第六章孔口、管嘴出流與有壓管流

1、流體力學(xué)流體力學(xué)合肥工業(yè)大學(xué)合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院土木與水利工程學(xué)院主講：曹廣學(xué)主講：曹廣學(xué)第六章第六章 孔口、管嘴出流與有壓管流孔口、管嘴出流與有壓管流6.16.1 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(xué)中的三大基本方程，即連續(xù)性方程，能量方程和動量方學(xué)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

2、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)就是它能夠方便人們用于解決實際的問題。這一章將應(yīng)用這些基本規(guī)律，分析工程實踐中孔口、管嘴這一章將應(yīng)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。 第六章第六章 孔口、管嘴出流與有壓管流孔口、管嘴出流與有壓管流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(第六章第六章 孔口、管嘴出流與有壓管流孔口、管嘴出流與有壓管流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

3、流入液體空間流體流入液體空間第六章第六章 孔口、管嘴出流與有壓管流孔口、管嘴出流與有壓管流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，存在自由表明的流動。 有壓管道：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

4、由面 管管 壁壁無壓管道無壓管道第六章第六章 孔口、管嘴出流與有壓管流孔口、管嘴出流與有壓管流 管道按布置分為管道按布置分為 簡單管道簡單管道 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 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 第六章第六章 孔口、管嘴出流與有壓管流孔口、管嘴出流與有壓管流根據(jù)兩種水頭損失大小比重的不同，可分為根據(jù)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?。ㄐ∮诳偹^的部水頭損失之和在總水頭

5、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(dāng)比例，即流速水頭與局部水頭損失之和在損失都占有相當(dāng)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，不能忽略任何一種。第六章第六章 孔口、管嘴出流與有壓管流孔口、管嘴出流與有壓管流2211 1122ccccwpVpVzzhgggg22200000222cccVVVHggg22022cccVVHgg2()2ccVg012ccVgH

6、孔口水頭孔口水頭行近水頭行近水頭作用水頭作用水頭第六章第六章 孔口、管嘴出流與有壓管流孔口、管嘴出流與有壓管流02cVgH012ccVgH稱為流速系數(shù)，稱為流速系數(shù)，0.97cAA稱為孔口收縮系數(shù)，稱為孔口收縮系數(shù)，0.6402ccQAVAgH 02QAgH稱為孔口流量系數(shù)，稱為孔口流量系數(shù)，0.62第六章第六章 孔口、管嘴出流與有壓管流孔口、管嘴出流與有壓管流第六章第六章 孔口、管嘴出流與有壓管流孔口、管嘴出流與有壓管流 2211 1222121 222wpVpVzzhgggg221 122120022wVVHHhgg2222ccwEVVhgg012cEVgH02gH221 122012()

7、()22VVHHHgg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作用水頭作用水頭第六章第六章 孔口、管嘴出流與有壓管流孔口、管嘴出流與有壓管流02ccQAVAgH 02QAgH012ccVgH02QAgH012cEVgH02QAgH第六章第六章 孔口、管嘴出流與有壓管流孔口、管嘴出流與有壓管流t =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

8、體積時間的相同體積時間的2 2倍倍第六章第六章 孔口、管嘴出流與有壓管流孔口、管嘴出流與有壓管流2211 12221222wpVpVzzhgggg2221 1000222VVVHggg012VgH110.821 0.502gH第六章第六章 孔口、管嘴出流與有壓管流孔口、管嘴出流與有壓管流0.82110.821 0.502QAVAgH1第六章第六章 孔口、管嘴出流與有壓管流孔口、管嘴出流與有壓管流第六章第六章 孔口、管嘴出流與有壓管流孔口、管嘴出流與有壓管流2211 12221222wpVpVzzhgggg220000022wVVHhgg012VgHld02cQAVAgH2()2wlVhdg作用

9、水頭作用水頭H0管道流量系數(shù)管道流量系數(shù)c第六章第六章 孔口、管嘴出流與有壓管流孔口、管嘴出流與有壓管流2211 12221222wpVpVzzhgggg221 122120022wVVHHhgg0wHh012VgHld02cQAVAgH2()2wlVhdg第六章第六章 孔口、管嘴出流與有壓管流孔口、管嘴出流與有壓管流第六章第六章 孔口、管嘴出流與有壓管流孔口、管嘴出流與有壓管流2211 12221222wpVpVzzhggggfHhVC RJ第六章第六章 孔口、管嘴出流與有壓管流孔口、管嘴出流與有壓管流QAC RJfHhVC RJ22VJC R22fVhHlC R222QJA C RQKJ2

10、22fQhHlA C R22QJK22fQhHlKKAC R第六章第六章 孔口、管嘴出流與有壓管流孔口、管嘴出流與有壓管流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(dāng)管道的布置、斷面尺寸當(dāng)管道的布置、斷面尺寸d 及作用水頭及作用水頭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 計算某水電廠由滲計算某水電廠由滲水池排入集水井的流量，已水池排入集水井的流量，已知排水管的糙

11、率知排水管的糙率 ，管徑管徑 ，管長，管長 ，其他數(shù)據(jù)如圖所示。其他數(shù)據(jù)如圖所示。 0125. 0nmmd150ml20第六章第六章 孔口、管嘴出流與有壓管流孔口、管嘴出流與有壓管流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由圖可知該排水裝置系淹沒出流，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依據(jù)依據(jù)和和，0367. 028.468 . 98822Cg89.

12、 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：第六章第六章 孔口、管嘴出流與有壓管流孔口、管嘴出流與有壓管流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 61221,RnCRACKlKQhHf供水工程中當(dāng)供水工程中當(dāng) 時時smv2 . 1lKQkhHf22當(dāng)當(dāng) 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

13、：或者用查表法。或者用查表法。式中式中k 查表可得查表可得lKQkhHf22式中式中第六章第六章 孔口、管嘴出流與有壓管流孔口、管嘴出流與有壓管流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 例例6.2 6.2 由水塔向工廠供水，如圖所示，采用鑄鐵管，管長由水塔向工廠供水，如圖所示，采用鑄鐵管，管長25002500m，管徑，管徑400400mm。水塔處地形標(biāo)高為。水塔處地形標(biāo)高為 ，工廠需水，工廠需水量量 ，工廠地形標(biāo)高，工廠地形標(biāo)高 ，管路末端需要的自由水，管路末端需要的自由水頭頭 ，試設(shè)計水塔高度，試設(shè)計水塔高度H。 m611smQ3152. 0m452mH2521H1水塔2H2H

14、例例 圖圖6.26.2第六章第六章 孔口、管嘴出流與有壓管流孔口、管嘴出流與有壓管流當(dāng)管徑當(dāng)管徑 ，查表鑄鐵管，查表鑄鐵管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，所以第六章第六章 孔口、管嘴出流與有壓管流孔口、管

15、嘴出流與有壓管流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1. 1. 管道的輸流能力管道的輸流能力Q，管長，管長l 及管道的總水頭及管道的總水頭H 均已確定。均已確定。 對于長管對于長管lHQHlQKlKQH222,求得求得K值后反查表就可得值后反查表就可得d 對于短管對于短管dlgHQdgHdgHAdlQcCC11,24242112采用試算法采用試算法第六章第六章 孔口、管嘴出流與有壓管流孔口、管嘴出流與有壓管流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(yīng)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(yīng)

16、的水頭。 管道的技術(shù)要求。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(yīng)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，所選管徑應(yīng)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(yīng)大于（引水管中流速不應(yīng)大于（5 56 6）m/s ，給水管中的流速不應(yīng)大于，給水管中的流速不應(yīng)大于（2.52.53 3）m/s，不應(yīng)小于，不應(yīng)小于0.250.25m/s 。管道的經(jīng)濟效益。管道的經(jīng)濟效益。重要的

17、管道在選取管徑時一般應(yīng)選擇幾個方案進(jìn)重要的管道在選取管徑時一般應(yīng)選擇幾個方案進(jìn)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(shè)計方案，這樣選定的流速稱為工程上可行的方案作為最終設(shè)計方案，這樣選定的流速稱為，對應(yīng)的直徑為經(jīng)濟直徑。具體數(shù)值可參照有關(guān)設(shè)計手冊。對應(yīng)的直徑為經(jīng)濟直徑。具體數(shù)值可參照有關(guān)設(shè)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

18、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。 第六章第六章 孔口、管嘴出流與有壓管流孔口、管嘴出流與有壓管流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 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，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 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 0 減去該斷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

19、接起來，就得到整個管路的測壓管頭。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。水頭線。第六章第六章 孔口、管嘴出流與有壓管流孔口、管嘴出流與有壓管流如果您有任何問題，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 question, DO NOT question, DO NOT hesitate to ask me !hesitate to ask me !第六章第六章 孔口、管嘴出流與有壓管流孔口、管嘴出流與有壓管流簡單管道水力計算特例簡單管道水力計算特例 虹吸管是一種

20、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米高水柱。實際米高水柱。實際上當(dāng)虹吸管內(nèi)壓強接近該溫度下的汽化上當(dāng)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

21、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第六章第六章 孔口、管嘴出流與有壓管流孔口、管嘴出流與有壓管流簡單管道水力計算特例簡單管道水力計算特例 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(zhǔn)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(zhǔn)面，列出上游斷面和頂部斷面的能量方程wchgvgpzHgpH2020whgppz0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第六章第六章 孔口、管嘴出流與有壓管流孔口、管嘴出流與有壓管流簡單管道水力計算特例簡單管道水力計算特例 1. 1. 吸水管的水力計算。吸水管的水力計