第六章孔口管嘴出流和有壓管流ppt課件

1、流體力學流體力學合肥工業(yè)大學合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院土木與水利工程學院主講：曹廣學主講：曹廣學6.1 6.1 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 有壓管道恒定流計算有壓管道恒定流計算前面的章節(jié)中討論了流體運動的基本規(guī)律，得出了流體力前面的章節(jié)中討論了流體運動的基本規(guī)律，得出了流體力學中的三大基本方程，即連續(xù)性方程，能量方程和動量方學中的三大基本方程，即連續(xù)性方程，能量方程和動量方程，并闡述了水頭損失的計算方法。理論分析的最終目的程，并闡述了水頭損失的計算方法。理論分析的最終目的和最好價值體現(xiàn)就是它能夠方便人們用于解決實際的問題。和最好價值體現(xiàn)就是它能夠

2、方便人們用于解決實際的問題。這一章將應用這些基本規(guī)律，分析工程實踐中孔口、管嘴這一章將應用這些基本規(guī)律，分析工程實踐中孔口、管嘴出流以及有壓輸水管道的水力計算問題。出流以及有壓輸水管道的水力計算問題。 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(出流的分類出流的分類自由出流自由出流: :淹沒出流淹沒出流: :H1HH2H流體流入大氣流體流入大氣流體流入液體空間流體流入液體空間有壓管流有壓管流發(fā)生在有壓管道中的流動。發(fā)生在有壓管道中的流動。無壓管流無壓管流若流體沒有充滿管道，存在自由表明的流動。若流體沒有充滿管道，存在自由表明的流

3、動。 有壓管道：斷面形狀為圓形，流體充滿整個管道，斷面的周界就是濕有壓管道：斷面形狀為圓形，流體充滿整個管道，斷面的周界就是濕周，管道的邊壁處處受到壓力的作用，這個壓力一般大于大氣壓，因周，管道的邊壁處處受到壓力的作用，這個壓力一般大于大氣壓，因此這種輸流管道稱為有壓管道。此這種輸流管道稱為有壓管道。流流 體體管管 壁壁有壓管道有壓管道流體自由面流體自由面 管管 壁壁無壓管道無壓管道 管道按布置分為管道按布置分為 簡單管道簡單管道 復雜管道復雜管道 串聯(lián)管道串聯(lián)管道 并聯(lián)管道 分叉管道分叉管道 管徑不變無分叉管徑不變無分叉 均勻泄流管道均勻泄流管道 根據(jù)兩種水頭損失大小比重的不同，可分為：根據(jù)

4、兩種水頭損失大小比重的不同，可分為：長管長管 短管短管 長管長管是指水頭損失以沿程水頭損失為主，流速水頭與局是指水頭損失以沿程水頭損失為主，流速水頭與局部水頭損失之和在總水頭中所占比重很小小于總水頭的部水頭損失之和在總水頭中所占比重很小小于總水頭的5%5%），因而計算時可將其忽略。），因而計算時可將其忽略。 短管短管短管是指在管道的總水頭中沿程水頭損失和局水頭短管是指在管道的總水頭中沿程水頭損失和局水頭損失都占有相當比例，即流速水頭與局部水頭損失之和在損失都占有相當比例，即流速水頭與局部水頭損失之和在總水頭中所占比重超過總水頭的總水頭中所占比重超過總水頭的5%5%，不能忽略任何一種。，不能忽略

5、任何一種。2211 1122ccccwpVpVzzhgggg22200000222cccVVVHggg22022cccVVHgg2()2ccVg012ccVgH孔口水頭孔口水頭行近水頭行近水頭全水頭全水頭02cVgH012ccVgH稱為流速系數(shù)，稱為流速系數(shù)，0.970.97cAA稱為孔口收縮系數(shù)，稱為孔口收縮系數(shù)，0.640.6402ccQAVAgH 02QAgH稱為孔口流量系數(shù)，稱為孔口流量系數(shù)，0.620.622211 1222121 222wpVpVzzhgggg221 122120022wVVHHhgg2222ccwEVVhgg012cEVgH02gH221 122012()()22

6、VVHHHgg分別分別代表代表收縮收縮和擴和擴散產(chǎn)散產(chǎn)生的生的水頭水頭損失損失02ccQAVAgH 02QAgH012ccVgH02QAgH012cEVgH02QAgHt =0t = TH1H2h2dVAghdtdVdh2dtdhAgh211202()22HTHdhTdtHHAghAg0122THAg2QAgh1max1222HVQAgH變水頭時放空或充滿變水頭時放空或充滿容器所需的時間是水容器所需的時間是水頭不變的恒定流流出頭不變的恒定流流出相同體積時間的相同體積時間的2 2倍倍2211 12221222wpVpVzzhgggg2221 1000222VVVHggg012VgH110.821

7、 0.502gH0.82110.821 0.502QAVAgH12211 12221222wpVpVzzhgggg220000022wVVHhgg012VgHld02cQAVAgH2()2wlVhdg作用水頭作用水頭H0H0管道流量系數(shù)管道流量系數(shù)cc2211 12221222wpVpVzzhgggg221 122120022wVVHHhgg0wHh012VgHld02cQAVAgH2()2wlVhdg2211 12221222wpVpVzzhggggfHhVC RJQAC RJfHhVC RJ22VJC R22fVhHlC R222QJA C RQKJ222fQhHlA C R22QJK22

8、fQhHlKKAC R對于恒定流，有壓管道的水力計算主要有下列幾種：對于恒定流，有壓管道的水力計算主要有下列幾種： 當管道的布置、斷面尺寸當管道的布置、斷面尺寸d d 及作用水頭及作用水頭H H 已知時，要求確定管已知時，要求確定管道通過的流量。道通過的流量。 例例 6.16.1圖圖o=0.5彎=0.5閥=0.5e=0.5排水管滲水池集水井 例例6.1 6.1 計算某水電廠由滲水計算某水電廠由滲水池排入集水井的流量，已知池排入集水井的流量，已知排水管的糙率排水管的糙率 ，管，管徑徑 ，管長，管長 ，其，其他數(shù)據(jù)如圖所示。他數(shù)據(jù)如圖所示。 0125. 0nmmd150ml20由圖可知該排水裝置系

9、淹沒出流，其計算公式為由圖可知該排水裝置系淹沒出流，其計算公式為在淹沒出流情況下，作用水頭為上、下游水位差在淹沒出流情況下，作用水頭為上、下游水位差gHAQc2mH3 . 67 .384528.46)415. 0(0125. 01)4(16161dnC0125. 0nmmd150根據(jù)根據(jù)和和，0367. 028.468 . 98822Cg89. 415. 0200367. 0dl6 . 40 . 10 . 21 . 15 . 0iicdl1325. 06 . 489. 41c流量系數(shù)流量系數(shù) slsmgHdQC64064. 03 . 68 . 92415. 0325. 024322解：解：61

10、221,RnCRACKlKQhHf供水工程中當供水工程中當 時時smv2 . 1lKQkhHf22當當 時時smv2 . 11k這種類型的題一般在輸流工程中用到的較多，按長管計算：這種類型的題一般在輸流工程中用到的較多，按長管計算：或者用查表法?；蛘哂貌楸矸āＪ街惺街衚 k 查表可得查表可得lKQkhHf22式中式中 例例6.2 6.2 由水塔向工廠供水，如下圖，采用鑄鐵管，管長由水塔向工廠供水，如下圖，采用鑄鐵管，管長2500m2500m，管徑管徑400mm400mm。水塔處地形標高為。水塔處地形標高為 ，工廠需水，工廠需水量量 ，工廠地形標高，工廠地形標高 ，管路末端需要的自由水，管路末端

11、需要的自由水頭頭 ，試設計水塔高度，試設計水塔高度H H。 m611smQ3152. 0m452mH2521H1水 塔2H2H例例 圖圖6.26.2當管徑當管徑 ，查表鑄鐵管，查表鑄鐵管因為管道的長度較大，考慮按照長管計算。因為管道的長度較大，考慮按照長管計算。列出水廠斷面和工廠斷面的能量方程列出水廠斷面和工廠斷面的能量方程解：解：fhHH2211mmd400slK310464. 2smdQv21. 14 . 0152. 044221kmlKQkhf5 . 92500464. 2152. 02222mhHHf5 .185 . 92561452121，所以，所以1. 1. 管道的輸流能力管道的輸

12、流能力Q Q，管長，管長l l 及管道的總水頭及管道的總水頭H H 均已確定。均已確定。 對于長管對于長管lHQHlQKlKQH222,求得求得K K值后反查表就可得值后反查表就可得d d 對于短管對于短管dlgHQdgHdgHAdlQcCC11,24242112采用試算法采用試算法2. 2. 管道的輸流能力，管長已知，要求選定所需的管徑及相應的水頭。管道的輸流能力，管長已知，要求選定所需的管徑及相應的水頭。 管道的技術(shù)要求。流量一定的條件下，所選管徑的大小影響著管中管道的技術(shù)要求。流量一定的條件下，所選管徑的大小影響著管中的流速，所選管徑應使流速控制在既不會產(chǎn)生過大的壓力，降低管道的的流速，

13、所選管徑應使流速控制在既不會產(chǎn)生過大的壓力，降低管道的使用壽命，又不能過小，使泥沙沉積，阻塞管路。一般情況下，水電站使用壽命，又不能過小，使泥沙沉積，阻塞管路。一般情況下，水電站引水管中流速不應大于引水管中流速不應大于5 56 6m/s m/s ，給水管中的流速不應大于，給水管中的流速不應大于2.52.53 3m/sm/s，不應小于，不應小于0.25m/s 0.25m/s 。 管道的經(jīng)濟效益。重要的管道在選取管徑時一般應選擇幾個方案進管道的經(jīng)濟效益。重要的管道在選取管徑時一般應選擇幾個方案進行比選，選出一種方案，使得管道投資和運轉(zhuǎn)的總費用最小，但是工行比選，選出一種方案，使得管道投資和運轉(zhuǎn)的總

14、費用最小，但是工程中，費用最小的并非各方面最優(yōu)或可行，往往是選一種經(jīng)濟上合理程中，費用最小的并非各方面最優(yōu)或可行，往往是選一種經(jīng)濟上合理工程上可行的方案作為最終設計方案，這樣選定的流速稱為經(jīng)濟流速，工程上可行的方案作為最終設計方案，這樣選定的流速稱為經(jīng)濟流速，對應的直徑為經(jīng)濟直徑。具體數(shù)值可參照有關(guān)設計手冊。對應的直徑為經(jīng)濟直徑。具體數(shù)值可參照有關(guān)設計手冊。 這是工程中常見的實際問題。通常是從技術(shù)和經(jīng)濟兩方面綜合考慮，這是工程中常見的實際問題。通常是從技術(shù)和經(jīng)濟兩方面綜合考慮，確定滿足技術(shù)要求的經(jīng)濟流速。確定滿足技術(shù)要求的經(jīng)濟流速。 根據(jù)能量方程，管路中任意斷面處的測壓管水頭為：根據(jù)能量方程，

15、管路中任意斷面處的測壓管水頭為：gvhhHpzijfi2)()(200 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水頭處的測壓管水頭等于總水頭H0 H0 減去該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。把各斷面的測壓管水頭連接起來，就得到整個管路的測壓水頭。把各斷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。管水頭線。如果您有任何問題，如果您有任何問題，請毫不猶豫地提出請毫不猶豫地提出 ! !In case of you have any In case of you have any

16、question, DO NOT question, DO NOT hesitate to ask me !hesitate to ask me ! 虹吸管是一種壓力輸水管道虹吸管是一種壓力輸水管道, ,（如圖（如圖頂部彎曲且其高程高于上游供水水面。頂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，使作用在上游若在虹吸管內(nèi)造成真空，使作用在上游水面的大氣壓強和虹吸管內(nèi)壓強之間產(chǎn)水面的大氣壓強和虹吸管內(nèi)壓強之間產(chǎn)生壓差，水流即能超過虹吸管最高處流生壓差，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論上不能向低處。虹吸管頂部的真空理論上不能大于最大真空值，即大于最大真空值，即1010

17、米高水柱。實際米高水柱。實際上當虹吸管內(nèi)壓強接近該溫度下的汽化上當虹吸管內(nèi)壓強接近該溫度下的汽化壓強時，液體將產(chǎn)生汽化，破壞水流的壓強時，液體將產(chǎn)生汽化，破壞水流的連續(xù)性。故一般不使虹吸管中的真空值連續(xù)性。故一般不使虹吸管中的真空值大于大于7 78 8米。米。虹吸管示意圖虹吸管示意圖1. 1. 虹吸管流量的計算虹吸管流量的計算 2. 2. 虹吸管安裝高度的計算虹吸管安裝高度的計算 根據(jù)淹沒出流的公式計算根據(jù)淹沒出流的公式計算 gHAQS2dlS1以下游斷面為基準面，列出上游斷面和頂部斷面的能量方程以下游斷面為基準面，列出上游斷面和頂部斷面的能量方程wchgvgpzHgpH2020whgppz0

18、得得式中式中 為虹吸管的允許真空度為虹吸管的允許真空度, ,用用 表示表示 gpp0vh 1. 1. 吸水管的水力計算。吸水管的水力計算。 吸水管的計算在于確定吸水管的管徑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程。及水泵的最大允許安裝高程。水泵水力計算示意圖水泵水力計算示意圖吸水管的管徑一般按允許流速計算，吸水管的管徑一般按允許流速計算，允許流速約為允許流速約為0.80.81.25m/s1.25m/s。計算。計算公式為公式為水泵的最大允許安裝高程水泵的最大允許安裝高程ZsZs，主，主要取決于水泵的最大允許真空度要取決于水泵的最大允許真空度hvhv和吸水管的水頭損失。和吸水管的水頭損失。vQd4 2. 2. 壓水管的水力計算。壓水管的水力計算。 壓力水管的計算在于決定必需的管壓力水管的計算在于決定必需的管徑及水泵的裝機容量。徑及水泵的裝機容量。水泵水力計算示意圖水泵水力計算示意圖壓力管的管徑是由經(jīng)濟