管道教案-孔口、管嘴出流和有壓管路

1、管道教案-孔口、管嘴出流和有壓管路基本介紹：前面幾章主要闡述了流體運(yùn)動的基本概念和基本規(guī)律。從本章起，將應(yīng)用前面各章所闡述的基本概念和基本方程，對給水排水、道路、橋梁等建筑工程中常見的水流現(xiàn)象歸納為各類典型流動進(jìn)行具體分析研究。若在容器壁上開孔，水經(jīng)孔口流出的水力現(xiàn)象。若在孔口上連接長為34倍孔徑的短管，水經(jīng)過短管并在出口斷面滿管流出的水力現(xiàn)象。水沿管道滿管流動的水力現(xiàn)象。水力計(jì)算特點(diǎn)：孔口、管嘴出流和有壓管流的水力計(jì)算，是連續(xù)性方程、能量方程以及流動阻力和水頭損失規(guī)律對工程實(shí)踐的具體應(yīng)用?？卓诔隽鲀H考慮局部損失管嘴出流僅考慮局部損失短管既考慮局部損失又考慮沿程損失長管僅考慮沿程損失根據(jù)孔口出

2、流的條件，孔口出流可有以下分類： 1小孔口、大孔口出流：孔口出流時(shí)其斷面上各點(diǎn)的流速是有差異的。若d/H0.1時(shí)，這種孔口稱為小孔口；若d/H0.1時(shí)，則稱為大孔口。2恒定、非恒定出流： 區(qū)別于孔口的作用水頭是否變化。3薄壁孔口、厚壁孔口出流： 若在容器壁上開一孔口，如壁的厚度不影響水的出流，水流與孔壁的接觸僅僅在一條周線上，則此孔口稱為薄壁孔口。反之，則稱為厚壁孔口出流。4.自由式、淹沒式出流：視容器中的流體與外面的流體介質(zhì)是否相同而定?？卓诔隽鞣诸愇锢硪饬x：除了克服阻力外，全部能量都轉(zhuǎn)化為動能特例自由液面：pA=papc收縮斷面流速 孔口的流速系數(shù)， =0.970.98。是粘性流體與理想流

3、 體速度的比值 薄壁銳緣小孔口的恒定自由式出流 列斷面00與收縮斷面cc的能量方程： 孔口的局部阻力系數(shù)，孔口流量如部分收縮A是孔口面積，A0是孔口所在的壁面面積(不完善收縮)如全部收縮（完善收縮）其大小取決于收縮程度恒定薄壁小孔口淹沒式出流 物理意義：克服阻力后,仍恢復(fù)為勢能特例：p1= p2=pa，v1= v2 =0收縮斷面流速孔口流量與自由出流一致H0與孔口位置無關(guān)應(yīng)用：孔板流量計(jì)注意：A孔口面積，也可查表薄壁大孔口出流 如果用孔口中心高度H作為孔口作用水頭，將孔口斷面各點(diǎn)的壓強(qiáng)水頭視為相等，按小孔口計(jì)算的流量為大孔口的流量系數(shù)孔口形狀和水流收縮情況流量系數(shù)全部不完善收縮底部無收縮，側(cè)向

4、收縮較大底部無收縮，側(cè)向收縮較小底部無收縮，側(cè)向收縮極小0.700.650.700.700.750.800.85d/H0.1非恒定出流（以液面下降為例）等截面S容器，t時(shí)刻孔口水頭hdt內(nèi)流出體積容器減少體積S容器放空：H2=0V放空容器的體積Qmax開始出流時(shí)最大流量放空時(shí)間是水位不下降時(shí)放空所需時(shí)間的兩倍圓柱形外伸管嘴的恒定出流在孔口斷面處接一直徑與孔口直徑完全相同的圓柱形短管.圓柱形短管內(nèi)形成收縮,然后又逐漸擴(kuò)大.特征：流速流量與孔口比較:增加了局部損失，但流量卻增加1.32倍對銳緣進(jìn)口的管嘴，=0.5，尋找增加流量的原因求收縮斷面的壓強(qiáng)pc列C-C、B-B斷面能量方程連續(xù)性方程突然擴(kuò)大

5、取解得C-C斷面真空值防止汽化的允許真空值H0的極限值管嘴正常使用條件之一管嘴正常使用條件之二管嘴的種類（a）圓柱外伸管嘴；（b）圓柱內(nèi)伸管嘴 ；（c）外伸收縮型管嘴 ；（d）外伸擴(kuò)張型管嘴 ；（e）流線型外伸管嘴 類型特點(diǎn)圓柱外伸管嘴損失較大，流量較大0.50.8210.82圓柱內(nèi)伸管嘴損失大、隱蔽10.7110.71外伸收縮形管嘴損失小、速度大（消防龍頭）0.090.960.980.95外伸擴(kuò)張形管嘴損失大、流速低、壓力大（擴(kuò)壓管）40.4510.45流線形外伸管嘴損失小、動能大、流量大0.040.9810.98例：水箱中用一帶薄壁孔口的板隔開，孔口及兩出流管嘴直徑均為d=100mm，為保

6、證水位不變，流入水箱左邊的流量Q=80L/s，求兩管嘴出流的流量q1、q22解：設(shè)孔口的流量為q對管嘴連續(xù)性方程解得短 管 出 流 定義和分類:定義:所謂短管，是指管道的總水頭損失中，沿程水頭損失和局部水頭損失均占相當(dāng)比例，在進(jìn)行水力計(jì)算時(shí)均不能忽略的管路。如有壓涵管、倒虹管、水泵的吸水管和壓水管等就屬于短管。分類:自由出流和淹沒出流兩種。 自 由 出 流自由出流短管中的液體經(jīng)出口流入大氣， 水股四周受大氣壓作用。能量方程 作用水頭流速流量流量系數(shù)淹 沒 出 流淹沒出流短管中的液體經(jīng)出口流入下游自由表面的液體中。能量方程 作用水頭流速流量流量系數(shù)自由出流與淹沒出流的異同點(diǎn)相同點(diǎn)：流量計(jì)算公式的

7、形式以及流量系數(shù)的數(shù)值均相同不同點(diǎn)：兩者的作用水頭在計(jì)量時(shí)有所不同，自由出流時(shí)是指上游水池液面至下游出口中心的高度，而淹沒出流時(shí)則指得是上下游水位差。出口位置處的總水頭線和測壓管水頭線的畫法不同例：定性作水頭線pp總水頭線總水頭線測壓管水頭線測壓管水頭線p總水頭線測壓管水頭線p總水頭線測壓管水頭線短管水力計(jì)算的內(nèi)容四類問題：已知水頭H、管徑d，計(jì)算通過流量Q；已知流量Q、管徑d，計(jì)算作用水頭H，以確定水箱、水塔水位標(biāo)高或水泵揚(yáng)程H值；已知流量Q、水頭H，設(shè)計(jì)管道斷面，即計(jì)算管徑d；分析計(jì)算沿管道各過水?dāng)嗝娴膲簭?qiáng)。校核輸水能力設(shè)計(jì)水塔或選泵設(shè)計(jì)管路系統(tǒng)畫總水頭線、測壓管水頭線虹吸現(xiàn)象流速虹吸管正

8、常工作條件最大真空度列1-1和最高斷面C-C的能量方程流量最大安裝高度長管的水力計(jì)算僅考慮沿程損失局部損失（包括速度水頭）不計(jì)，損失線性下降，總水頭線與測壓管水頭線重合單位長阻抗比阻as2/m6一.簡單管道謝才公式對于鋼筋混凝土管道，通常采用謝才公式來 計(jì)算水力坡度式中 R水力半徑； C謝才系數(shù)，C=用滿寧公式代入后，得到：式中，管徑d的單位為米。計(jì)算比阻的公式 長管的計(jì)算，如管道長度已知H、d，求Q。已知Q、d，求H。已知H、Q，求d。利用長管計(jì)算的基本公式,可以解決以下三類問題：一定，管壁材料已知時(shí)，二.復(fù) 雜 管 道1.串聯(lián)管道幾段不同管徑的簡單管路依次連接類比電路如如節(jié)點(diǎn)流量滿足連續(xù)性

9、方程適用于流量變化的管路,或充分利用作用水頭例：鑄鐵管長L=2500m，流量Q=0.25m3/s，作用水頭H=25m，試設(shè)計(jì)管路.為充分利用水頭，設(shè)計(jì)串聯(lián)管道解：（1）如按簡單長管計(jì)算查水力計(jì)算表a1=0.105d1=450mm浪費(fèi)水頭，投資加大a2=0.196d2=400mm水頭不夠或流量不夠（2）設(shè)計(jì)串聯(lián)管路,充分利用水頭d1=450mmL1d2=400mmL2解得2.并聯(lián)管道兩根以上的管道，兩端都接在公共點(diǎn)上特點(diǎn)：增加流量；提高供水可靠性 流體的自調(diào)性，阻力平衡必須滿足連續(xù)性條件 能量關(guān)系:質(zhì)量關(guān)系:例2：流量Q=4L/s的泵從兩個(gè)有初始液位差h=0.5m的油箱中吸油，在節(jié)點(diǎn)A以前的兩條

10、管路有相同的長度l=10m和直徑d=50mm，若=0.03，不計(jì)局部阻力，求：（1）泵開始吸油時(shí)，每個(gè)油箱流出的流量q1和q2各為多少？解：A點(diǎn)連續(xù)性方程解得（1）必須pA0，列低油箱到A點(diǎn)的能量方程會出現(xiàn)高位油箱向低位油箱倒灌的現(xiàn)象注意：因q1=0，故q2=Q，解得z1.27m（2）當(dāng)h是多少時(shí)，由低位油箱流出的q2=0？（4）當(dāng)z為多高，高位油箱泄空后空氣不會進(jìn)入泵 內(nèi)，且又可使低位油箱可泄空？令q2=0，解得h=1.27m（3）當(dāng)h1.27m時(shí)會出現(xiàn)什么情況？給水工程中，有的配水管和沖洗管，要求流量沿著管子泄出，若單位長度上泄出的流量均為q（q稱為途泄流量），則這種管路稱為沿程均勻泄流管

11、路， 沿程均勻泄流管路假設(shè)：將這種沿程均勻泄流看成是連續(xù)的 QM=Q+qx 近似當(dāng)轉(zhuǎn)輸流量Q=0時(shí) 管 網(wǎng) 計(jì) 算兩種形式：枝狀管網(wǎng)、環(huán)狀管網(wǎng)枝狀管網(wǎng)常用于中、小城市或山區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)；環(huán)狀管網(wǎng)常用于大、中城市的管網(wǎng)系統(tǒng)。 管網(wǎng)內(nèi)各管段的管徑是根據(jù)流量Q和速度來決定的 確定管徑時(shí)，應(yīng)該作綜合評價(jià) ，采用經(jīng)濟(jì)流速經(jīng)濟(jì)流速在選用時(shí)應(yīng)使得給水的總成本（包括鋪設(shè)水管的建筑費(fèi)、泵站建筑費(fèi)、水塔建筑費(fèi)及抽水經(jīng)常運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)之總和）最小的流速。一般的中、小直徑的管路大致為： 當(dāng)直徑當(dāng)直徑400mm，經(jīng)濟(jì)流速=1.01.4m/s。經(jīng)濟(jì)流速v=0.61.0m/s；水擊在有壓管路中流動的液體，由于外界因素（諸如閥門突然關(guān)閉

12、、水泵突然停車等）使其流速發(fā)生突然變化（即動量發(fā)生變化），從而引起壓強(qiáng)突然變化（升壓和降壓交替進(jìn)行）。有壓管道的水擊（水錘）可壓縮、非恒定流水擊具有破壞性水擊危害水擊時(shí)所產(chǎn)生的升壓，可達(dá)原來正常壓強(qiáng)的幾倍甚至幾十倍，而且增壓和減壓的頻率很高，往往會引起管道激烈震動，嚴(yán)重時(shí)會造成閥門破壞、管道接頭脫落，甚至管道爆裂等重大事故。水擊的傳播過程第一階段水擊速度c在t=l/c時(shí)到達(dá)管道口發(fā)生水擊的原因 引起管道水流速度突然變化的因素是發(fā)生水擊的外加條件，水流本身具有慣性和壓縮性則是發(fā)生水擊的內(nèi)在原因。 減速增壓過程 第二階段在t=2l/c時(shí)到達(dá)閥門第三階段在t=3l/c時(shí)到達(dá)管道口減速減壓過程 增速減壓過程 第四階段在t=4l/c時(shí)到達(dá)閥門增速增壓過程 在水擊的過程中，管道各斷面的流速和壓強(qiáng)都隨時(shí)間周期性的升高和降低，不斷地變化。 循環(huán)、衰減如果關(guān)閉閥門的時(shí)間T小于一個(gè)相長，即T 那么最早發(fā)出的水擊波的反射波在到達(dá)閥門之前，閥門已經(jīng)關(guān)閉完畢。這種水擊波的運(yùn)動特征仍然相同于上面討論的閥門突然關(guān)閉（T=0）的水擊波特征。直接水擊水擊壓強(qiáng)增量 p=c（0） 流速從0減至 全部關(guān)閉，即=0 p=c0 間接水擊如果管道長