水力學(xué)第五章 第1次課

1、1 第四章主要內(nèi)容回顧第四章主要內(nèi)容回顧水流阻力與水頭損失 不變邊界或漸變邊界粘性流體沿程阻力 沿程水頭損失 + 均勻流(漸變流) 雷諾試驗(yàn) 急變流 變化邊界粘性流體局部阻力 局部水頭損失 +層流紊流vRRe以雷諾數(shù)作為判別標(biāo)準(zhǔn) 2lhRRJf0gvdlhf22沿程水頭損失 均勻流基本方程 )(Re,df達(dá)西公式尼古拉茲試驗(yàn) 沿程水頭損失與切應(yīng)力之間的關(guān)系揭示了Re、/d對(duì)影響規(guī)律層流紊流經(jīng)驗(yàn)公式Re64確定了沿程水頭損失的計(jì)算公式 第四章主要內(nèi)容回顧第四章主要內(nèi)容回顧1產(chǎn)生水頭損失的原因有兩個(gè)方面：一是水流邊界的幾何條件，叫外因；二是水流自身具有粘滯性，叫內(nèi)因。wfmhhh3水頭損失的疊加原

2、理：2雷諾試驗(yàn)揭示了水流的兩種型態(tài)-層流和紊流。水流型態(tài)用下臨界雷諾數(shù)來(lái)進(jìn)行判別。型態(tài)不同，水頭損失的規(guī)律也不同。3 第四章需要掌握的知識(shí)點(diǎn)第四章需要掌握的知識(shí)點(diǎn)4雷諾數(shù)表達(dá)式及流動(dòng)型態(tài)判別 管流時(shí)RevdRe 23005沿程水頭損失 22flvhdg6局部水頭損失 22mvhg下臨界雷諾數(shù)4 第四章需要掌握的知識(shí)點(diǎn)第四章需要掌握的知識(shí)點(diǎn)5 第四章需要掌握的知識(shí)點(diǎn)第四章需要掌握的知識(shí)點(diǎn)有壓圓管矩形斷面bhAR7. 水力半徑的概念A(yù) = b hx = b +2hR = bh/(b + 2h)R=d/4r/2rd68. 均勻流過(guò)水?dāng)嗝媪魉倥c切應(yīng)力分布d0rru00 第四章需要掌握的知識(shí)點(diǎn)第四章需要

3、掌握的知識(shí)點(diǎn)71. 水在管道中流動(dòng)，在斷面1處，管道直徑d1=0.25m，相對(duì)壓強(qiáng)p1-pa=80kPa；在斷面2處，管道直徑d2=0.5m，相對(duì)壓強(qiáng)p2-pa=50kPa，流速v2=1.2m/s。兩個(gè)斷面的位置高差z2-z1=1m。試判斷兩個(gè)斷面之間的水流方向，并求出這兩個(gè)斷面之間水流的水頭損失hw。12d2d1812d2d1解：設(shè)兩個(gè)斷面上的總水頭分別為H1和H2，兩者之差即為hw?？偹^總是沿流動(dòng)方向減少的，由此可判斷流動(dòng)方向。smddvv/8.4)(2122121HHhw)2()()(22212121gvvppZZm163.3912d2d1021 HH水從斷面1流向斷面2。兩斷面間的水

4、頭損失hw=3.163m。102. 如圖，儲(chǔ)水器內(nèi)的水面保持恒定，底部接一條鉛直管輸水，直管的直徑d1=100mm，末端收縮管嘴的出口直徑d2=50mm。斷面1-1的水深h1=3m，斷面1-1與斷面3-3的高差h2=2m，斷面3-3與出口斷面2-2的高差h3=4m。試求斷面1-1和斷面3-3的壓強(qiáng)水頭。h31 13 32 2h1h20 011h31 13 32 2h1h20 0解：不計(jì)水頭損失，利用斷面0-0和2-2間的能量方程求出口斷面的平均流速v2，兩斷面對(duì)某基底的高程差分別為Z0和Z2，兩斷面上的壓強(qiáng)均為大氣壓強(qiáng)，則有：gvpZgpZaa22022220)(2)(2321202hhhgZ

5、Zgvsm /282.1312h31 13 32 2h1h20 0利用連續(xù)性方程求直管中斷面1-1和3-3的平均流速v1和v3，smddvvv/32.3)(212231對(duì)斷面0-0與1-1間列能量方程，gvpZpZa221110mgvhgvZZppa438.2222112110113h31 13 32 2h1h20 0對(duì)斷面0-0與3-3間列能量方程，gvpZpZa223330mgvZZppa438.4223303143.如圖，水平放置的壓力鋼管分岔段固定在混凝土支座中。已知主干管直徑D=3m，兩個(gè)分岔管的直徑d=2m，轉(zhuǎn)角=120，主干管末端斷面1-1的相對(duì)壓強(qiáng)p1=294kPa，通過(guò)的水流

6、量Q1=35m3/s。兩條分岔管的流量相等，動(dòng)水壓強(qiáng)也相等，不計(jì)水流損失，試求水流對(duì)支座的總推力。15解：取斷面1-1，2-2，3-3之間的水體為控制體，利用動(dòng)量方程求支座對(duì)水流的作用力。由連續(xù)性方程求各斷面的平均流速。smAQv/951.4111smQQQ/5.175.03132smAQvv/57.5223216FxFy對(duì)斷面1-1和2-2應(yīng)用伯努利方程，gvpgvp22222211Pap2907442設(shè)支座對(duì)水體的水平向作用力為Fx，方向自右向左，對(duì)水體的垂直向作用力為Fy，方向垂直向下，建立x向與y向的動(dòng)量方程，有：17FxFy1122221160cos260cos2vQvQFApApx

7、060sin260sin22222vQFApy18FxFyNFx1240574NFFFyx214583922NFy1750886支座對(duì)水體的總作用力：F19FxFy411.1tanxyFF設(shè)總作用力與主干管軸線夾角為，則68.54水流對(duì)支座的總推力與支座對(duì)水流的作用力大小相等，方向相反。F20第5章 有壓管道的恒定流動(dòng)液體運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律: : 連續(xù)方程連續(xù)方程 能量方程能量方程 動(dòng)量方程動(dòng)量方程 水頭損失的規(guī)律水頭損失的規(guī)律 應(yīng)用這些基本方程可解決常見(jiàn)的水力學(xué)問(wèn)題： 有壓管道中的恒定流 明渠恒定流 水工建筑物水力計(jì)算 基本知識(shí)點(diǎn)基本知識(shí)點(diǎn)21管道被水充滿，管道周界各點(diǎn)受到液體壓強(qiáng)作用，稱有壓管

8、道。其斷面各點(diǎn)壓強(qiáng)，一般不等于大氣壓強(qiáng)。 液 體管 壁有壓管道液體自由面 管 壁無(wú)壓管道1. 有壓管道與無(wú)壓管道基本知識(shí)點(diǎn)基本知識(shí)點(diǎn)22 有壓管中液體運(yùn)動(dòng)要素不隨時(shí)間改變，則為有壓管道的恒定流動(dòng)；若運(yùn)動(dòng)要素隨時(shí)間改變，則稱為有壓管中的非恒定流。 根據(jù)管道的布置情況我們把它分為簡(jiǎn)單管道和復(fù)雜管道?；局R(shí)點(diǎn)基本知識(shí)點(diǎn)23 管道按布置分為管道按布置分為 簡(jiǎn)單管道簡(jiǎn)單管道 復(fù)雜管道復(fù)雜管道 串聯(lián)管道串聯(lián)管道 并聯(lián)管道并聯(lián)管道 分叉管道分叉管道 沿程泄流管2. 簡(jiǎn)單管道與復(fù)雜管道簡(jiǎn)單管道是指直徑和流量沿流程不變的管道；復(fù)雜管道是指由兩根以上管道組成的管道系統(tǒng)。可分為串聯(lián)管道、并聯(lián)管道、分叉管道、沿程泄

9、流管和管網(wǎng)等。管網(wǎng)24簡(jiǎn)單管道串聯(lián)管道并聯(lián)管道基本知識(shí)點(diǎn)基本知識(shí)點(diǎn)短管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(jì)的管道；253. 短管和長(zhǎng)管基本知識(shí)點(diǎn)基本知識(shí)點(diǎn)21222222111122whgvpzgvpz1 2wfmhhh263. 短管和長(zhǎng)管基本知識(shí)點(diǎn)基本知識(shí)點(diǎn)需要注意的是：長(zhǎng)管和長(zhǎng)管不是完全按管道的長(zhǎng)短來(lái)區(qū)分的。長(zhǎng)管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(jì)算中可以忽略的管道。21222222111122whgvpzgvpz1 2wfmhhh27注意 注意： 長(zhǎng)管和短管不按管道絕對(duì)長(zhǎng)度決定。 當(dāng)管道存在較大局部損失管件，例如局部開(kāi)啟閘門、噴嘴、底閥等。既是管道很長(zhǎng)，

10、局部損失也不能略去，必須按短管計(jì)算。 基本知識(shí)點(diǎn)基本知識(shí)點(diǎn)28注意 長(zhǎng)管 忽略局部水頭損失和流速水頭（沿程損失不能略去），計(jì)算工作大大簡(jiǎn)化，其對(duì)結(jié)果又沒(méi)有多大影響?；局R(shí)點(diǎn)基本知識(shí)點(diǎn)29基本知識(shí)點(diǎn)基本知識(shí)點(diǎn)4. 自由出流和淹沒(méi)出流自由出流: 管道出口流入大氣中，水股四周受大氣作用。 淹沒(méi)出流：管道出口淹沒(méi)在水下。自由出流淹沒(méi)出流30基本知識(shí)點(diǎn)基本知識(shí)點(diǎn)mfwfwhhhhh:短管長(zhǎng)管比重根據(jù)管路的水頭損失的淹沒(méi)出流自由出流管道出口水流特點(diǎn)復(fù)雜管道簡(jiǎn)單管道根據(jù)管道的布置情況有壓非恒定流有壓恒定流隨時(shí)間是否變化有壓管道根據(jù)運(yùn)動(dòng)要素?zé)o壓管道有壓管道管道是否充滿5.1 孔口出流31HH0OOCAAcd

11、Cvcv0gv2200pa5.1 孔口出流孔口分類：小孔口 dH/10，可認(rèn)為孔口斷面上各點(diǎn)水頭相等。32HH0OOCAAcdCvcv0gv2200pa大孔口 dH/101）自由出流1、薄壁小孔口恒定出流薄壁孔口：壁厚對(duì)水流現(xiàn)象沒(méi)有影響，孔壁與水流僅在一條周線上接觸，這種孔口稱為薄壁孔口。gvhhcmw22033HH0OOCAAcdCvcv0gv2200pa1)小孔口的自由出流 pc=pa=0wcccahgvpgvpH2022200且1）自由出流gvgvHcc2)(22020034HH0OOCAAcdCvcv0gv2200pa得到：令：gvHH22000可得：H0：作用水頭0021gHvcc1

12、）自由出流000221gHgHvcc35HH0OOCAAcdCvcv0gv2200pa定義流速系數(shù)：00111c可得：cccAgHAvQ02AAc0022gHAAgHAvQcc定義收縮系數(shù)：1）自由出流36HH0OOCAAcdCvcv0gv2200pa定義流量系數(shù)：可得：0022gHAAgHAvQcc02gHA薄壁小孔口出流的各項(xiàng)系數(shù) 實(shí)驗(yàn)測(cè)得孔口流速系數(shù) = 0.970.98。00111c37000221gHgHvcc流速系數(shù) 02gHvc物理意義：收縮斷面實(shí)際液體流速vc對(duì)理想液體流速的比值。薄壁小孔口出流的各項(xiàng)系數(shù) 可得孔口的局部阻力系數(shù) 0：3800111c孔口的局部阻力系數(shù)06. 0

13、197. 0111220薄壁小孔口出流的各項(xiàng)系數(shù) 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)薄壁小孔口= 0.62。390022gHAgHAAvQcc孔口的流量系數(shù)薄壁小孔口出流的各項(xiàng)系數(shù) 得到：64.0/AAc4064.097.062.0即：孔口的收縮系數(shù)AAc/且：5.2 管嘴出流在孔口接一段長(zhǎng)l=(34)d的短管，液流經(jīng)過(guò)短管并充滿出口斷面流出的水力現(xiàn)象。41cd34dvcvc0H0H0v0pagv2200bb 1、圓柱形外管嘴恒定出流whgvgvH222200gvhnw2242cd34dvcvc0H0H0v0pagv2200bb過(guò)水?dāng)嗝?-0和出口斷面b-b間列伯努利方程：hw為局部水頭損失，由兩部分組成，即孔

14、口進(jìn)口損失及收縮斷面后擴(kuò)展產(chǎn)生的局部損失之和。gvHH22000 1、圓柱形外管嘴恒定出流00221gHgHvnn43cd34dvcvc0H0H0v0pagv2200bb得到：圓柱形外管嘴出流的各項(xiàng)系數(shù) 管嘴阻力系數(shù) n= 0.5 44管嘴流速系數(shù)n82. 05 . 0111nn管嘴流量系數(shù)，因出口無(wú)收縮n=n= 0.82 顯然n= 1.32。可見(jiàn)在相同條件，管嘴的過(guò)流能力是孔口的1.32倍。4502gHvn0022gHAgHAQnn 管嘴出流的局部損失由兩部分組成，即孔口進(jìn)口的局部水頭損失及收縮斷面后擴(kuò)展產(chǎn)生的局管嘴出流的局部損失由兩部分組成，即孔口進(jìn)口的局部水頭損失及收縮斷面后擴(kuò)展產(chǎn)生的局部損失，水頭損失大于孔口出流。但是管嘴出流為滿流，收縮系數(shù)為部損失，水頭損失大于孔口出流。但是管嘴出流為滿流，收縮系數(shù)為1，因此流量系數(shù)仍