第五章 壓力管路水力計(jì)算

第五章壓力管路的水力計(jì)算第一節(jié)管路特性曲線第二節(jié)長(zhǎng)管的水力計(jì)算第三節(jié)短管的水力計(jì)算第四節(jié)

孔口與管嘴出流1學(xué)習(xí)要點(diǎn)：

1.短管（虹吸管、水泵吸水管、有壓涵管等）、長(zhǎng)管（串聯(lián)管、并聯(lián)管）的水力計(jì)算及水頭線的繪制。

2.了解泵與管道系統(tǒng)的水力性能。

3.孔口、管嘴自由、淹沒(méi)出流的基本公式。2一、概念概述有壓管流（penstock）：流體沿管道滿管流動(dòng)的水力現(xiàn)象稱為有壓管流。

液體管壁有壓管道液體自由面管壁無(wú)壓管道管道被液體充滿，管道周界各點(diǎn)受到液體壓強(qiáng)作用，其斷面各點(diǎn)壓強(qiáng)，一般不等于大氣壓強(qiáng)。3工程中，常用各種有壓管道輸送液體，如水電站壓力引水鋼管；水庫(kù)有壓泄洪隧洞或泄水管；供給的水泵裝置系統(tǒng)及管網(wǎng)；輸送石油的管道。

4二、分類1.按局部水頭損失和沿程水頭損失之和在總水頭損失中所占的比重，可分為有壓管道長(zhǎng)管：指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，可予以忽略的管道。短管：局部水頭損失和流速水頭不能忽略的管道，需要同時(shí)計(jì)算的管道。51長(zhǎng)管和短管不按管道絕對(duì)長(zhǎng)度決定。2當(dāng)管道存在較大局部損失管件，例如局部開(kāi)啟閘門、噴嘴、底閥等。既是管道很長(zhǎng)，局部損失也不能略去，必須按短管計(jì)算。

3長(zhǎng)管：忽略局部水頭損失和流速水頭（沿程損失不能略去），計(jì)算工作大大簡(jiǎn)化，其對(duì)結(jié)果又沒(méi)有多大影響。注意

6短管

長(zhǎng)管

兩種水頭損失大小比重局部水頭損失、流速水頭占總水頭損失比例較大（大于5%），計(jì)算時(shí)不能忽略沿程水頭損失水頭為主，局部損失和流速水頭在總水頭損失中所占比重很小，計(jì)算時(shí)可忽略。

管道按布置分

簡(jiǎn)單管道

復(fù)雜管道

串聯(lián)管道

并聯(lián)管道

分枝管道

7第一節(jié)管路特性曲線一．泵的水力特性泵性能曲線：水泵的出水流量qV分別與揚(yáng)程H、效率、軸功率N的關(guān)系曲線（qV

~H，qV

~，qV

~N曲線）。其中：水泵的qV

~H關(guān)系曲線稱為水泵的水力性能曲線二．管路系統(tǒng)的水力特性管路系統(tǒng)的性能曲線：管路系統(tǒng)流量和水頭損失關(guān)系曲線（qV

~hf）8三．泵與管路系統(tǒng)的水力耦合工況M點(diǎn)工況為設(shè)計(jì)工況;qVm為設(shè)計(jì)流量;Hm為設(shè)計(jì)水頭。工況點(diǎn)M變，則服務(wù)水頭Hz變；水泵水力性能曲線越平坦則供水越穩(wěn)定；在管網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須校驗(yàn)并使之滿足在最大流量下控制點(diǎn)的服務(wù)水頭滿足設(shè)計(jì)要求。Hg=Hz+（zt―z0）9管道的種類:簡(jiǎn)單管道串聯(lián)管道并聯(lián)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)算基本公式連續(xù)方程沿程損失能量方程第二節(jié)長(zhǎng)管的水力計(jì)算10層流：水力光滑區(qū)：水力粗糙區(qū)：混合摩擦區(qū)（大慶設(shè)計(jì)院公式）：11綜合式：m層流水力光滑水力粗糙混合摩擦14.150.02460.250.08020.08260.123012三類計(jì)算問(wèn)題簡(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)。（1）已知qV、l、d、z、，求,J；（2）已知ΔP

、l、d、

z，,求qV；（3）已知qV

、l、z、，求d。13第一類問(wèn)題的計(jì)算步驟qV、l、d計(jì)算Re計(jì)算計(jì)算hf、ΔP、J（1）已知qV、l、d、z、，求,J；14第二類問(wèn)題的計(jì)算步驟假設(shè)流態(tài)

計(jì)算qV計(jì)算v、Re校核流態(tài)重新假設(shè)NY得出qV（2）已知ΔP

、l、d、

z，,求qV；15第三類問(wèn)題的計(jì)算步驟qV取d，計(jì)算v、Re計(jì)算hf計(jì)算S動(dòng)、S費(fèi)取不同d得S動(dòng)、

S費(fèi)～d曲線（3）已知qV

、l、z、，求d。dm參考合適經(jīng)濟(jì)流速選d16二、串聯(lián)管道由不同管道直徑d和管壁粗糙度△的數(shù)段根管子連接在一起的管道。ABH21串聯(lián)管道特征1.各管段的流量相等2.總損失等于各段管道中損失之和17兩類計(jì)算問(wèn)題ABH21（1）已知串聯(lián)管道的流量qV，求總水頭H；（2）已知總水頭H，求串聯(lián)管道的流量qV

。18??????íì+=+=++=++=232121322212321222qQQqQQgdlvgdlvgdlvhhhHfff）（）（）（lllQ1、l1、d1Q2、l2、d2Q3、l3、d3q1q2Hhf1hf2hf319上式是串聯(lián)管道的基本公式，聯(lián)立以上三式，可解算Q、d、H

等問(wèn)題。

IR1UIR2IR320按短管計(jì)算對(duì)上游斷面和出口斷面列能量方程，則

Q1、l1、d1Q2、l2、d2Q3、l3、d3H21在長(zhǎng)管的條件下，各段的測(cè)壓管水頭線與總水頭線重合，管道水頭線呈折線，因?yàn)楦鞴芏瘟魉俨煌^線坡度也各不相同。Q1、l1、d1Q2、l2、d2Q3、l3、d3q1q2Hhf1hf2hf322三、并聯(lián)管道由幾條簡(jiǎn)單管道或串聯(lián)管道，入口端與出口端分別連接在一起的管道系統(tǒng)。并聯(lián)管道特征1.總流量是各分管段流量之和。2.并聯(lián)管道的損失等于各分管道的損失。AQQ1d1hw1Q2d2hw2Q3d3hw3BQ特點(diǎn)：一般按長(zhǎng)管進(jìn)行水力計(jì)算23各支管水頭損失，按長(zhǎng)管計(jì)算，則

各支管的流量與總流流量之間應(yīng)滿足連續(xù)方程，即

設(shè)各管徑、流量分別為di、Qi

，i=1~3?？紤]每一支管的能量方程，則

24兩類計(jì)算問(wèn)題（1）已知A點(diǎn)和B點(diǎn)的靜水頭線高度（即z+p/g)，求總流量qV；AQQ1d1hw1Q2d2hw2Q3d3hw3BQ求解方法相當(dāng)于簡(jiǎn)單管道的第二類計(jì)算問(wèn)題。假設(shè)流態(tài)，由hf

計(jì)算qV計(jì)算v、Re校核流態(tài)重新假設(shè)NY得出qV25（2）已知總流量qV

，求各分管道中的流量及能量損失

。假設(shè)管內(nèi)流態(tài)確定各管流量比由qV1表示qV2和

qV3校核流態(tài)N結(jié)束計(jì)算計(jì)算qV1，再算出qV2和qV3計(jì)算v、Re

YAQQ1d1hw1Q2d2hw2Q3d3hw3BQ26塔里木油田，管投產(chǎn)1年零9個(gè)月CO2腐蝕穿孔四川達(dá)窩輸氣管線，H2S腐蝕造成開(kāi)裂爆炸事故，24人死亡27油氣管道開(kāi)裂和泄漏造成的環(huán)境污染嚴(yán)重美國(guó)1993年、1994年在華盛頓和新澤西洲發(fā)生的兩起輸氣管道爆裂事故28四、分支管路分支管道特征流入?yún)R合點(diǎn)的流量等于自匯合點(diǎn)流出的流量。29計(jì)算問(wèn)題－新建管道，確定管徑、起點(diǎn)壓力已知管網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式（地形、長(zhǎng)度、用戶位置）、用水量、用戶所需自給水頭，確定管徑和管網(wǎng)起點(diǎn)水壓。213Jz2z1z31根據(jù)管網(wǎng)布置圖，將管網(wǎng)分段編號(hào)2用連續(xù)性方程確定各段流量3以經(jīng)濟(jì)流速確定各段管徑4取標(biāo)準(zhǔn)管徑后，計(jì)算流速和摩阻5按長(zhǎng)管計(jì)算各段水頭損失hw6按串聯(lián)管道計(jì)算起點(diǎn)到控制點(diǎn)的總水頭損失。30計(jì)算問(wèn)題－擴(kuò)建管道，確定管徑已知管網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式（地形、長(zhǎng)度、用戶位置）、用戶用水量，起點(diǎn)壓力，確定管徑。213Jz2z1z31根據(jù)管網(wǎng)布置圖，將管網(wǎng)分段編號(hào)2計(jì)算每一個(gè)主干線的平均水力坡度，選擇其中最小的作為擴(kuò)建管網(wǎng)的控制干線3按平均水力坡度，計(jì)算各段摩阻4選擇管徑31中國(guó)天然氣管道32川渝環(huán)網(wǎng)干線：北干線南干線管長(zhǎng)：2906千米管徑：最大720mm鋼材：X603334歐洲天然氣管道北海海底管網(wǎng)阿意輸氣管道35美國(guó)天然氣管道灣流管道系統(tǒng)36俄羅斯輸氣管道俄羅斯已建和擬建跨國(guó)輸氣管道37一個(gè)抽水系統(tǒng)通過(guò)水泵轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)輪的作用，在水泵進(jìn)水口形成真空，使水流在池面大氣壓強(qiáng)的作用下沿吸水管上升，流經(jīng)水泵時(shí)從水泵獲得新的能量，進(jìn)入壓力管，再流入水塔。一、水泵吸水管的水力計(jì)算吸水管和壓力水管吸水管:短管壓力水管:長(zhǎng)管(短管)第三節(jié)短管的水力計(jì)算38水泵系統(tǒng)的水力計(jì)算394041虹吸管是一種壓力輸水管道，頂部彎曲且其高程高于上游供水水面。在虹吸管內(nèi)造成真空，使作用虹吸管內(nèi)產(chǎn)生真空，水流則能通過(guò)虹吸管最高處引向其他處。二、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。虹吸管長(zhǎng)度一般不長(zhǎng)，故按照短管計(jì)算。pa1122zzs虹吸管頂部42真空輸水：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龍匐臥在浙江杭州蕭山區(qū)黃石垅水庫(kù)大壩上，尤為壯觀，已獲吉尼斯世界紀(jì)錄。43虹吸管頂部的真空壓強(qiáng)理論值不能大于最大真空值（10mH2O）。當(dāng)虹吸管內(nèi)壓強(qiáng)接近該溫度下的汽化壓強(qiáng)時(shí)，液體將產(chǎn)生汽化，破壞水流連續(xù)性，可能產(chǎn)生空蝕破壞，故一般虹吸管中的真空值7～8mH2O。44例1：有一渠道用直徑為1.0m的混凝土虹吸管來(lái)跨越山丘，上游水位為▽1＝100.0m，下游水位為▽2＝99.0m，虹吸管長(zhǎng)度l1=8m

；l2=15m；l3=15m，沿程水頭損失系數(shù)為0.002，彎頭的局部水頭損失系數(shù)為0.365，進(jìn)口局部水頭損失系數(shù)為0.5；出口局部水頭損失系數(shù)為1.0。試確定：當(dāng)虹吸管中的最大允許真空度為7mH2O時(shí)，虹吸管最高安裝高程zs為多少？

00zzsl1l2l3BB例題

45求流量列0－0、1－1伯努力方程v00zzsl1l2l3BB46虹吸管中最大真空一般發(fā)生在管道最高位置。本題最大真空發(fā)生在第二個(gè)彎頭前的B-B斷面?？紤]0-0斷面和B-B斷面的能量方程00zzsl1l2l3BB47列0－0、B－B伯努利方程00zzsl1l2l3BB48作業(yè)

P167習(xí)題：5-6，5-7

49孔口出流（OrificeDischarge）：在容器壁上開(kāi)孔，流體經(jīng)孔口流出的水力現(xiàn)象稱為孔口出流。paHd應(yīng)用：排水工程中各類取水，泄水閘孔，以及某些量測(cè)流量設(shè)備均屬孔口。第四節(jié)孔口和管嘴泄流50小孔口（SmallOrifice）：當(dāng)d/H<0.1時(shí)，各點(diǎn)流速相等，且各點(diǎn)水頭亦相等。大孔口（BigOrifice）：當(dāng)d/H≥0.1時(shí)，水頭、壓強(qiáng)、速度沿孔口高度變化。1.根據(jù)d/H的比值大小分：大孔口、小孔口3.根據(jù)孔口水頭變化情況分：恒定出流、非恒定出流2.根據(jù)出流條件分：自由出流、淹沒(méi)出流paHd51管嘴出流按管嘴的形狀和裝置情況分圓柱形外管嘴：先收縮后擴(kuò)大到整滿管。流線形外管嘴：無(wú)收縮擴(kuò)大，阻力系數(shù)最小。圓錐形擴(kuò)張管嘴：較大過(guò)流能力，較低出口流速。引射器，水輪機(jī)尾水管，人工降雨設(shè)備。圓錐形收縮管嘴：較大出口流速。水力挖土機(jī)噴嘴，消防用噴嘴。m=0.82(a)(c)m=0.9~0.96m=0.9~0.98(b)m=0.45-0.5(d)=5??~7??在孔口上連接長(zhǎng)為3~4倍孔徑的短管，水經(jīng)過(guò)短管并在出口斷面滿管流出的水力現(xiàn)象。522

、薄壁小孔口恒定自由出流

l=d/2處的C-C斷面為收縮斷面（VenaContraction）。根據(jù)試驗(yàn)資料，收縮斷面直徑dc=0.8d。一、孔口恒定出流1、薄壁孔口薄壁孔口（SharpEdgedOrifice）：當(dāng)孔口具有銳緣時(shí)，孔壁與水流僅在一條周線上接觸，即孔口的壁厚對(duì)出流并不發(fā)生影響。這種孔口叫做薄壁孔口。收縮因數(shù)（ContractionCoefficient）：是指收縮斷面面積Ac與孔口斷面面積A之比，以表示。53

3.薄壁小孔口恒定自由出流的流速與流量計(jì)算考慮到：hf0；hw=hj=0vc2/2g。斷面0-0和收縮斷面C-C，列能量方程則得54——作用水頭（包括行進(jìn)流速）；式中：——水流經(jīng)孔口的局部阻力因數(shù)；——流速因數(shù)，，是收縮斷面的實(shí)際流體流速vc對(duì)理想流體流速的比值。圓形小孔口在Re很大的時(shí)候，流速因數(shù)，流經(jīng)小孔口的局部阻力因數(shù)?！卓诘牧髁恳驍?shù)，，對(duì)于薄壁小孔口：554、

薄壁小孔口恒定淹沒(méi)出流則取基準(zhǔn)面0-0，列斷面1-1與斷面2-2的能量方程因：H11122HH2v2v1vc0056式中：0、S分別為孔口局部阻力因數(shù)和孔口后突然擴(kuò)大的局部阻力因數(shù)，通常S=1。為孔口淹沒(méi)出流的流量因數(shù)，可取與自由出流時(shí)的流量因數(shù)相同，即

=0.62。

57

1.自由出流時(shí)，水頭H值？水面至孔口形心的深度；

2.

淹沒(méi)出流時(shí)，水頭H值？孔口上、下游水面高差。流速、流量與孔口在水面下的深度無(wú)關(guān)，所以也無(wú)“大”、“小”孔口區(qū)別。想一想：3.若d1=d2，試比較qV1與qV2的大小。58解:設(shè)兩個(gè)孔口的流量因數(shù)均為，由于兩孔口的流量相等，故可得：解得：例:水箱上有兩個(gè)完全相同的孔口，，如圖所示。試求密封容器上的表壓強(qiáng)p。

即：所以59影響孔口的因素(*)在邊界條件中，影響的因素有：孔口形狀、孔口邊緣情況、孔口在壁面上的位置三個(gè)方面?？卓谛螤顚?duì)的影響實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于小孔口，不同形狀孔口的流量因數(shù)影響不大?？卓谶吘壡闆r對(duì)的影響孔口邊緣情況對(duì)收縮因數(shù)會(huì)有影響：薄壁孔口的收縮因數(shù)最?。?0.64），圓邊孔口收縮因數(shù)較大，甚至等于1。60

全部收縮孔口（FullContrastiveOrifice）：當(dāng)孔口的全部邊界都不與相鄰的容器底邊和側(cè)邊重合時(shí)，孔口出流時(shí)的四周流線都發(fā)生收縮，這種孔口稱為全部收縮孔口(如A,B)。完善收縮（PerfectContraction）：凡孔口與相鄰壁面的距離大于同方向孔口尺寸的3倍（l>3a或

l>3b），孔口出流的收縮不受距壁面遠(yuǎn)近的影響，這就是完善收縮(如A)。全部收縮孔口又分完善收縮和不完善收縮。孔口在壁面上的位置對(duì)的影響孔口在壁面上的位置對(duì)收縮因數(shù)有直接的影響。不完善收縮(Non-perfectContraction)

：不滿足上述條件的孔口出流為不完善收縮(如B)。注：不完善收縮的流量因數(shù)較完善收縮的流量因數(shù)大。CDAal>3aBbL>3bl>3aL>3b61二、管嘴出流1、圓柱形外管嘴的恒定出流H000ccHPa11vCv0v（1）、自由出流：設(shè)水箱水位保持不變，表面為大氣壓強(qiáng)，管嘴為自由出流。由斷面0-0與1-1的能量方程得：管嘴出流（nozzledischarge）：流體流經(jīng)外管嘴并在出口斷面上形成滿管流的水力現(xiàn)象稱為管嘴出流。62結(jié)論：在相同水頭H0的作用下，同樣斷面面積的管嘴的過(guò)流能力是孔口的1.32倍。

——管嘴流量因數(shù)，因出口無(wú)收縮，——管嘴流速因數(shù)，式中：——管嘴局部阻力因數(shù)，即管道銳緣進(jìn)口局部阻力因數(shù)，取63（2）淹沒(méi)出流：與自由出流相似，運(yùn)用能量方程可得淹沒(méi)出流計(jì)算公式如下：其中：淹沒(méi)出流作用水頭為上、下游水頭差。與自由出流時(shí)等值。64斷面1-1與斷面c-c寫能量方程