第五章管流損失和水力計(jì)算X

1、第五章第五章管流損失和水力計(jì)算管流損失和水力計(jì)算 管內(nèi)流動(dòng)的能量損失管內(nèi)流動(dòng)的能量損失 黏性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)黏性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài) 管道入口段中的流動(dòng)管道入口段中的流動(dòng) 圓管中流體的層流流動(dòng)圓管中流體的層流流動(dòng) 黏性流體的湍流流動(dòng)黏性流體的湍流流動(dòng) 沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究第五章第五章管流損失和水力計(jì)算管流損失和水力計(jì)算液體的出流液體的出流水擊現(xiàn)象水擊現(xiàn)象氣穴和氣蝕現(xiàn)象氣穴和氣蝕現(xiàn)象 非圓形管道沿程損失的計(jì)算非圓形管道沿程損失的計(jì)算 局部損失局部損失 管道水力計(jì)算管道水力計(jì)算5.1 5.1 管內(nèi)流動(dòng)的能量損失管內(nèi)流動(dòng)的能量損失兩大類(lèi)流動(dòng)能量損失兩大類(lèi)流動(dòng)能量損失: :一、沿程能量

2、損失一、沿程能量損失 發(fā)生在緩變流整個(gè)流程中的能量發(fā)生在緩變流整個(gè)流程中的能量損失，由流體的損失，由流體的黏滯力黏滯力造成的損失。造成的損失。gvdlhf22fh單位重力流體的沿程能量損失單位重力流體的沿程能量損失沿程損失系數(shù)沿程損失系數(shù)l管道長(zhǎng)度管道長(zhǎng)度d管道內(nèi)徑管道內(nèi)徑gv22單位重力流體的動(dòng)壓頭（速度水頭）。單位重力流體的動(dòng)壓頭（速度水頭）。2.2.局部能量損失局部能量損失 1.1.沿程能量損失沿程能量損失5.1 5.1 管內(nèi)流動(dòng)的能量損失管內(nèi)流動(dòng)的能量損失二、局部能量損失二、局部能量損失 發(fā)生在流動(dòng)狀態(tài)急劇變化的急變流中的能量損失，即在發(fā)生在流動(dòng)狀態(tài)急劇變化的急變流中的能量損失，即在管

3、件附近的局部范圍內(nèi)主要由流體微團(tuán)的碰撞、流體中產(chǎn)生管件附近的局部范圍內(nèi)主要由流體微團(tuán)的碰撞、流體中產(chǎn)生的漩渦等造成的損失。的漩渦等造成的損失。gvhj22jh單位重力流體的局部能量損失。單位重力流體的局部能量損失。gv22單位重力流體的動(dòng)壓頭（速度水頭）。單位重力流體的動(dòng)壓頭（速度水頭）。局部損失系數(shù)局部損失系數(shù)5.1 5.1 管內(nèi)流動(dòng)的能量損失管內(nèi)流動(dòng)的能量損失三、總能量損失三、總能量損失 整個(gè)管道的能量損失是分段計(jì)算出的能量損失的疊加。整個(gè)管道的能量損失是分段計(jì)算出的能量損失的疊加。wh總能量損失?？偰芰繐p失。jfwhhh5.2 5.2 黏性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)黏性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)一、雷諾

4、實(shí)驗(yàn)一、雷諾實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置顏料水箱玻璃管細(xì)管閥門(mén)5.2 5.2 黏性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)黏性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)一、雷諾實(shí)驗(yàn)一、雷諾實(shí)驗(yàn)( (續(xù)續(xù)) )實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象過(guò)渡狀態(tài)過(guò)渡狀態(tài)湍流湍流層流層流層流層流：整個(gè)流場(chǎng)呈一簇互相平行的流線。：整個(gè)流場(chǎng)呈一簇互相平行的流線。著色流束為一條明晰細(xì)小的直線。著色流束為一條明晰細(xì)小的直線。湍流湍流：流體質(zhì)點(diǎn)作復(fù)雜的無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。：流體質(zhì)點(diǎn)作復(fù)雜的無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。著色流束與周?chē)黧w相混，顏色擴(kuò)散至著色流束與周?chē)黧w相混，顏色擴(kuò)散至整個(gè)玻璃管。整個(gè)玻璃管。過(guò)渡狀態(tài)過(guò)渡狀態(tài)：流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)處于不穩(wěn)定：流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。著色流束開(kāi)始振蕩。狀態(tài)。著色

5、流束開(kāi)始振蕩。5.2 5.2 黏性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)黏性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)一、雷諾實(shí)驗(yàn)一、雷諾實(shí)驗(yàn)( (續(xù)續(xù)) )實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象( (續(xù)續(xù)) )5.2 5.2 黏性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)黏性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)二、兩種流動(dòng)狀態(tài)的判定二、兩種流動(dòng)狀態(tài)的判定1 1、實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)2、臨界流速臨界流速crv下臨界流速下臨界流速crv上臨界流速上臨界流速層層 流：流：不穩(wěn)定流：不穩(wěn)定流：紊紊 流：流：crvv crcrvvvcrvv 流動(dòng)較穩(wěn)定流動(dòng)較穩(wěn)定流動(dòng)不穩(wěn)定流動(dòng)不穩(wěn)定crvv crvv 5.2 5.2 黏性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)黏性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)二、兩種流動(dòng)狀態(tài)的判定（續(xù)）二、兩種流動(dòng)狀態(tài)的判定

6、（續(xù)）3、臨界雷諾數(shù)臨界雷諾數(shù)層層 流：流：不穩(wěn)定流：不穩(wěn)定流：紊紊 流：流：2320Recr下臨界雷諾數(shù)下臨界雷諾數(shù)13800eRcr上臨界上臨界雷諾數(shù)雷諾數(shù)crReRe crcreRReRecreRReRe2320cr工程上常用下臨界雷諾數(shù)判別流態(tài)：工程上常用下臨界雷諾數(shù)判別流態(tài)：Re2320Re2320層層 流：流：紊紊 流：流：vdRe雷諾數(shù)雷諾數(shù)5.2 5.2 黏性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)黏性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)例：水在內(nèi)徑d=0.1m的圓管中流動(dòng)，平均流速v=0.5m/s，水的運(yùn)動(dòng)黏度=110-6 m2/s，水在管中呈何種流動(dòng)狀態(tài)？假設(shè)管中的流體是油，流速不變，油的運(yùn)動(dòng)黏度=3110-6

7、m2/s，那么油在管中呈何種流態(tài)？解：水的雷諾數(shù)為：4-60.5 0.1Re=5 1023201 10vd所以，水在管中呈湍流狀態(tài)。 油的雷諾數(shù)為：-60.5 0.1Re=1610232031 10vd所以，油在管中呈層流狀態(tài)。 5.2 5.2 黏性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)黏性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)三、沿程損失與流動(dòng)狀態(tài)三、沿程損失與流動(dòng)狀態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置pl5.2 5.2 黏性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)黏性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)三、沿程損失與流動(dòng)狀態(tài)三、沿程損失與流動(dòng)狀態(tài)( (續(xù)續(xù)) )實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果O hfvcr vDCBAvcr 結(jié)論：結(jié)論： 沿程損失與流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，故計(jì)算各種流體通道的沿程損失，必須首先

8、判別流體的流動(dòng)狀態(tài)。層流：層流：0 . 1vhf湍流：湍流：0 . 275. 1vhflp5.3 5.3 管道入口段中的流動(dòng)管道入口段中的流動(dòng)一、邊界層一、邊界層 當(dāng)黏性流體流經(jīng)固體壁面時(shí)，在固體壁面與流體主流之間必定有一個(gè)流速變化的區(qū)域，在高速流中這個(gè)區(qū)域是緊貼壁面非常薄的一層，薄層內(nèi)速度梯度很大，該薄層稱(chēng)為邊界層。umax05.3 5.3 管道入口段中的流動(dòng)管道入口段中的流動(dòng)一、邊界層（續(xù)）一、邊界層（續(xù)） 邊界層以外，黏性不起作用，即速度梯度可視為零的區(qū)域，稱(chēng)為主體（主流）區(qū)或外流區(qū)。這一區(qū)域的流體流動(dòng)可近似看作理想流體流動(dòng)。5.3 5.3 管道入口段中的流動(dòng)管道入口段中的流動(dòng)一、邊界層

9、（續(xù)）一、邊界層（續(xù)） 流體流過(guò)光滑平板時(shí)，邊界層由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧靼l(fā)生在：56Re2 103 10c邊界層的發(fā)展Re/xu x層流邊界層湍流邊界層過(guò)渡區(qū)u5.3 5.3 管道入口段中的流動(dòng)管道入口段中的流動(dòng)二、管道入口段二、管道入口段 當(dāng)黏性流體流入圓管,由于受管壁的影響,在管壁上形成邊界層,隨著流動(dòng)的深入,邊界層不斷增厚,直至邊界層在管軸處相交,邊界層相交以前的管段,稱(chēng)為管道入口段。層流邊界層湍流邊界層充分發(fā)展的流動(dòng)L*L*（圓管內(nèi)邊界層的發(fā)展）層流湍流*/0.05ReLd *4050LdRe/ud5.3 5.3 管道入口段中的流動(dòng)管道入口段中的流動(dòng)二、管道入口段二、管道入口段( (續(xù)續(xù))

10、)入口段內(nèi)和入口段后速度分布特征入口段內(nèi)和入口段后速度分布特征層流邊界層湍流邊界層充分發(fā)展的流動(dòng)L*L*入口段內(nèi)入口段內(nèi): :入口段后入口段后: :各截面速度分布各截面速度分布不斷變化不斷變化各截面速度分布各截面速度分布均相同均相同5.4 5.4 圓管中流體的層流流動(dòng)圓管中流體的層流流動(dòng)以傾斜角為的圓截面直管道的不可壓縮黏性流體的定常層流流動(dòng)為例。 pp+( p/ l)dlmgrr0 xhgdl受力分析：受力分析：重重 力力: :側(cè)面的側(cè)面的黏滯力黏滯力: :兩端面兩端面總壓力總壓力: :gdlr)(2pr2)(2dllppr(2)rdl 5.4 5.4 圓管中流體的層流流動(dòng)圓管中流體的層流流

11、動(dòng)軸線方向列力平衡方程軸線方向列力平衡方程hpp+( p/ l)dl mgrr0 xgdl0sin2)(222gdlrrdldllpprpr0sin12grlp兩邊同除兩邊同除 r2dl得得)(2ghpdldr)(2lhglpr由于由于lhsin得，得，hhgphhhmgrr0hhvxxw一、切向應(yīng)力分布一、切向應(yīng)力分布 5.4 5.4 圓管中流體的層流流動(dòng)圓管中流體的層流流動(dòng))(2ghpdldrhhgphhhmgrr0hhvxxw二、速度分布二、速度分布 drdvx將將 代入代入 )(2ghpdldr得，得，rdrghpdlddvx)(21對(duì)對(duì)r積分得，積分得， Crghpdldvx2)(4

12、1當(dāng)當(dāng)r= r0時(shí)時(shí) vx=0，得，得 20()4rdCpghdl 故：故： )(4220ghpdldrrvxhhgphhhmgrr0hhvxx5.4 5.4 圓管中流體的層流流動(dòng)圓管中流體的層流流動(dòng)三、三、最大流速、平均流速、圓管流量、壓強(qiáng)降最大流速、平均流速、圓管流量、壓強(qiáng)降)(4220ghpdldrrvxhhgphhhmgrr0hhvxx1. 最大流速最大流速管軸處管軸處: : )(420maxghpdldrvx2. 平均平均流速流速20max201()82Vxqrdvpghvrdl 3. 圓管流量圓管流量04002()8rvxrdqrv drpghdl 水平管水平管: : lpdqv1

13、28405.4 5.4 圓管中流體的層流流動(dòng)圓管中流體的層流流動(dòng)三、三、最大流速、平均流速、圓管流量、壓強(qiáng)降最大流速、平均流速、圓管流量、壓強(qiáng)降( (續(xù)續(xù)) )4. 壓強(qiáng)降壓強(qiáng)降(流動(dòng)損失流動(dòng)損失)水平管水平管: : lpdqv1284040128dlqpvgvdlgvdlgvdlvdlvgdlvgphf22Re64264322222Re64結(jié)論：結(jié)論：層流流動(dòng)的沿程損失與平均流速的一次方成正比層流流動(dòng)的沿程損失與平均流速的一次方成正比。5.4 5.4 圓管中流體的層流流動(dòng)圓管中流體的層流流動(dòng)四、其它公式四、其它公式1. 動(dòng)能修正系數(shù)動(dòng)能修正系數(shù)結(jié)論：結(jié)論：圓管層流流動(dòng)的實(shí)際動(dòng)能等于按平均流速

14、計(jì)算圓管層流流動(dòng)的實(shí)際動(dòng)能等于按平均流速計(jì)算的動(dòng)能的二倍。的動(dòng)能的二倍。0032020322)(1 211rAxrdrrrrdAvvA2. 壁面切應(yīng)力壁面切應(yīng)力(水平管水平管)(2ghpdldrlprw202220000222228wlvl vrdrrvll22flvpghd 5.4 5.4 圓管中流體的層流流動(dòng)圓管中流體的層流流動(dòng)例：油泵沿等內(nèi)徑水平圓管道輸送重油。管長(zhǎng)例：油泵沿等內(nèi)徑水平圓管道輸送重油。管長(zhǎng)l=5000m，管內(nèi)徑，管內(nèi)徑d=0.3m，油的，油的流量流量qv=240m3/h，油的密度，油的密度=950kg/m3。試求在溫度。試求在溫度t1=40，運(yùn)動(dòng)黏度，運(yùn)動(dòng)黏度1=1.5c

15、m2/s和在溫度和在溫度t2=10,運(yùn)動(dòng)黏度運(yùn)動(dòng)黏度2=25cm2/s時(shí)，輸送重油所需的功率。時(shí)，輸送重油所需的功率。設(shè)油的密度不隨溫度變化。設(shè)油的密度不隨溫度變化。解：油在管道中的平均流速為：2244 2400.94/0.33600vqvm sd兩種油溫下的雷諾數(shù)1412420.94 0.3Re18801.5 100.94 0.3Re112.825 10vdvdRe1和Re2均小于2320，故兩種流態(tài)均為層流狀態(tài)。兩種油溫下的沿程損失系數(shù)為：5.4 5.4 圓管中流體的層流流動(dòng)圓管中流體的層流流動(dòng)112264640.0347Re188064640.567Re112.8兩種油溫下的沿程損失分別

16、為2211222250000.940.03425.55 m20.32 9.850000.940.567426 m20.32 9.8ffl vhdgl vhdg沿程損失hf是單位重力流體沿管道流動(dòng)的能量損失，因此流體在單位時(shí)間內(nèi)的能量損失應(yīng)等于流體的重力流量gqv乘以沿程損失hf。所以在兩種油溫下輸送重油所需的功率分別為：1122240950 9.825.5515.86 kW3600240950 9.8426264.4 kW3600vfvfPgq hPgq h5.4 5.4 圓管中流體的層流流動(dòng)圓管中流體的層流流動(dòng)例：如圖所示，一內(nèi)徑為例：如圖所示，一內(nèi)徑為20mm的傾斜放置的圓管，其中流過(guò)密度

17、的傾斜放置的圓管，其中流過(guò)密度=815kg/m3、黏度黏度=0.04Pas的流體，已知截面的流體，已知截面1處的壓強(qiáng)處的壓強(qiáng)p1=9.8104Pa，截面，截面2處的壓處的壓強(qiáng)強(qiáng)p2=19.6104Pa ，流體在管內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)為層流。試確定流體在管內(nèi)的，流體在管內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)為層流。試確定流體在管內(nèi)的流動(dòng)方向，并求出流體的平均流速和雷諾數(shù)。流動(dòng)方向，并求出流體的平均流速和雷諾數(shù)。解：為了確定流動(dòng)方向，需要計(jì)算截面1和2處流體的總水頭的大小。由于等截面管道在截面1和2處的平均流速相等，即速度水頭相等，而且動(dòng)能修正系數(shù)相等，因此流動(dòng)的方向取決于這兩個(gè)截面處的壓強(qiáng)水頭與位置水頭之和的大小。在截面1處：4

18、119.8 10214.27 m815 9.8pzg由于（p2 / g+z2）（ p1 / g+z1 ），流體由截面2流向截面1。在截面2處：42219.6 10024.54 m815 9.8pzg126m2m5.4 5.4 圓管中流體的層流流動(dòng)圓管中流體的層流流動(dòng)對(duì)2、1截面列伯努利方程：將 =64/Re=64/vd 代入上述伯努利方程可得平均流速，2222121222ppvvl vzzggggdg雷諾數(shù)為：2244211815 9.8 0.0219.6 109.8 10()(2)4.27 m/s3232 0.04 6815 9.8ppgdvzlg815 4.27 0.02Re17400.0

19、4vd5.5 5.5 黏性流體的湍流流動(dòng)黏性流體的湍流流動(dòng)一、一、湍流流動(dòng)、時(shí)均值、脈動(dòng)值、時(shí)均定常流動(dòng)湍流流動(dòng)、時(shí)均值、脈動(dòng)值、時(shí)均定常流動(dòng)1. 湍流流動(dòng)湍流流動(dòng) 流體質(zhì)點(diǎn)相互摻混，作無(wú)定向、無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)在時(shí)間和空間流體質(zhì)點(diǎn)相互摻混，作無(wú)定向、無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)在時(shí)間和空間都是具有隨機(jī)性質(zhì)的運(yùn)動(dòng)都是具有隨機(jī)性質(zhì)的運(yùn)動(dòng), ,屬于非定常流動(dòng)。屬于非定常流動(dòng)。t5.5 5.5 黏性流體的湍流流動(dòng)黏性流體的湍流流動(dòng)2.時(shí)均值、脈動(dòng)值時(shí)均值、脈動(dòng)值 在時(shí)間間隔在時(shí)間間隔t內(nèi)某一流動(dòng)參量的平均值稱(chēng)為該流動(dòng)參量的內(nèi)某一流動(dòng)參量的平均值稱(chēng)為該流動(dòng)參量的時(shí)均值時(shí)均值。01txxuu dttxu瞬時(shí)值瞬時(shí)

20、值01tppdttp 某一流動(dòng)參量的瞬時(shí)值與時(shí)均值之差，稱(chēng)為該流動(dòng)參量的某一流動(dòng)參量的瞬時(shí)值與時(shí)均值之差，稱(chēng)為該流動(dòng)參量的脈動(dòng)值脈動(dòng)值。xxxuuu ppp 時(shí)均值時(shí)均值脈動(dòng)值脈動(dòng)值t5.5 5.5 黏性流體的湍流流動(dòng)黏性流體的湍流流動(dòng)3.時(shí)均定常流動(dòng)時(shí)均定常流動(dòng) 空間各點(diǎn)的時(shí)均值不隨時(shí)間改變的湍流流動(dòng)稱(chēng)為空間各點(diǎn)的時(shí)均值不隨時(shí)間改變的湍流流動(dòng)稱(chēng)為時(shí)均定常流動(dòng)時(shí)均定常流動(dòng)，或，或定常流動(dòng)、準(zhǔn)定常流動(dòng)定常流動(dòng)、準(zhǔn)定常流動(dòng)。t5.5 5.5 黏性流體的湍流流動(dòng)黏性流體的湍流流動(dòng)二、二、湍流中的切向應(yīng)力湍流中的切向應(yīng)力 普朗特混合長(zhǎng)度普朗特混合長(zhǎng)度層流：層流：摩擦切向應(yīng)力摩擦切向應(yīng)力xvdvdy湍流

21、：湍流：摩擦切向應(yīng)力摩擦切向應(yīng)力附加切向應(yīng)力附加切向應(yīng)力()xvttdvdy液體質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng)導(dǎo)液體質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng)導(dǎo)致了質(zhì)量交換，形致了質(zhì)量交換，形成了動(dòng)量交換和質(zhì)成了動(dòng)量交換和質(zhì)點(diǎn)混摻，從而在液點(diǎn)混摻，從而在液層交界面上產(chǎn)生了層交界面上產(chǎn)生了湍流附加切應(yīng)力。湍流附加切應(yīng)力。 + +1.湍流中的切向應(yīng)力湍流中的切向應(yīng)力工程上常用普朗特混合長(zhǎng)理論確定附加切向應(yīng)力值。xxvul5.5 5.5 黏性流體的湍流流動(dòng)黏性流體的湍流流動(dòng)2.普朗特混合長(zhǎng)度普朗特混合長(zhǎng)度2xxtdvdvldydy流體微團(tuán)在從某流速的流層因脈動(dòng)uy進(jìn)入另一流速的流層時(shí)，在運(yùn)動(dòng)的距離l（普朗特稱(chēng)此為混合長(zhǎng)度）內(nèi)，微團(tuán)保持其本來(lái)的流動(dòng)特征

22、不變。 普朗特假設(shè)普朗特假設(shè): :普朗特給出的脈動(dòng)切向應(yīng)力表達(dá)式：普朗特給出的脈動(dòng)切向應(yīng)力表達(dá)式：xxvu湍流中總切向應(yīng)力：湍流中總切向應(yīng)力：2xxxtdvdvdvldydydy5.5 5.5 黏性流體的湍流流動(dòng)黏性流體的湍流流動(dòng)三、圓管中三、圓管中湍流的速度分布和沿程損失湍流的速度分布和沿程損失1.黏性底層黏性底層 、圓管中湍流的區(qū)劃、水力光滑與水力粗糙、圓管中湍流的區(qū)劃、水力光滑與水力粗糙黏性底層黏性底層: : 黏性流體在圓管中湍流流動(dòng)時(shí)，緊貼固體壁面有一層黏性流體在圓管中湍流流動(dòng)時(shí)，緊貼固體壁面有一層很很薄薄的流體，受壁面的限制，脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)幾乎完全消失，的流體，受壁面的限制，脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)幾乎完

23、全消失，黏黏滯力滯力起主導(dǎo)作用，基本保持著起主導(dǎo)作用，基本保持著層流層流狀態(tài)，這一薄層稱(chēng)為狀態(tài)，這一薄層稱(chēng)為黏性底層黏性底層。 圓管中湍流的區(qū)劃圓管中湍流的區(qū)劃: :2.2.湍流充分發(fā)展的中心區(qū)湍流充分發(fā)展的中心區(qū)1.1.黏性底層區(qū)黏性底層區(qū)3.3.由黏性底層區(qū)到湍流充分發(fā)展的中心區(qū)的過(guò)渡區(qū)由黏性底層區(qū)到湍流充分發(fā)展的中心區(qū)的過(guò)渡區(qū) 黏性底層湍流邊界層充分發(fā)展的流動(dòng)5.5 5.5 黏性流體的湍流流動(dòng)黏性流體的湍流流動(dòng)水力光滑管與水力粗糙管水力光滑管與水力粗糙管 黏性底層厚度：黏性底層厚度： 管壁的粗糙凸出的平均高度：管壁的粗糙凸出的平均高度： （絕對(duì)粗糙度絕對(duì)粗糙度） 32.8Redd圓管直徑

24、；沿程損失系數(shù)。絕對(duì)粗糙度與管徑的比值：絕對(duì)粗糙度與管徑的比值： /d/d（相對(duì)粗糙度相對(duì)粗糙度） 5.5 5.5 黏性流體的湍流流動(dòng)黏性流體的湍流流動(dòng)水力光滑管與水力粗糙管水力光滑管與水力粗糙管水力粗糙：水力粗糙： 湍流區(qū)域完全感受不到管壁粗糙度的影響。湍流區(qū)域完全感受不到管壁粗糙度的影響。 水力光滑水力粗糙5.5 5.5 黏性流體的湍流流動(dòng)黏性流體的湍流流動(dòng)2.圓管中湍流的速度分布圓管中湍流的速度分布(1)(1)光滑平壁面光滑平壁面假設(shè)整個(gè)區(qū)域假設(shè)整個(gè)區(qū)域 = = w w= =常數(shù)常數(shù)yyvyvxxwv *yvvvxy22)(dydvlxly*1lnxvyCv*1xdvdyvy黏性底層內(nèi)黏

25、性底層內(nèi)黏性底層外黏性底層外因因切向應(yīng)力速度切向應(yīng)力速度( (摩擦速度摩擦速度) )表征湍流切應(yīng)力性質(zhì)并具有速度量綱的特征參數(shù)。2xxxtdvdvdvldydydy5.5 5.5 黏性流體的湍流流動(dòng)黏性流體的湍流流動(dòng)2.圓管中湍流的速度分布圓管中湍流的速度分布( (續(xù)續(xù)) )(2)(2)光滑直管光滑直管具有與平壁近似的公式具有與平壁近似的公式5 . 5lg75. 5*yvvvx)5 . 5lg75. 5(*maxyvvvx)75. 124Relg75. 5()75. 1lg75. 5(*0*vvrvv速度分布速度分布: :最大速度最大速度: :平均速度平均速度: :5.5 5.5 黏性流體的湍

26、流流動(dòng)黏性流體的湍流流動(dòng)2.圓管中湍流的速度分布圓管中湍流的速度分布( (續(xù)續(xù)) )(2)(2)光滑直管光滑直管( (續(xù)續(xù)) )其它形式的速度分布其它形式的速度分布:(:(指數(shù)形式指數(shù)形式) )nxxryvv)(0max)2)(1(2maxnnvvx Re n vx/vxmax3100 . 44103 . 2 5101 . 1 6101 . 1 610)2 . 30 . 2(0 . 6/16 . 6/10 . 7/18 . 8/110/17912. 08073. 08167. 08497. 08658. 0平均速度平均速度: :5.5 5.5 黏性流體的湍流流動(dòng)黏性流體的湍流流動(dòng)2.圓管中湍流

27、的速度分布圓管中湍流的速度分布( (續(xù)續(xù)) )(3)(3)粗糙直管粗糙直管48. 8lg75. 5*yvvx)5 . 8lg75. 5(0*maxrvvx)75. 4lg75. 5(0*rvv速度分布速度分布: :最大速度最大速度: :平均速度平均速度: :5.5 5.5 黏性流體的湍流流動(dòng)黏性流體的湍流流動(dòng)3.圓管中湍流的沿程損失圓管中湍流的沿程損失(1)(1)光滑直管（水力光滑管）光滑直管（水力光滑管）8 . 0)lg(Re21(2)(2)粗糙直管（水力粗糙管）粗糙直管（水力粗糙管）74. 12lg21d67. 12lg03. 21d實(shí)驗(yàn)修實(shí)驗(yàn)修正后正后5.6 5.6 沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究沿

28、程損失的實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩?shí)驗(yàn)?zāi)康模?gvdlhf22層流層流: :Re64湍流湍流: :?在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出某些假設(shè)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得計(jì)算湍在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出某些假設(shè)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得計(jì)算湍流沿程損失系數(shù)流沿程損失系數(shù)的半經(jīng)驗(yàn)公式或經(jīng)驗(yàn)公式。的半經(jīng)驗(yàn)公式或經(jīng)驗(yàn)公式。代表性實(shí)驗(yàn)代表性實(shí)驗(yàn): :尼古拉茲實(shí)驗(yàn)?zāi)峁爬潓?shí)驗(yàn)?zāi)蠈?shí)驗(yàn)?zāi)蠈?shí)驗(yàn)5.6 5.6 沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究尼古拉茲實(shí)驗(yàn)?zāi)峁爬潓?shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)對(duì)象實(shí)驗(yàn)對(duì)象: :不同直徑不同直徑圓管圓管 不同流量不同流量不同相對(duì)粗糙度不同相對(duì)粗糙度實(shí)驗(yàn)條件實(shí)驗(yàn)條件: :實(shí)驗(yàn)示意圖實(shí)驗(yàn)示意圖: :lvhf5.6 5.6 沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究沿程損失的實(shí)驗(yàn)研

29、究尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線5.6 5.6 沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線的五個(gè)區(qū)域尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線的五個(gè)區(qū)域?qū)恿鲄^(qū)層流區(qū)Re64(Re) f管壁的相對(duì)粗糙度對(duì)沿程損失系數(shù)沒(méi)有影響。管壁的相對(duì)粗糙度對(duì)沿程損失系數(shù)沒(méi)有影響。2320Re 2. 2. 過(guò)渡區(qū)過(guò)渡區(qū) 不穩(wěn)定區(qū)域，可能是層流，也可能是湍流。不穩(wěn)定區(qū)域，可能是層流，也可能是湍流。4000Re2320通常在能量損失計(jì)算中按第通常在能量損失計(jì)算中按第區(qū)域處理。區(qū)域處理。5.6 5.6 沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線的五個(gè)區(qū)域尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線的五個(gè)區(qū)域( (續(xù)續(xù)) )湍流光滑管區(qū)湍流光滑管區(qū)沿

30、程損失系數(shù)沿程損失系數(shù) 與相對(duì)粗糙度無(wú)關(guān)，而只與雷諾數(shù)有關(guān)。與相對(duì)粗糙度無(wú)關(guān)，而只與雷諾數(shù)有關(guān)。4000Re80()d25. 0Re3164. 0布拉休斯公式：布拉休斯公式：237. 0Re221. 00032. 0尼古拉茲公式：尼古拉茲公式：8 . 0)lg(Re21卡門(mén)卡門(mén)- -普朗特公式：普朗特公式：65103Re105Re10510Re5.6 5.6 沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線的五個(gè)區(qū)域尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線的五個(gè)區(qū)域( (續(xù)續(xù)) )0.8580()Re4160(2 )dd湍流粗糙管過(guò)渡區(qū)湍流粗糙管過(guò)渡區(qū)沿程損失系數(shù)沿程損失系數(shù) 與相對(duì)粗糙度和雷諾數(shù)有關(guān)。與相對(duì)粗糙

31、度和雷諾數(shù)有關(guān)。22)273. 1lg(42. 1)lg(Re42. 1Vqd洛巴耶夫公式：洛巴耶夫公式：考爾布魯克公式：考爾布魯克公式：7 . 3Re51. 2lg21d蘭格公式：蘭格公式：2.880.0096Red5.6 5.6 沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線的五個(gè)區(qū)域尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線的五個(gè)區(qū)域( (續(xù)續(xù)) )Re)2(416085. 0d湍流粗糙管平方阻力區(qū)湍流粗糙管平方阻力區(qū)沿程損失系數(shù)沿程損失系數(shù) 只與相對(duì)粗糙度有關(guān)。只與相對(duì)粗糙度有關(guān)。74. 12lg21d尼古拉茲公式：尼古拉茲公式： 此區(qū)域內(nèi)流動(dòng)的能量損失與流速的平方成正比，故稱(chēng)此區(qū)此區(qū)域內(nèi)流動(dòng)的能量損失與

32、流速的平方成正比，故稱(chēng)此區(qū)域?yàn)橛驗(yàn)槠椒阶枇^(qū)平方阻力區(qū)。5.6 5.6 沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究二、莫迪實(shí)驗(yàn)二、莫迪實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)對(duì)象實(shí)驗(yàn)對(duì)象: :不同直徑不同直徑工業(yè)管道工業(yè)管道 不同流量不同流量不同相對(duì)粗糙度不同相對(duì)粗糙度實(shí)驗(yàn)條件實(shí)驗(yàn)條件: :610500Re 30/11014/1/d5.6 5.6 沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究二、莫迪實(shí)驗(yàn)二、莫迪實(shí)驗(yàn)( (續(xù)續(xù)) )莫迪實(shí)驗(yàn)曲線莫迪實(shí)驗(yàn)曲線1/23/21/22Refghdl/ d5.6 5.6 沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究二、莫迪實(shí)驗(yàn)二、莫迪實(shí)驗(yàn)( (續(xù)續(xù)) )莫迪實(shí)驗(yàn)曲線的五個(gè)區(qū)域莫迪實(shí)驗(yàn)曲線的五個(gè)區(qū)域1. 層流區(qū)

33、層流區(qū)層流區(qū)層流區(qū)2. 臨界區(qū)臨界區(qū)3. 光滑管區(qū)光滑管區(qū)5. 完全湍流粗糙管區(qū)完全湍流粗糙管區(qū)4. 過(guò)渡區(qū)過(guò)渡區(qū)湍流光滑管區(qū)湍流光滑管區(qū)過(guò)渡區(qū)過(guò)渡區(qū)湍流粗糙管過(guò)渡區(qū)湍流粗糙管過(guò)渡區(qū)湍流粗糙管平方阻力區(qū)湍流粗糙管平方阻力區(qū)非圓形管道沿程損失的計(jì)算非圓形管道沿程損失的計(jì)算與圓形管道相同之處與圓形管道相同之處: :沿程損失計(jì)算公式沿程損失計(jì)算公式gvdlhf22雷諾數(shù)計(jì)算公式雷諾數(shù)計(jì)算公式vdRe上面公式中的直徑上面公式中的直徑d 需用當(dāng)量直徑需用當(dāng)量直徑D來(lái)代替。來(lái)代替。與圓形管道不同之處與圓形管道不同之處: :非圓形管道沿程損失的計(jì)算非圓形管道沿程損失的計(jì)算當(dāng)量直徑為當(dāng)量直徑為4 4倍有效截面

34、與濕周之比，即倍有效截面與濕周之比，即4 4倍水力半徑。倍水力半徑。hRXAD44一、當(dāng)量直徑一、當(dāng)量直徑D D二、幾種非圓形管道的當(dāng)量直徑計(jì)算二、幾種非圓形管道的當(dāng)量直徑計(jì)算bh1.1.充滿流體的矩形管道充滿流體的矩形管道bhhbbhhbD2)(24非圓形管道沿程損失的計(jì)算非圓形管道沿程損失的計(jì)算二、幾種非圓形管道的當(dāng)量直徑計(jì)算（續(xù)）二、幾種非圓形管道的當(dāng)量直徑計(jì)算（續(xù)）2.2.充滿流體的圓環(huán)形管道充滿流體的圓環(huán)形管道222121124()44ddDddddd d2 2d d1 13.3.充滿流體的管束充滿流體的管束212124()44S SdS SDdddS1S1S2d局部損失局部損失局部

35、損失局部損失：gvhj22?用分析方法求得，或由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。用分析方法求得，或由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。局部損失產(chǎn)生的原因局部損失產(chǎn)生的原因：主要是由流體的相互碰撞和形成漩渦等原因造成主要是由流體的相互碰撞和形成漩渦等原因造成局部損失局部損失一、管道截面突然擴(kuò)大一、管道截面突然擴(kuò)大流體從小直徑的管道流往大直徑的管道流體從小直徑的管道流往大直徑的管道112v2A2v1A12取取1-11-1、2-22-2截面以及它們之截面以及它們之間的管壁為控制面。間的管壁為控制面。連續(xù)方程連續(xù)方程動(dòng)量方程動(dòng)量方程能量方程能量方程2211vAvA11222121()()vp Ap Ap AAq vvjhgvgpgvgp22222

36、211局部損失局部損失一、管道截面突然擴(kuò)大一、管道截面突然擴(kuò)大( (續(xù)續(xù)) )112v2A2v1A12將連續(xù)方程、動(dòng)量方程代入能量方程，將連續(xù)方程、動(dòng)量方程代入能量方程，2222112222111222222111()()21()(1)22(1)2jhv vvvvggvAvvggAvAgAgvgvhj222222112211)1 (AA2122) 1(AA以以小截面小截面流速計(jì)算的流速計(jì)算的 以以大截面大截面流速計(jì)算的流速計(jì)算的 局部損失局部損失一、管道截面突然擴(kuò)大一、管道截面突然擴(kuò)大( (續(xù)續(xù)) )管道出口損失管道出口損失12AA 11gvhj2211速度頭完全消散于池水中。速度頭完全消散于

37、池水中。2211)1 (AA局部損失局部損失二、管道截面突然縮小二、管道截面突然縮小流體從大直徑的管道流往小直徑的管道流體從大直徑的管道流往小直徑的管道v2A2v1A1vcAc流動(dòng)先收縮后擴(kuò)展，能量損失由兩部分損失組成流動(dòng)先收縮后擴(kuò)展，能量損失由兩部分損失組成: :gvgvvgvhcccj22)(22222222) 11(cccCC2AACcc局部損失局部損失二、管道截面突然縮小二、管道截面突然縮小( (續(xù)續(xù)) )v2A2v1A1vcAcgvhj22222) 11(cccCC2AACcc012AA151 . 0385. 011617. 05 . 022ccccCCC112AA00111022c

38、cccCCC由實(shí)驗(yàn)由實(shí)驗(yàn)等直徑管道等直徑管道1012AA2ccC隨著直徑比由隨著直徑比由0.1150.115線性線性減小到減小到0 0。局部損失局部損失二、彎管二、彎管AACBDD流體在彎管中流動(dòng)的損失由三部分組成流體在彎管中流動(dòng)的損失由三部分組成: :2.2.由切向應(yīng)力產(chǎn)生的沿程損失；由切向應(yīng)力產(chǎn)生的沿程損失；1.1.形成漩渦所產(chǎn)生的損失；形成漩渦所產(chǎn)生的損失；3.3.由二次流形成的雙螺旋流動(dòng)所產(chǎn)生的損失。由二次流形成的雙螺旋流動(dòng)所產(chǎn)生的損失。5.9 5.9 管道水力計(jì)算管道水力計(jì)算流體工程中通常需要解決的三類(lèi)計(jì)算問(wèn)題流體工程中通常需要解決的三類(lèi)計(jì)算問(wèn)題（1 1）已知）已知qV、l、d 、

39、、 ，求，求hf；（2）已知）已知hf 、 l、 d 、 、 ，求，求qV；（3）已知）已知hf 、 qV 、l、 、 ，求，求d。簡(jiǎn)單管道的水力計(jì)算是其它復(fù)雜管道水力計(jì)算的基礎(chǔ)。簡(jiǎn)單管道的水力計(jì)算是其它復(fù)雜管道水力計(jì)算的基礎(chǔ)。5.9 5.9 管道水力計(jì)算管道水力計(jì)算第一類(lèi)問(wèn)題的計(jì)算步驟第一類(lèi)問(wèn)題的計(jì)算步驟（1 1）已知）已知qV、l、d 、 、 ，求，求hf；qV、l、d計(jì)算計(jì)算Re由由Re、 /d查莫迪圖得查莫迪圖得 計(jì)算計(jì)算 hf5.9 5.9 管道水力計(jì)算管道水力計(jì)算第二類(lèi)問(wèn)題的計(jì)算步驟第二類(lèi)問(wèn)題的計(jì)算步驟（2）已知）已知hf 、 l、 d 、 、 ，求，求qV；假設(shè)假設(shè) 由由hf計(jì)算

40、計(jì)算 v 、Re由由Re、 /d查莫迪圖得查莫迪圖得 New校核校核 New = NewNY由由hf計(jì)算計(jì)算 qV5.9 5.9 管道水力計(jì)算管道水力計(jì)算第三類(lèi)問(wèn)題的計(jì)算步驟第三類(lèi)問(wèn)題的計(jì)算步驟（3）已知）已知hf 、 qV 、l、 、 ，求，求d。hf qV l 計(jì)算計(jì)算 與與 d的函數(shù)曲線的函數(shù)曲線由由Re、 /d查莫迪圖得查莫迪圖得 New校核校核 New = NewNY由由hf計(jì)算計(jì)算 d5.9 5.9 管道水力計(jì)算管道水力計(jì)算管道的分類(lèi)管道的分類(lèi)按照能量損失類(lèi)型：長(zhǎng)管和短管按照能量損失類(lèi)型：長(zhǎng)管和短管 凡是局部損失和出流速度水頭之和小于凡是局部損失和出流速度水頭之和小于5%5%沿程損

41、失的管道系統(tǒng)稱(chēng)沿程損失的管道系統(tǒng)稱(chēng)為為水力長(zhǎng)管水力長(zhǎng)管，簡(jiǎn)稱(chēng)，簡(jiǎn)稱(chēng)長(zhǎng)管長(zhǎng)管。長(zhǎng)管中只計(jì)算沿程損失，忽略局部損失和出流速度水頭。 凡是沿程損失和局部損失大小相近的管道系統(tǒng)稱(chēng)為凡是沿程損失和局部損失大小相近的管道系統(tǒng)稱(chēng)為水力短管水力短管，簡(jiǎn)，簡(jiǎn)稱(chēng)稱(chēng)短管短管。短管中兩種損失均需考慮，不能忽略。5.9 5.9 管道水力計(jì)算管道水力計(jì)算管道的種類(lèi)管道的種類(lèi): :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)管道分支管道分支管道一、簡(jiǎn)單管道一、簡(jiǎn)單管道 管道直徑和管壁粗糙度均相同的一根管子或這樣的數(shù)根管子串聯(lián)在一起的管道系統(tǒng)。 計(jì)算基本公式計(jì)算基本公式連續(xù)方程連續(xù)方程沿程損失沿程損失能量方程能量方程vAQ

42、gvdlhhfw22whgvgpgvgp222222115.9 5.9 管道水力計(jì)算管道水力計(jì)算例：如圖所示，水箱中的水通過(guò)直徑為d，長(zhǎng)度為l，沿程損失系數(shù)為的鉛直管向大氣中泄水。忽略鉛直管進(jìn)口處的局部損失，求h為多大時(shí)，泄水流量qv與l無(wú)關(guān)。解：要確定流量，首先應(yīng)求出管中的流速。對(duì)圖中1-1液面和鉛垂直管出口2-2列伯努利方程2211221222wpvpvzzhgggg因?yàn)?12120,avpppzzhl并且222wfvlhhdg將它們代入伯努利方程得22()gd hlvdl當(dāng) 時(shí)， 與l無(wú)關(guān)。/hd2222/,/ 4Vvgdqd v1 1 水力長(zhǎng)管水力長(zhǎng)管hld11225.9 5.9 管道

43、水力計(jì)算管道水力計(jì)算例：利用如圖所示的虹吸管將水由池引向池。已知管徑d=100mm，虹吸管總長(zhǎng)l=20m，B點(diǎn)以前的管段長(zhǎng)l1=8m，虹吸管的最高點(diǎn)B離上游水面的高度h=4m，兩水面水位高度差H=5m。設(shè)沿程損失系數(shù)=0.04，虹吸管進(jìn)出口局部損失系數(shù)i=0.8，出口局部損失系數(shù)e=1，每個(gè)彎頭的局部損失系數(shù)b=0.9.求引水流量qv和B點(diǎn)的真空液柱高h(yuǎn)v。解：以下游液面為基準(zhǔn)，對(duì)上、下游液面列伯努利方程2222aaibeppvlHggdg所以流速為22 9.8 52.9/2020.040.82 0.9 10.1ibegHvm sld 流量為2230.12.90.0228/44Vdqvms對(duì)上

44、游液面和B點(diǎn)列伯努利方程22122aBibpplvvHHhgggdg2 2 水力短管水力短管BHh5.9 5.9 管道水力計(jì)算管道水力計(jì)算所以2121282.9 =41 0.040.80.96.530.12 9.8aBvibpplvhhgdgm212152312 1210242082.9 =1 0.040.80.97.43109.80.12 9.8vibaviblvhhdgpplvgdgm由上式得該虹吸管的吸水高度不能超過(guò)7.43m。如果達(dá)到或超過(guò)這一高度，水就開(kāi)始汽化，虹吸作用會(huì)被破壞。2 2 水力短管水力短管這就是B點(diǎn)的真空液柱高。假設(shè)大氣壓強(qiáng) ，水溫 時(shí)水的飽和蒸氣壓強(qiáng) ，那么吸水高度h

45、不能超過(guò)多少？510apPa20tC2420vpPa5.9 5.9 管道水力計(jì)算管道水力計(jì)算泵供給單位重力流體的能量泵供給單位重力流體的能量H HS S稱(chēng)為稱(chēng)為泵的揚(yáng)程泵的揚(yáng)程（或泵的壓頭）。（或泵的壓頭）。泵有效功率：泵有效功率：泵在單位時(shí)間內(nèi)供給流體的能量泵在單位時(shí)間內(nèi)供給流體的能量VsPgq H在有泵供給管道系統(tǒng)能量的情況下，依據(jù)有能量輸入的總流伯努利方程，從1-1水面到2-2水面列伯努利方程：220122sfjpvvHhhhggg3 3 帶有泵或風(fēng)機(jī)的管道帶有泵或風(fēng)機(jī)的管道鍋爐水泵熱水井h閥彎彎閥出口l2,d2l1,d1Hp1122v2p0pav15.9 5.9 管道水力計(jì)算管道水力計(jì)

46、算0SfjpHhhhg泵的揚(yáng)程（壓頭）的作用泵的揚(yáng)程（壓頭）的作用：（1）把液位提高； （2）增大液體的壓強(qiáng)（克服逆壓差作用）； （3）客服液體在管道中流動(dòng)的各種阻力。3 3 帶有泵或風(fēng)機(jī)的管道帶有泵或風(fēng)機(jī)的管道因?yàn)?-1水面 ，2-2水面的速度 ，所以10v 20v 鍋爐水泵熱水井h閥彎彎閥出口l2,d2l1,d1Hp1122v2p0pav15.9 5.9 管道水力計(jì)算管道水力計(jì)算解：水在管道中的平均流速為2244 20/36000.7/0.1vqvm sd22212125 100.7=0.020.075220.12 9.8fllllvvhmddgdg220.7+2+(7.52 3.92 0

47、.42 1)0.42922 9.8jvhmg 進(jìn)出閥彎將已知條件和以上結(jié)果代入泵的揚(yáng)程計(jì)算式，得5344 1040.0750.429453109.8SHm3 3 帶有泵或風(fēng)機(jī)的管道帶有泵或風(fēng)機(jī)的管道例：如圖所示，水泵把熱水井中的凝結(jié)水以 的流量輸送到鍋爐中。鍋爐中蒸汽的表壓強(qiáng)為 ，兩水面間的高度差為 ，水泵吸水管和排水管的長(zhǎng)度分別為 ，其管徑和沿程損失系數(shù)均為 和 。管道中裝有一個(gè)進(jìn)水柵止回閥，兩個(gè)節(jié)流閥，兩個(gè)彎頭。設(shè) ，求水泵揚(yáng)程HS及有效功率P。320/Vqms5044 10pPa4hm125 ,10lm lm10dcm0.027.5,3.9,=0.42=1進(jìn)出閥彎，泵的揚(yáng)程計(jì)算式 中 和

48、 分別為： 0SfjpHhhhgfhjh則泵的有效功率為3109.8 20 45324.73600VSPgq HkW5.9 5.9 管道水力計(jì)算管道水力計(jì)算二二 串聯(lián)管道串聯(lián)管道由不同直徑或粗糙度的管段順次聯(lián)接在一起的管道叫串聯(lián)管道。特點(diǎn)：特點(diǎn)：1）對(duì)無(wú)泄漏的串聯(lián)管道，通過(guò)各管段的流量相同。2）串聯(lián)管道的能量損失等于各管段能量損失的總和。5.9 5.9 管道水力計(jì)算管道水力計(jì)算解：列A、B兩水面的伯努利方程2222211122221221222222ievlvvlvvHgdggdgg將管道的連續(xù)方程22121244ddvv代入上式可得44421123000.62400.60.660.51.53

49、20.60.90.90.90.9vg例：如圖所示，由不同直徑的管段1和管段2連接在一起形成串聯(lián)管道。已知： ，流體的運(yùn)動(dòng)黏度 ，求流體在該管道中的流量qv。1112222300 ,0.6 ,0.0015 ,300 ,0.6 ,0.0015 ,0.5,1,1.53ielm dmm lm dmm6210/ ,6ms HmAB12i2eH5.9 5.9 管道水力計(jì)算管道水力計(jì)算由 ，參照莫迪圖試取 ，代入上式可求得 。由連續(xù)方程可求得212121.28 /dvvm sd1122/0.0025,/0.00033dd120.025,0.01512.87 /vm s于是得66112212Re1.72 10

50、 Re1.15 10v dv d依據(jù)求出的雷諾數(shù)和相對(duì)粗糙度，由莫迪圖差的 。再將其代入伯努利方程可求得新的 ，此數(shù)值與上一次求出的數(shù)值 相比較誤差很小，因此取 ，于是得120.025,0.01612.86/vm s12.87/vm s12.86/vm s2310.808/4Vqd vmsAB12i2eH5.9 5.9 管道水力計(jì)算管道水力計(jì)算三三 并聯(lián)管道并聯(lián)管道管道從某處分成幾個(gè)支管道，而后又在下游某處匯合成一路的管道叫做并聯(lián)管道。特點(diǎn)：特點(diǎn)：1）并聯(lián)管道的總流量等于各支管道流量的總和。2）并聯(lián)管道各支管道的水頭損失彼此相等。5.9 5.9 管道水力計(jì)算管道水力計(jì)算解：由兩支管水頭損失相等

51、知22121212221122441122VVqqlldgddgd化簡(jiǎn)后得聯(lián)立式（a）和（b）求解得33331226.25 10/ ,73.75 10/VVqms qms例：如圖所示，并聯(lián)管道的總流量 ，已知 ，求各支管的流量 和 。111222150 ,0.1 ,0.025,180 ,0.15 ,0.02lm dmlm dm30.1/Vqms1Vq2Vq2212223121501800.0250.02 (a)0.10.10.1/ (b)VVVVVqqqqqmsABl1,d1,qV1l2,d2,qV25.9 5.9 管道水力計(jì)算管道水力計(jì)算四四 分支管道分支管道幾個(gè)支管道從某處分叉后不再匯合的

52、管道系統(tǒng)稱(chēng)為分支管道。特點(diǎn)：特點(diǎn)：流進(jìn)節(jié)點(diǎn)流體的流量等于流出節(jié)點(diǎn)流體的流量。5.9 5.9 管道水力計(jì)算管道水力計(jì)算解：列水池水面到C點(diǎn)的伯努利方程22121212221122441122VVqqllHdgddgd代入已知數(shù)據(jù)可求出列水池水面到D點(diǎn)的伯努利方程23VVVVqqqq3327.85 10/ Vqms例：如圖所示，總管自水池引出后，從節(jié)點(diǎn)B分叉，經(jīng)支管2、3分別由C、D兩點(diǎn)流入大氣，已知C、D兩點(diǎn)與水池水面的高度差均為 ； ； ； 。管1中的流量 ，節(jié)點(diǎn)B水的泄漏量 ；不計(jì)局部損失，求管2和3的流量 和 。8.77Hm30.012/Vqms123400 ,600llm lm1230.

53、2 ,0.1 ,0.15dm dm dm1230.025310.0377/Vqms2Vq3Vq22133113221133441122VVqlqlHdgddgd代入已知數(shù)據(jù)可求出33317.65 10/ Vqms 和 應(yīng)滿足節(jié)點(diǎn)B流量平衡2Vq3Vq經(jīng)驗(yàn)算 和 滿足此式。2Vq3VqABCDHHhf2hf1hf3l1, d1l2, d2l3, d3qv5.10 5.10 液體的出流液體的出流一、孔口出流一、孔口出流在盛有液體的容器的側(cè)壁或底部開(kāi)一孔口，液體經(jīng)孔口流出，稱(chēng)為孔口出流。在孔口上裝一段長(zhǎng)度為34倍孔徑的短管，稱(chēng)為管嘴，液體經(jīng)管嘴流出，稱(chēng)為管嘴出流?？卓谂c管嘴出流有一個(gè)共同特點(diǎn)：孔口與

54、管嘴出流有一個(gè)共同特點(diǎn)：在水力計(jì)算中局部損失起主要作用，沿程損失可以忽略不計(jì)。5.10 5.10 液體的出流液體的出流一、孔口出流一、孔口出流用能量方程和連續(xù)方程導(dǎo)出計(jì)算流速和流量的公式，并由實(shí)驗(yàn)確定計(jì)算式中的系數(shù)。當(dāng)液體從孔口出流時(shí)，由于水流慣性作用，流線不可能成折角的改變方向，因此形成了收縮斷面C-C，其截面積用Ac表示。5.10 5.10 液體的出流液體的出流1 1、孔口出流的分類(lèi)、孔口出流的分類(lèi)/10D H /10D H /D HD/H0.15.10 5.10 液體的出流液體的出流自由出流自由出流: :淹沒(méi)出流淹沒(méi)出流: :H1HH2H液體流入大氣。液體流入大氣。液體流入液體空間。液體

55、流入液體空間。1 1、孔口出流的分類(lèi)、孔口出流的分類(lèi)5.10 5.10 液體的出流液體的出流1 1、孔口出流的分類(lèi)、孔口出流的分類(lèi)薄壁孔口出流：確切地講就是銳緣孔口出流，流體與孔壁只有周線上接觸，孔壁厚度不影響射流形態(tài)；厚壁孔口出流：除薄壁孔口出流外的孔口出流。如：孔邊修圓的情況，此時(shí)孔壁參與了出流的收縮，但收縮斷面還是在流出孔口后形成。若壁厚達(dá)到34D，孔口就可以稱(chēng)為管嘴，收縮斷面將會(huì)在管嘴內(nèi)形成，而后擴(kuò)展成滿流流出管嘴。管嘴出流的能量損失只考慮局部損失，如果管嘴再長(zhǎng)，以致必須考慮沿程損失時(shí)就成為水力短管了。5.10 5.10 液體的出流液體的出流2 2、薄壁孔口出流、薄壁孔口出流液體從孔口

56、以射流狀態(tài)流出，流線不能再孔口處急劇改變方向，而會(huì)在流出孔口后在孔口附近形成收縮斷面，此斷面可視為處在緩變流段中，斷面上壓強(qiáng)均勻。收縮斷面面積Ac與孔口面積A的比值用表示，即：收縮系數(shù)，為無(wú)量綱數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定。cAA5.10 5.10 液體的出流液體的出流2 2、薄壁孔口出流、薄壁孔口出流如果沿孔口的所有周界上液體都有收縮，稱(chēng)為全部收縮，反之稱(chēng)為部分收縮。全部收縮：完善收縮和不完善收縮。視孔口邊緣與容器邊壁距離與孔口尺寸之比的大小而定，大于3則可認(rèn)為完善收縮。完善收縮時(shí)，收縮系數(shù)的范圍是0.630.64。5.10 5.10 液體的出流液體的出流薄壁孔口出流薄壁孔口出流表征孔口出流性能的系數(shù)表征

57、孔口出流性能的系數(shù): :流量系數(shù)流速系數(shù)收縮系數(shù)（1 1）收縮系數(shù)）收縮系數(shù)全部收縮全部收縮完善收縮完善收縮非完善收縮非完善收縮bL3al3如：孔口如：孔口abL3al3如：孔口如：孔口b部分收縮部分收縮只有部分周界收縮只有部分周界收縮如：孔口如：孔口c、d所有周界都收縮所有周界都收縮5.10 5.10 液體的出流液體的出流以孔口中心的水平面為基準(zhǔn)面，列斷面1-1與收縮斷面C-C之間的能量方程：薄壁小孔口出流2200022ccwvvHhgg20002vHHg為孔口的總水頭。22cwvhg令代入能量方程可得：20(1)2cvHg5.10 5.10 液體的出流液體的出流因此，薄壁小孔口出流0012

58、21cvgHgH11流速系數(shù)流速系數(shù)對(duì)完善收縮的小孔口，一般取=0.97。與有關(guān)，由實(shí)驗(yàn)確定?？卓谧杂沙隽鞯牧髁繛椋?ccQv A5.10 5.10 液體的出流液體的出流因?yàn)楸”谛】卓诔隽髁髁肯禂?shù)流量系數(shù)02 ; ccvgHAA對(duì)完善收縮的圓形小孔口，=0.94，=0.97。值通常由實(shí)驗(yàn)確定。大孔口自由出流的流速和流量仍可用小孔口岀流的計(jì)算式計(jì)算，只是相應(yīng)的水頭應(yīng)近似取為孔口形心處的值。所以0022QAgHAgH0.97 0.640.625.10 5.10 液體的出流液體的出流3 3、孔口的淹沒(méi)出流、孔口的淹沒(méi)出流孔口淹沒(méi)岀流時(shí)，作用于孔口任一點(diǎn)的上、下游的水頭差相等，因此，對(duì)淹沒(méi)岀流而言，孔

59、口無(wú)大小之分。對(duì)斷面1-1和2-2列能量方程：221 12222wvvzhgg22cwvhg為斷面1至斷面C和斷面C至斷面2的能量損失之和。5.10 5.10 液體的出流液體的出流3 3、孔口的淹沒(méi)出流、孔口的淹沒(méi)出流將hw表達(dá)式代入能量方程，且1221cvgzgz為淹沒(méi)岀流的速度系數(shù)，與自由岀流流速系數(shù)的表達(dá)式相同。2222122cccwcAvvhAgg212cwcvhg21212cwwcwcvhhhg120vv212cvzg可得5.10 5.10 液體的出流液體的出流3 3、孔口的淹沒(méi)出流、孔口的淹沒(méi)出流其中：為淹沒(méi)岀流的流量系數(shù)，與自由岀流流量系數(shù)表達(dá)式相同?？扇? 。22ccqv AA

60、gzAgz 淹沒(méi)岀流的流量為：5.10 5.10 液體的出流液體的出流4 4、厚壁孔口出流、厚壁孔口出流厚壁孔口岀流與薄壁孔口岀流的差別在于收縮系數(shù)和邊壁性質(zhì)有關(guān)。收縮系數(shù)定義中的A為孔口外側(cè)面積，當(dāng)孔邊修圓后，收縮減小，收縮系數(shù)和流量系數(shù)都增大。5.10 5.10 液體的出流液體的出流二、管嘴出流二、管嘴出流常見(jiàn)的管嘴有五種形式：a-a-圓柱形外管嘴；圓柱形外管嘴；b-b-圓柱形內(nèi)管嘴；圓柱形內(nèi)管嘴；c-c-圓錐形收縮管嘴；圓錐形收縮管嘴；d-d-圓錐形擴(kuò)張管嘴；圓錐形擴(kuò)張管嘴；e-e-流線形管嘴。流線形管嘴。5.10 5.10 液體的出流液體的出流二、管嘴出流二、管嘴出流管嘴岀流的流速和流