水力學(xué)系統(tǒng)講義第七章-有壓管流

1、第七章 有壓管流有壓管路根據(jù)布置的不同，可分為：枝狀管網(wǎng)環(huán)狀管網(wǎng)串聯(lián)管路并聯(lián)管路管網(wǎng)復(fù)雜管路由兩根以上管道所組成的管路系統(tǒng) 簡單管路 管徑、流速、流量沿程不變，且 無分支的單線管道 有壓管路有壓管流指液體在管道中的滿管流動。除特殊點(diǎn)外，管中液體的相對壓強(qiáng)一般不為零，故名。按局部水頭損失和流速水頭之和在總水頭損失中所占的比重不同，可分為：短管：局部水頭損失和流速水頭不能忽略的、需要同時計算hf，hj和v2/2g的管道 (水泵吸水管，虹吸管)長管：管道中以沿程水頭損失為主，局部水頭損失和流速水頭所占比重小于5%-10%的沿程水頭損失，從而可予以忽略的管道 (市政給水管道)短管的水力計算（自由出流）

2、短管的水力計算（淹沒出流）這表明短管水流在淹沒出流時，其作用水頭完全消耗在沿程水頭損失和局部水頭損失上思考題(1)兩根完全相同的管道，只是安裝高度不同，兩管道的流量關(guān)系為：(2)一水箱外接一長L的短管，自由出流時如圖A，其流量為Q1;淹沒出流時如圖B,其流量為Q2,則Q1與Q2的關(guān)系為：Q1=Q2Q1=Q2短管水力計算分類對于短管恒定流，管長、管徑、管材以及管壁粗糙情況，局部阻力結(jié)構(gòu)和組成均是確定的，短管的水力計算有以下幾種類型：已知流量Q，管徑d，計算H0（如設(shè)計水箱或水塔水位標(biāo)高）已知水頭H0，管徑d，計算流速v和通過的流量Q，這類問題多屬于校核情況（可直接用短管出流的基本公式或應(yīng)用能量方

3、程求解）已知通過管道的流量Q，水頭H0，設(shè)計管徑d（這類問題以管徑為未知數(shù)，代入短管出流的流量方程，通常用試算法求解）虹吸管：管道軸線一部分高出無壓的上游供水水面。具有可以跨越高地，減少挖方，便于操作等優(yōu)點(diǎn)。為防止氣塞發(fā)生，虹吸管的允許真空度一般為hv=78m（由真空泵或水射器將虹吸管內(nèi)空氣抽出，形成部分真空，水在上游水面大氣壓強(qiáng)作用下進(jìn)入虹吸管內(nèi)并充滿它；之后，在上下游水頭差的作用下，使水不斷流到下游集水井或水池中）涵管（倒虹吸管）：當(dāng)小的河流穿過公路和鐵路路基時，常采用涵管涵管虹吸輸水：世界上最大直徑的虹吸管(右側(cè)直徑1520毫米、左側(cè)600毫米),虹吸高度均為八米，猶如一條巨龍伴游一條小

4、龍匐臥在浙江杭州蕭山區(qū)黃石垅水庫大壩上，尤為壯觀，已獲吉尼斯世界紀(jì)錄。如圖所示離心泵，抽水流量Q=8.8L/s，吸水管長l=7.5m，直徑D為100mm，沿程阻力系數(shù)=0.045，局部水頭損失系數(shù)為：有濾網(wǎng)的底閥v=7.0，90o彎b=0.3，泵的允許吸水真空高度hv=5.7m，確定水泵的最大安裝高度Hp。解：取吸水池水面1-1和水泵進(jìn)口斷面2-2列伯努利方程，忽略吸水池水面流速作業(yè)1、2長管的水力計算長管水頭損失的計算由水塔向工廠供水，如圖所示，采用鑄鐵管。管長l=2500m，管徑d=400mm。水塔處地形標(biāo)高 1=61m，水塔水面距離地面高度H1=18m，工廠地形標(biāo)高2=45m，管路末端需

5、要的自由水頭H2=25m，求通過管路的流量。上題中，若車間需水量Q=0.152m3/s，管線布置、地面標(biāo)高及供水點(diǎn)需要的最小服務(wù)水頭都不變，試設(shè)計水塔高度。保持上題車間需水量Q=0.152m3/s，水塔高度H1=18m，管線布置、地面標(biāo)高及供水點(diǎn)需要的最小服務(wù)水頭都不變，試設(shè)計管徑。由此可見，所需管徑在D1與D2之間而實(shí)際無此規(guī)格產(chǎn)品，為防止小管徑引起的流量不足和大管徑的浪費(fèi)，通常選用兩種直徑的管道進(jìn)行串聯(lián)串聯(lián)管路串聯(lián)管路：由直徑不同的管段首尾順次連接而成的管路稱為串聯(lián)管路 串聯(lián)管路計算的基本公式: 某供水管路，總長l=3000m，作用水頭H=28m，要求輸水流量為160L/s,試將管路設(shè)計成

6、串聯(lián)的兩根鑄鐵管段，以便充分利用水頭和保證流量并聯(lián)管路并聯(lián)管路：兩根或兩根以上管段的起點(diǎn)和終點(diǎn)相同的管路（或在兩個節(jié)點(diǎn)之間連接兩根或兩根以上管段的管路）并聯(lián)管路計算的基本公式: 并聯(lián)管路計算的基本公式: 三根并聯(lián)管路的粗糙度系數(shù)為0.013，總流量Q=0.32m3/s,已知d1=300mm，d2=250mm，d3=200mm，l1=l3=1000m，l2=800m，試求三根管段的流量Q1，Q2，Q3沿程均勻泄流管路途泄流量(Qt)： 沿著管長從側(cè)面不斷連續(xù)向外泄出的流量轉(zhuǎn)輸流量/貫通流量/通過流量(Qz)： 傳輸?shù)揭院蟾鞴芏蔚牧髁垦爻叹鶆蛐沽鞴苈罚?管段單位長度上的流量等于q的管路 （q為比流

7、量）如圖，由水塔供水的輸水塔，有三段鑄鐵管組成，中段為均勻泄流管段。已知：l1=500m,d1=200mm,l2=150m，d2=150mm,l3=200m,d3=125mm,節(jié)點(diǎn)B分出流量q=0.01m3/s，途泄流量Qt=0.015m3/s，傳輸流量Qz=0.02m3/s，求需要的水塔高度（作用水頭）。 解：首先將途泄流量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)輸流量各管段流量為：作業(yè)6、7管網(wǎng)水力計算管網(wǎng)是由若干條簡單管路組合而成的，可分為枝狀管網(wǎng)(a)和環(huán)狀管網(wǎng)(b)兩種管網(wǎng)內(nèi)的各管段的管徑是根據(jù)流量Q及速度v二者來決定的，在流量Q一定的條件下，管徑隨著在計算中所選擇的速度v的大小而不同流速大，管徑小，管路造價低，水

8、頭損失大，增加水塔高度及抽水的運(yùn)行費(fèi)用流速小，管徑大，水頭損失小，減少抽水的運(yùn)行費(fèi)用，管路造價高經(jīng)濟(jì)流速： 采用一定的流速使得供水的總成本（包括建筑水管的建設(shè)費(fèi)、抽水機(jī)站建設(shè)費(fèi)、水塔建設(shè)費(fèi)及抽水經(jīng)常運(yùn)營費(fèi)的總和）最低。這種流速稱為經(jīng)濟(jì)流速ved=100-400mm時， ve=0.6-1.0m/sd400mm時， ve=1.0-1.4m/s枝狀管網(wǎng)（1）新建給水系統(tǒng)的設(shè)計：已知地形、管長、管材、用戶位置、用水量、要求的自由水頭未知量：水塔高、管徑計算步驟：(1)按照經(jīng)濟(jì)流速在已知流量下選擇管徑：(2)計算出各管段的水頭損失：(3)確定水塔高度： 式中Hz為控制點(diǎn)的最小服務(wù)水頭；z0為控制點(diǎn)的地形

9、標(biāo)高；zt為水塔處的地形標(biāo)高；hf為從水塔到管網(wǎng)控制點(diǎn)的總水頭損失。(2)改擴(kuò)建給水系統(tǒng)的設(shè)計：已知水塔高度Ht、管路沿線地形、管路長度l、用水點(diǎn)的最小服務(wù)水頭Hs及通過的流量Q未知量：管徑 因水塔高度已定，若用經(jīng)濟(jì)流速確定管徑，往往達(dá)不到供水要求。計算步驟：根據(jù)枝狀管網(wǎng)各干線的已知條件，算出它們各自的平均水力坡度：選擇其中平均水力坡度最小的管線作為控制干線進(jìn)行設(shè)計控制干線上按水頭損失均勻分配，即各管段水力坡度相等的條件計算各管段比阻：按照求得的比阻值選擇各管段直徑，實(shí)際選用時，可取部分管段比阻大于計算值，部分小于計算值控制管線確定后計算出各節(jié)點(diǎn)的水頭，以此為準(zhǔn)繼續(xù)設(shè)計各支線管徑環(huán)狀管網(wǎng)管網(wǎng)的

10、管線布置、各管段的長度、管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的流量已知，待求各管段的通過流量Q、各管段的管徑d，各管段的水頭損失hf任意環(huán)狀管網(wǎng)，存在關(guān)系式：未知數(shù)總數(shù)：2np滿足的水力條件：規(guī)定：環(huán)路內(nèi)以順時針方向的水流所引起的水頭損失為 正，逆時針方向的水流所引起的水頭損失為負(fù)哈代-克羅斯(Hardy-Cross)法：初估各管段的流量，并使各節(jié)點(diǎn)滿足（I）式的要求依據(jù)初值流量，計算各管段的水頭損失（只計沿程水頭損失）檢查環(huán)路的水頭損失是否滿足（II）式，若不滿足按下式計算修正流量 并對初值流量進(jìn)行修正。重復(fù)上述三步，直達(dá)閉合差 達(dá)到要求的數(shù)值為止管段ABBCBDCDS114.2793.44439.552016.00有壓管道的水擊 水擊傳播過程 水擊傳播過程設(shè)水擊波在全管長上來回傳遞一次所用的時間t=2l/c為一個相長，則兩個相長的時間t=4l/c為水擊波的全周期水擊壓強(qiáng)的計算關(guān)閉閥門時間Tz，水擊相長T=2l/c直接水擊Tz T 壓強(qiáng)計算公式：水擊波的傳播速度： c0為水中聲波的傳播速度，K為水的彈性模量，E為管壁的彈