第五章 孔口、管嘴出流與有壓管路

1、孔口、管嘴出流和孔口、管嘴出流和有壓管路有壓管路 第五章第五章孔口出流管嘴出流有壓管道：有壓管道：管道周界上的各點(diǎn)均受到液體壓強(qiáng)的管道周界上的各點(diǎn)均受到液體壓強(qiáng)的作用。作用。有壓管中的恒定流有壓管中的恒定流：有壓管中液體的運(yùn)動(dòng)要素不：有壓管中液體的運(yùn)動(dòng)要素不隨時(shí)間而變。隨時(shí)間而變。本章綱要：n第一節(jié)第一節(jié) 液體經(jīng)薄壁孔口的恒定出流液體經(jīng)薄壁孔口的恒定出流 n第二節(jié)第二節(jié) 液體經(jīng)管嘴的恒定出流液體經(jīng)管嘴的恒定出流 n第三節(jié)第三節(jié) 短管的水力計(jì)算短管的水力計(jì)算n第四節(jié)第四節(jié) 長(zhǎng)管的水力計(jì)算長(zhǎng)管的水力計(jì)算 n第五節(jié)第五節(jié) 管網(wǎng)水力計(jì)算基礎(chǔ)管網(wǎng)水力計(jì)算基礎(chǔ)第一節(jié)第一節(jié) 液體經(jīng)薄壁孔口的恒定出流液體經(jīng)薄

2、壁孔口的恒定出流 一、孔口出流的分類(lèi)與特點(diǎn)一、孔口出流的分類(lèi)與特點(diǎn)n據(jù)據(jù)d/Hd/H的比值：的比值：小孔口小孔口d/H 0.1 d/H 0.1 ，大孔口，大孔口d/H0.1d/H0.1。n據(jù)運(yùn)動(dòng)要素是否隨時(shí)間變化：據(jù)運(yùn)動(dòng)要素是否隨時(shí)間變化： 恒定出流和非恒定出流恒定出流和非恒定出流 n據(jù)孔口邊緣：據(jù)孔口邊緣： 薄壁孔口和厚壁孔口。薄壁孔口和厚壁孔口。n據(jù)下游出流條件：據(jù)下游出流條件：自由出流淹沒(méi)出流二、薄壁小孔口的自由出流二、薄壁小孔口的自由出流收縮斷面收縮斷面c-cc-c：約在距孔口：約在距孔口d d/2/2處收縮完畢，處收縮完畢，流流線(xiàn)在此趨于平行線(xiàn)在此趨于平行。000221gHgHvcc

3、建立0-0和c-c斷面的能量方程000200221,2)(gHvgHvgvHccccc000200221,2)(gHvgHvgvHccccc02002HgvH02002HgvH011其中令cc/令02gHQ0022gHgHvQcc令gvgvgvHccc222202200流速系數(shù)0.970.98定義為收縮系數(shù)流量系數(shù)（作用水頭）薄壁小孔口出流的各項(xiàng)系數(shù)薄壁小孔口出流的各項(xiàng)系數(shù) n流速系數(shù) ，實(shí)驗(yàn)測(cè)得約為 0.970.98。n孔口的局部阻力系數(shù)0n孔口的收縮系數(shù)n孔口的流量系數(shù) ，對(duì)薄壁小孔口= 0.600.62。 00111c06. 097. 011122064.0/c三、薄壁小孔口的淹沒(méi)出流三

4、、薄壁小孔口的淹沒(méi)出流建立1-1和2-2斷面的能量方程gvgvgvgvzcc2222220222211擴(kuò)gvzc2) 1(20gzgzvc22110gzgzvQcc22流速、流量流速、流量與孔口的淹與孔口的淹沒(méi)深度無(wú)關(guān)沒(méi)深度無(wú)關(guān)gzgzvc2211gzgzQ220022gHgHQ00221gHgHvc淹沒(méi)出流和自由出流流量系數(shù)相等孔口大小一定,出流能力相等H0和和z是促成是促成孔口出孔口出流的作流的作用水頭用水頭gzgzvc2211gzgzQ22孔板流量計(jì)P03bl3aab 完善不完善全部收全部收縮孔口縮孔口 完善收縮：孔口與相鄰壁面的距離大于孔完善收縮：孔口與相鄰壁面的距離大于孔 口尺寸的口

5、尺寸的3倍，出流不受壁面影響倍，出流不受壁面影響 。 不完善收縮：不完善收縮： 四、四、影響影響 的因素的因素 第二節(jié)第二節(jié) 液體經(jīng)管嘴的恒定出流液體經(jīng)管嘴的恒定出流 n外接外接l=(3l=(34)d4)d的短管的短管n水流進(jìn)入管嘴水流進(jìn)入管嘴, , 先收縮，后擴(kuò)大至滿(mǎn)管出流。先收縮，后擴(kuò)大至滿(mǎn)管出流。 一、一、圓柱形外管嘴的恒定出流圓柱形外管嘴的恒定出流gvgvgvHn22222200管嘴出流的流速系數(shù)82.05.0112212)(0020nnnngHgHvgvH)82. 0(20nnngHvQ建立0-0和b-b斷面的能量方程)82. 0(20nnngHvQ管嘴出流的流速系數(shù)82.05.01

6、12212)(0020nnnngHgHvgvH管嘴出流的流速系數(shù)82.05.0112212)(0020nnnngHgHvgvH0.5管道進(jìn)口損失系數(shù)n管路進(jìn)管路進(jìn)口損失口損失 02gHQ02gHQn比較孔口出流管嘴出流nn= 0.82 ;= 0.62 nn= 1.32n在相同條件，管嘴的過(guò)流能力是孔口的1.32倍。 建立0-0和c-c斷面的能量方程。二、二、圓柱形外管嘴的真空?qǐng)A柱形外管嘴的真空 )(212)(22200200202200cacccccaccccappHgvgvppHgvgvpgvpH)(2)(200cacaccppHgppHgvQ)(212)(22200200202200cac

7、ccccaccccappHgvgvppHgvgvpgvpH)(212)(22200200202200cacccccaccccappHgvgvppHgvgvpgvpH000020220021)(222gHvppHgvgvpgvpHccccacccca孔口出流00075.0)(262.0282.0HppppHggHcaca故圓柱形外管嘴的正常工作條件 n收縮斷面的真空受限制,。n圓柱形外管嘴的正常工作條件是：n(1)作用水頭H09米；n(2)管嘴長(zhǎng)度l=(34)d。 OmHppca27n工程上為了增加孔口的泄水能力或?yàn)榱嗽黾?減少)出口的速度，常采用不同的管嘴形式。三、其他形式的管嘴三、其他形式的

8、管嘴 圓錐形擴(kuò)張管嘴，較大 圓錐形收斂管嘴， 流線(xiàn)形管嘴，過(guò)流能力，較小出口流 較大出口流速，阻力系數(shù)小，速，水輪機(jī)尾水管。 水力挖土機(jī)噴嘴。 水壩泄水管 孔口、管嘴的水力特性有壓管道：有壓管道：管道周界上的各點(diǎn)均受到液體壓強(qiáng)的管道周界上的各點(diǎn)均受到液體壓強(qiáng)的作用。作用。有壓管中的恒定流有壓管中的恒定流：有壓管中液體的運(yùn)動(dòng)要素不：有壓管中液體的運(yùn)動(dòng)要素不隨時(shí)間而變。隨時(shí)間而變。第三節(jié)第三節(jié) 短管的水力計(jì)算短管的水力計(jì)算n1.1.短管和長(zhǎng)管短管和長(zhǎng)管 n 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(jì)的管道；失都不能忽略不計(jì)的管道；n 長(zhǎng)管長(zhǎng)管是

9、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(jì)算中可忽略的管道沿程水頭損失，在計(jì)算中可忽略的管道. .n（局部水頭損失（局部水頭損失+ +流速水頭）流速水頭）5%5%的沿程水頭損失，的沿程水頭損失，可以按長(zhǎng)管計(jì)算?？梢园撮L(zhǎng)管計(jì)算。通常通常l/d1000l/d1000管道分類(lèi) 簡(jiǎn)單管道簡(jiǎn)單管道: :指直徑和流量沿流程不變且無(wú)分支的管指直徑和流量沿流程不變且無(wú)分支的管道；道；否則為否則為復(fù)雜管道復(fù)雜管道簡(jiǎn)單管道簡(jiǎn)單管道串聯(lián)管道串聯(lián)管道并聯(lián)管道并聯(lián)管道2.簡(jiǎn)單管道和復(fù)雜管道簡(jiǎn)單管道和復(fù)雜管道自由出流自由出流淹沒(méi)出流淹沒(méi)出流3.3.自由出流和淹沒(méi)出流自由出流和

10、淹沒(méi)出流一、一、簡(jiǎn)單短管自由出流 gvgvdlgvgvH2222222200gvHH22000gvdlgvdlH2)1 (2)(22002gHvQcdlc11管路流量系數(shù) 0211gHdlv二、二、簡(jiǎn)單短管淹沒(méi)出流 gvdlhzw2)(2gzdlv21出口gzvQc2出口dlc11出口0211gHdlv三、三、水頭線(xiàn)的繪制 繪制從管道繪制從管道進(jìn)口以后進(jìn)口以后到到出口以前出口以前的總水頭線(xiàn)。的總水頭線(xiàn)。gvhmgvdlhf2222Z+p/r總水總水頭線(xiàn)頭線(xiàn)00gv220原始原始總水總水頭頭gv22總水頭線(xiàn)減去速度水頭得測(cè)壓管水頭線(xiàn)總水頭線(xiàn)減去速度水頭得測(cè)壓管水頭線(xiàn) 計(jì)算各項(xiàng)局部水頭損失和各管段

11、的沿程水頭損失。計(jì)算各項(xiàng)局部水頭損失和各管段的沿程水頭損失。hfgvhmgvdlhf2222總水總水頭線(xiàn)頭線(xiàn)00gv220原始原始總水總水頭頭gv2200gv220gv2200gv22000gv220gv220原始原始總水總水頭頭最終最終總水總水頭頭管道流速水頭管道流速水頭 v2/2g原始原始總水總水頭頭00gv220gv220管道流速水頭管道流速水頭 v2/2g最終最終總水總水頭頭00管道流速水頭管道流速水頭 v2/2g最終最終總水總水頭頭考慮考慮行近行近流速流速忽略忽略行近行近流速流速注意事項(xiàng) 進(jìn)口：注意總水頭線(xiàn)的起點(diǎn)。 出口：注意測(cè)壓管水頭線(xiàn)的終點(diǎn)。 沒(méi)有額外的能量輸入時(shí)，總水頭線(xiàn)總是下

12、降的，有額外的能量輸入時(shí)，總水頭線(xiàn)突然抬高。舉例短管自由出流短管自由出流 短管淹沒(méi)出流短管淹沒(méi)出流 有負(fù)壓的短管一有負(fù)壓的短管一V00202Vg22Vg00z此斷面相此斷面相對(duì)壓強(qiáng)對(duì)壓強(qiáng)p/01122總水頭線(xiàn)總水頭線(xiàn)測(cè)壓管水測(cè)壓管水頭線(xiàn)頭線(xiàn)管道管道v2/2g1、總水頭線(xiàn)一定沿程降低2、測(cè)壓管水頭線(xiàn)沿程可升可降。（斷面擴(kuò)大升，一般情況降）z/pgv22 13420000v22/2g最終最終總水總水頭頭v12/2gL1L2思考:突擴(kuò)斷面的壓能變化規(guī)律?ZZs吸水管吸水管壓水管壓水管總水頭線(xiàn)總水頭線(xiàn)測(cè)壓管水測(cè)壓管水頭線(xiàn)頭線(xiàn)3、已知Q、H0 、l、 、 ，求 d1、已知Q、d、l、 、 ，求H0四、短

13、管水力計(jì)算問(wèn)題四、短管水力計(jì)算問(wèn)題 2、已知H0 、d、l、 、 ，求Q試算whgvpzgvpz2222222211114、已知Q、H0 、l、 、 ， d,求p虹吸管虹吸管: :一種壓力輸水一種壓力輸水管道管道頂部高程高于頂部高程高于上游供水水面上游供水水面利用真空作用輸水利用真空作用輸水。為防止汽化，允許最大真為防止汽化，允許最大真空值空值hv=(7hv=(78mH2O)8mH2O)；1.虹吸管的水力計(jì)算虹吸管的水力計(jì)算虹吸管的優(yōu)點(diǎn)在于能跨越高地，減少挖方虹吸管的優(yōu)點(diǎn)在于能跨越高地，減少挖方。虹吸管長(zhǎng)度一般不大，應(yīng)按短管計(jì)算。虹吸管長(zhǎng)度一般不大，應(yīng)按短管計(jì)算。2.水泵的水力計(jì)算Z:提水高度

14、提水高度Zs :安裝高度安裝高度ZZs吸水管吸水管壓水管壓水管水泵的揚(yáng)程水泵的揚(yáng)程:水泵向單位重量液體所提供水泵向單位重量液體所提供的機(jī)械能的機(jī)械能,用用Ht表示。表示。Ht水泵的水力計(jì)算：水泵的水力計(jì)算：n吸水管和壓力水管管徑計(jì)算吸水管和壓力水管管徑計(jì)算n最大允許安裝高度計(jì)算最大允許安裝高度計(jì)算n水泵揚(yáng)程計(jì)算水泵揚(yáng)程計(jì)算l吸水管和壓力水管管徑計(jì)算吸水管和壓力水管管徑計(jì)算 吸水管的經(jīng)濟(jì)流速約為吸水管的經(jīng)濟(jì)流速約為0.82m/s壓力水管經(jīng)濟(jì)流速壓力水管經(jīng)濟(jì)流速1.52.5m/s允vQd4 吸水管的管徑一般是根據(jù)經(jīng)濟(jì)流速計(jì)算吸水管的管徑一般是根據(jù)經(jīng)濟(jì)流速計(jì)算由由Q=v,管徑可按下式計(jì)算管徑可按下式

15、計(jì)算l水泵的最大允許安裝高程水泵的最大允許安裝高程ZZs吸水管吸水管壓水管壓水管1122002122222wsahgvpzpgvgvdlgvppzas22222222222對(duì)對(duì)1和和2斷面列能量方程斷面列能量方程gvlhzvs2)(222l水泵揚(yáng)程的水力計(jì)算水泵揚(yáng)程的水力計(jì)算ZZs吸水管吸水管壓水管壓水管110330對(duì)對(duì)1和和3斷面列能量方程斷面列能量方程表明揚(yáng)程一方面是用來(lái)將水流提高一個(gè)幾何高表明揚(yáng)程一方面是用來(lái)將水流提高一個(gè)幾何高度，另一方面是用來(lái)克服水頭損失度，另一方面是用來(lái)克服水頭損失310wthzH壓力管吸水管wwthhzH第四節(jié)第四節(jié) 長(zhǎng)管的水力計(jì)算長(zhǎng)管的水力計(jì)算 一、簡(jiǎn)單管路一、

16、簡(jiǎn)單管路 mfhhgvgvH22222212gvdlhHf22總水總水頭線(xiàn)頭線(xiàn)gv220gv22hfH:作用水頭作用水頭(沿程損失的提供沿程損失的提供者）者）22441dQvvdQ,8216252422lQdgdgQdlhf528dgA2AlQhfgvdlhHf22A:管路比阻管路比阻比阻比阻A A的計(jì)算的計(jì)算5.30.001736AdkAdvA3 . 53 . 0001736. 0867. 01852. 0當(dāng)當(dāng)V1.2m/s(阻力平方區(qū)阻力平方區(qū))當(dāng)當(dāng)V1.2m/s (過(guò)渡區(qū)過(guò)渡區(qū)) 528dgA3 . 0867. 01852. 0vk令3 . 03 . 0)867. 01 (0179. 0

17、s/m2 . 1vdv3 . 00210. 0s/m2 . 1dv舍維列夫公式舍維列夫公式過(guò)渡區(qū)修過(guò)渡區(qū)修正系數(shù)正系數(shù)已知已知:管長(zhǎng)管長(zhǎng)2500m,鑄鐵管內(nèi)徑鑄鐵管內(nèi)徑400mm, H1=18m,管管路末端需自由水頭路末端需自由水頭H2=25m, 1=61m,2=45m求通過(guò)管路的流量求通過(guò)管路的流量mHHhfhfHH92545186122112211d=400mm，計(jì)算得，計(jì)算得A=0.2232s2/m6smAlhfQ/127. 025002232. 093驗(yàn)算是否在阻力平方區(qū)，計(jì)算驗(yàn)算是否在阻力平方區(qū)，計(jì)算v=1.01m/s400mm ve=1.01.4m/s先選定先選定vd計(jì)計(jì)d標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)

18、驗(yàn)算驗(yàn)算v2、計(jì)算各管段的水頭損失、計(jì)算各管段的水頭損失 2AlQhfvQd43、確定控制點(diǎn)：、確定控制點(diǎn)：水塔至該點(diǎn)的水頭損失水塔至該點(diǎn)的水頭損失+該點(diǎn)的地形標(biāo)高該點(diǎn)的地形標(biāo)高+該點(diǎn)要求的自由水頭該點(diǎn)要求的自由水頭=最大值最大值1222122211AlQHHAlQHH4、計(jì)算水塔高、計(jì)算水塔高Ht ：1 1、確定各管段流量、確定各管段流量, ,按經(jīng)濟(jì)流速按經(jīng)濟(jì)流速確定管徑確定管徑1m/sev 3-4管段，Q=25l/s，采用經(jīng)濟(jì)流速選鑄鐵管, d=200mmA9.029, 因0.8m/s1.2m/s，在過(guò)渡區(qū)2、計(jì)算各管段的水頭損失、計(jì)算各管段的水頭損失 v=0.8m/s修正系數(shù)k=1.06已知數(shù)值計(jì)算所得數(shù)值管段管長(zhǎng)(m)流量Q(l/s)d(mm)流速v(m/s)A(s2/m6)修正系數(shù)khf(m)左支線(xiàn)3-42-31-23503502002545802