120m，灌溉渠道水位，灌溉渠道水位118m118m，水力學(xué)水力學(xué)虹吸管各段長度為虹吸管各段長度為l l1 1 = 10m= 10m，l l2 2 =5m=5m， l l3 3 =12m=12m，虹吸管進(jìn)口安裝無底閥的濾網(wǎng)（，虹吸管進(jìn)口安裝無底閥的濾網(wǎng)（= = 2.52.5）, ,管道有兩個管道有兩個6060o o的折角彎管的折角彎管（=0.55=0.55）。求：（）。求：（1 1）通過虹吸管的流量。）通過虹吸管的流量。 （2 2）當(dāng)虹吸管內(nèi)最大允許真空值）當(dāng)虹吸管內(nèi)最大允許真空值h hv v =7.0m=7.0m時，時，虹吸管的最大安裝高

17、度。虹吸管的最大安裝高度。 圖圖5-6l2h sl3l16060z河道渠道解：（解：（1）計算通過）計算通過虹吸管的流量虹吸管的流量 smRnC21616166.4844 . 0014. 011水力學(xué)水力學(xué)033. 066.484 .78822Cg383.00 .155.025 .24 .027033.011dLc2320.3830.7850.429.820.30cQAgzms水力學(xué)水力學(xué)（2 2）計算虹吸管的最大安裝高度）計算虹吸管的最大安裝高度列河道水面和虹吸管下游轉(zhuǎn)彎前過水?dāng)嗝娴牧泻拥浪婧秃缥芟掠无D(zhuǎn)彎前過水?dāng)嗝娴哪芰糠匠棠芰糠匠蘷shgph20002220.302.390.785 0

18、.4Qm sA210 52.397.9 (1 0.0332.5 0.55)0.419.65.46shm所以所以水力學(xué)水力學(xué)（1 1）吸水管的水力計算。吸水管的計算在于）吸水管的水力計算。吸水管的計算在于確定吸水管的管徑及水泵的最大允許安裝高確定吸水管的管徑及水泵的最大允許安裝高程。程。（2 2）壓力水管的水力計算。壓力水管的計算）壓力水管的水力計算。壓力水管的計算在于決定必需的管徑及水泵的裝機(jī)容量在于決定必需的管徑及水泵的裝機(jī)容量2.2.水泵裝置的水力計算水泵裝置的水力計算 例題例題2 2流量流量Q Q，吸水管長吸水管長l l1 1，壓水管長，壓水管長l l2 2，管，管徑徑d d，提水高度，

19、提水高度z z ，各局部水頭損失系數(shù)，沿，各局部水頭損失系數(shù)，沿程水頭損失程水頭損失系數(shù)要求要求水泵最大真空度不超過水泵最大真空度不超過6m6m，確定確定水泵允許安裝高度，計水泵允許安裝高度，計算水泵的揚(yáng)程。算水泵的揚(yáng)程。水力學(xué)水力學(xué)23145zz2112233圖圖5-7 水泵揚(yáng)程水泵揚(yáng)程 = = 提水高度提水高度 + + 全部水頭損失全部水頭損失例題例題3 3 一橫穿河道的鋼筋混凝土倒虹吸管，如一橫穿河道的鋼筋混凝土倒虹吸管，如圖所示。已知通過流量圖所示。已知通過流量Q Q為為3m3m3 3/s/s，倒虹吸管上，倒虹吸管上下游渠中水位差下游渠中水位差z z為為3m3m，倒虹吸管長，倒虹吸管長

20、l l為為50m50m，其，其中經(jīng)過兩個中經(jīng)過兩個30300 0的折角轉(zhuǎn)彎，其局部水頭損失系的折角轉(zhuǎn)彎，其局部水頭損失系數(shù)數(shù)b b為為0.200.20；進(jìn)口局部水頭損失系數(shù)；進(jìn)口局部水頭損失系數(shù)e e為為0.50.5，出口局部水頭損失系數(shù)出口局部水頭損失系數(shù)0 0為為1.01.0，上下游渠中，上下游渠中流速流速v v1 1 及及v v2 2為為1.5m/s1.5m/s，管壁粗糙系數(shù)，管壁粗糙系數(shù)n n0.0140.014。試確定倒虹吸管直徑試確定倒虹吸管直徑d d。 水力學(xué)水力學(xué)水力學(xué)水力學(xué)解：倒虹吸管一般作短管計算。本題管道出解：倒虹吸管一般作短管計算。本題管道出口淹沒在水下；而且上下游渠道

21、中流速相同，口淹沒在水下；而且上下游渠道中流速相同，流速水頭消去。流速水頭消去。gzdgzAQcc2422水力學(xué)水力學(xué)gzQdc24dlc1 因?yàn)檠爻套枇ο禂?shù)因?yàn)檠爻套枇ο禂?shù)或謝才系數(shù)或謝才系數(shù)C C都是都是d d 的復(fù)雜函數(shù)，因此需用試算法。的復(fù)雜函數(shù)，因此需用試算法。先假設(shè)先假設(shè)d d0.8m0.8m，計算沿程阻力系數(shù)：，計算沿程阻力系數(shù)：水力學(xué)水力學(xué),/62.54)48 . 0(014. 011216161smRnC0263. 062.548 . 98822Cg0121500.02630.52 0.2 10.8cebld 10.5313.54cmd97. 038 . 9214. 3531

22、. 034水力學(xué)水力學(xué)與假設(shè)與假設(shè)不符不符故再假設(shè)故再假設(shè)d=0.95md=0.95m，重新計算，重新計算smC/21.56)495. 0(014. 0121610248. 021.568 . 9820.558cmd945. 038 . 9214. 3558. 034則采用則采用管徑管徑d d為為0.950.95米米水力學(xué)水力學(xué)六六. .復(fù)雜管道的水力計算復(fù)雜管道的水力計算圖圖5-811Ld22L d33L d1fh3fhH2fh1Q2Q2q3Q1q1.1.串聯(lián)管道串聯(lián)管道 以沿程損以沿程損失為主，水失為主，水頭線中不畫頭線中不畫局部損失和局部損失和速度水頭。速度水頭。 由直徑不同的幾段管段順

23、次連由直徑不同的幾段管段順次連接而成的管道。接而成的管道。iiiiflKQhH222.2.并聯(lián)管道并聯(lián)管道 由兩條或兩條以上的管道同在一處分出，由兩條或兩條以上的管道同在一處分出，又在另一處匯合，這種組合而成的管道。又在另一處匯合，這種組合而成的管道。水力學(xué)水力學(xué)并聯(lián)管道的特點(diǎn)為：并聯(lián)管道的特點(diǎn)為： （1 1）各條管路在分叉點(diǎn)和匯合點(diǎn)之間的水）各條管路在分叉點(diǎn)和匯合點(diǎn)之間的水頭損失相等。頭損失相等。 （2 2）管路中的總流量等于各并聯(lián)管路上的）管路中的總流量等于各并聯(lián)管路上的流量之和。流量之和。并聯(lián)管路一般按長管計算，其計算公式為：并聯(lián)管路一般按長管計算，其計算公式為：a.a.各支管的流量與總

24、流量間應(yīng)滿足連續(xù)方程：各支管的流量與總流量間應(yīng)滿足連續(xù)方程：水力學(xué)水力學(xué)b.b.單位重量流體通過所并聯(lián)的任何管段時單位重量流體通過所并聯(lián)的任何管段時水頭損失皆相等。即：水頭損失皆相等。即： 七七. .有壓管道中的水擊簡介有壓管道中的水擊簡介1.1.水擊現(xiàn)象水擊現(xiàn)象 水擊是有壓管道中的非恒定流現(xiàn)象。水擊是有壓管道中的非恒定流現(xiàn)象。當(dāng)有壓管道中的閥門突然開啟、關(guān)閉或水當(dāng)有壓管道中的閥門突然開啟、關(guān)閉或水泵因故突然停止工作，使水流流速急劇泵因故突然停止工作，使水流流速急劇水力學(xué)水力學(xué)變化，引起管內(nèi)壓強(qiáng)發(fā)生大幅度交替升降。變化，引起管內(nèi)壓強(qiáng)發(fā)生大幅度交替升降。這種變化以一定的速度向上游或下游傳播，這種

25、變化以一定的速度向上游或下游傳播，并且在邊界上發(fā)生反射，這種水流現(xiàn)象叫作并且在邊界上發(fā)生反射，這種水流現(xiàn)象叫作水擊，交替升降的壓強(qiáng)稱為水擊壓強(qiáng)。水擊，交替升降的壓強(qiáng)稱為水擊壓強(qiáng)。 產(chǎn)生水擊現(xiàn)象的原因是由于液體存在慣性產(chǎn)生水擊現(xiàn)象的原因是由于液體存在慣性和可壓縮性。水擊現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)上是由于管道和可壓縮性。水擊現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)上是由于管道內(nèi)水體流速的改變，導(dǎo)致水體的動量發(fā)生急內(nèi)水體流速的改變，導(dǎo)致水體的動量發(fā)生急劇改變而引起作用力變化的結(jié)果。劇改變而引起作用力變化的結(jié)果。水力學(xué)水力學(xué) 根據(jù)閘門關(guān)閉（或開啟）的時間根據(jù)閘門關(guān)閉（或開啟）的時間T Ts s與相長與相長T T的的比值，我們把水擊分為兩類：比值，我們把水擊分為兩類： （1 1）直接水擊：閘門關(guān)閉（或開啟）的時）直接水擊：閘門關(guān)閉（或開啟）的時間間T Ts sT T（相長）。（相長）。 （2 2）間接水擊：