水力學(xué)課件第五章管道

孔口、管嘴出流和有壓管路同濟大學(xué) 航力學(xué)院INDEX孔口出流管嘴出流短管出流長管的水力計算給水管網(wǎng)水力計算基礎(chǔ)有壓管路中的水擊基本介紹：前面幾章主要闡述了流體運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行具體分析研究?？卓诔隽鳌粼谌萜鞅谏祥_孔，水經(jīng)孔口流出的水力現(xiàn)象。管嘴出流——若在孔口上連接長為3～4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。有壓管流——水沿管道滿管流動的水力現(xiàn)象。水力計算特點：

孔口、管嘴出流和有壓管流的水力計算，是連續(xù)性方程、能量方程以及流動阻力和水頭損失規(guī)律對工程實踐的具體應(yīng)用。

孔口出流——僅考慮局部損失

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)孔口出流的條件，孔口出流可有以下分類：1．小孔口、大孔口出流：從理論上來說，容器側(cè)壁上的孔口的上緣和下緣在水面以下的深度是不同的，所以，孔口出流時其斷面上的流速也是有差異的。若d/H≤0.1時，這種孔口稱為小孔口；若d/H＞0.1時，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?？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=pa，液面恒定：vo=0收縮斷面流速φ——孔口的流速系數(shù)，φ=0.97~0.98。是粘性流體與理想流體速度的比值薄壁銳緣小孔口的恒定自由式出流

列斷面0—0與收縮斷面c—c的能量方程：孔口流量全部收縮（完善收縮）、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)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：孔板流量計注意：A——孔口面積，μ也可查表薄壁大孔口出流

如果用孔口中心壓強水頭H作為孔口作用水頭，即將孔口斷面各點的壓強水頭視為相等，按小孔口計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0.700.65~0.700.70~0.750.80~0.85d/H＞0.1非恒定出流（以液面下降為例）等截面S容器，t時刻孔口水頭hdt內(nèi)流出體積容器減少體積容器放空：h2=0V——放空容器的體積Qmax——開始出流時最大流量放空時間是水位不下降時放空所需時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,然后又逐漸擴大.特征：流速流量與孔口比較:由于真空的抽吸作用，流量增加1.32倍對銳緣進口的管嘴，ζ=0.5，管嘴正常使用條件防止氣蝕列C-C、B-B斷面能量方程連續(xù)性方程取解得C-C斷面真空值允許真空值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）外伸擴張型管嘴；（e）流線型外伸管嘴類型特點ζφεμ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外伸擴張形管嘴損失大、流速低、壓力大（擴壓管）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，在進行水力計算時均不能忽略的管路。在工程實踐中，經(jīng)常遇見的如有壓涵管、倒虹管、水泵的吸水管和壓水管等就屬于短管。分類:根據(jù)短管出流的形式不同，可將其分為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相同點：流量計算公式的形式以及流量系數(shù)的數(shù)值均相同不同點：兩者的作用水頭在計量時有所不同，自由出流時是指上游水池液面至下游出口中心的高度，而淹沒出流時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短管水力計算的內(nèi)容四類問題：已知水頭H、管徑d，計算通過流量Q；已知流量Q、管徑d，計算作用水頭H，以確定水箱、水塔水位標高或水泵揚程H值；已知流量Q、水頭H，設(shè)計管道斷面，即計算管徑d；分析計算沿管道各過水?dāng)嗝娴膲簭?。校核輸水能力設(shè)計水塔或選泵設(shè)計管路系統(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算局部損失（包括速度水頭）不計，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S0s2/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。計算比阻的公式2.舍維列夫公式對于舊鋼管、舊鑄鐵管通常采用舍維列夫公式，見第四章，當(dāng)1.2m/s（過渡區(qū)），式中K表示修正系數(shù)，即K舍維列夫公式的修正系數(shù)Kv（m/s）0.200.250.300.350.400.450.500.550.60K1.411.331.281.241.201.1751.151.131.115v（m/s）0.650.700.750.800.850.901.01.11.2K1.101.0851.071.061.051.041.031.0151.00當(dāng)（粗糙區(qū)）

長管的計算，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，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)點流量滿足連續(xù)性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)計管路.為充分利用水頭，設(shè)計串聯(lián)管道解：（1）如按簡單長管計算查水力計算表S01=0.105→d1=450mm浪費水頭，投資加大S02=0.196→d2=400mm水頭不夠或流量不夠（2）設(shè)計串聯(lián)管路,充分利用水頭d1=450mm→L1d2=400mm→L2解得2.并聯(lián)管道——兩根以上的管道，兩端都接在公共點上特點：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的泵從兩個有初始液位差h=0.5m的油箱中吸油，在節(jié)點A以前的兩條管路有相同的長度l=10m和直徑d=50mm，若λ=0.03，不計局部阻力，求：（1）泵開始吸油時，每個油箱流出的流量q1和q2各為多少？解：A點連續(xù)性方程解得（1）必須pA≥0，列低油箱到A點的能量方程會出現(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z≥1.27m（2）當(dāng)h是多少時，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)h>1.27m時會出現(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

管網(wǎng)計算兩種形式：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，應(yīng)該作綜合評價，采用經(jīng)濟流速經(jīng)濟流速——在選用時應(yīng)使得給水的總成本（包括鋪設(shè)水管的建筑費、泵站建筑費、水塔建筑費及抽水經(jīng)常運轉(zhuǎn)費之總和）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)濟流速=1.0~1.4m/s。經(jīng)濟流速v=0.6~1.0m/s；1.枝狀管網(wǎng)的水力計算（兩類）（1）新建給水系統(tǒng)的設(shè)計a.由連續(xù)性方程確定節(jié)點流量b.由流量確定各管段管徑ve——經(jīng)濟流速（規(guī)范要求）已知管網(wǎng)沿線的地形資料、各管段長度、管材、各供水點的流量和要求的自由水頭（各用水器具要求的最小工作壓強水頭），要求確定各管段管徑和水塔水面高度及水泵揚程c.由控制線確定作用水頭d.阻力平衡，調(diào)整支管管徑式中Hz——控制點的自由水頭；

z0——控制點地形標高；

zt——水塔處的地形標高；

hf——從水塔到管網(wǎng)控制點的總水頭損失。不是整個管網(wǎng)的總水頭損失充分利用能量a.由連續(xù)性方程確定節(jié)點流量b.由控制線確定水力坡度擴建給水系統(tǒng)的設(shè)計——已知管網(wǎng)沿線地形、各管段長度、管材及各供水點需要的流量與自由水頭，在水塔已建成的條件下，確定擴建管段管徑的計算。（2）擴建給水系統(tǒng)的設(shè)計計算原則是：要充分利用已有的作用水頭。

C.根據(jù)公式求出S0，再查表，選擇管徑ｄ。

d.計算支管管徑（串聯(lián)管路），并進行阻力平衡2.環(huán)狀管網(wǎng)的水力計算通常環(huán)狀管網(wǎng)的布置及各管段的長度因此，環(huán)狀管網(wǎng)水力計算的目的仍是確定各管段通過的流量Q和管徑d，從而求出各段的水頭損失和確定水塔的高度。

和各節(jié)點流出的流量為已知。管網(wǎng)上管段ng和環(huán)數(shù)nk以及節(jié)點數(shù)np，存在著以下關(guān)系而管網(wǎng)中的每一管段均有兩個未知數(shù)，Q和d，未知數(shù)的總數(shù)為：環(huán)狀管網(wǎng)的水力計算，應(yīng)遵循以下兩條水力準則進行反復(fù)運算：

1.水流的連續(xù)性原理：

Q=0

2.能量相等原理：

（1）節(jié)點方程（2）回路方程校正流量ΔQ展開，略去二階微量由例：兩個閉合回路的管網(wǎng)，參數(shù)見圖，不計局部阻力，求各管段通過的流量（閉合差小于0.3m即可）解：取ABCD為環(huán)路1，CDEF為環(huán)路2，按順時針繞行（1）按ΣQi=0分配流量從A點和最遠點F點分配，可假設(shè)（2）計算各管段損失并填表注意正負號（3）計算校正流量ΔQ注意公共段CD環(huán)路管段假定流量Qi

Sihihi/QiΔQ管段校正流量校正后的流量Qi校正后的hi1AB+0.1559.76+1.33468.897-0.0014-0.00140.14861.3196BD+0.1098.21+0.98219.821-0.00140.09860.9548DC-0.01196.42-0.01961.960-0.0014-0.0175-0.0289-0.1641CA-0.1598.21-2.209714.731-0.0014-0.1514-2.2512Σ0.087435.410-0.1409環(huán)網(wǎng)計算表環(huán)路管段假定流量Qi

Sihihi/QiΔQ管段校正流量校正后的流量Qi校正后的hi2CD+0.01196.42+0.01961.9600.0175+0.0175+0.00140.02890.1641DF+0.04364.42+0.583014.575+0.01750.05751.2049FE-0.03911.05-0.819927.330+0.0175-0.0125-0.1424EC-0.08364.42-2.332329.154+0.0175-0.0625-1.4235Σ-2.549673.019-0.1969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、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），從而引起壓強突然變化（升壓和降壓交替進行）。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——水擊時所產(chǎn)生的升壓，可達原來正常壓強的幾倍甚至幾十倍，而且增壓和減壓的頻率很高，往往會引起管道激烈震動，嚴重時會造成閥門破壞、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時到達管道口發(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時到達閥門第三階段在t=3l/c時到達管道口減速減壓過程增速減壓過程

第四階段在t=4l/c時到達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都隨時間周期性的升高和降低，不斷地變化。

循環(huán)、衰減如果關(guān)閉閥門的時間T小于一個相長，即T

那么最早發(fā)出的水擊波的反射波在到達閥門之前，閥門已經(jīng)關(guān)閉完畢。這種水擊波的運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，這種水擊稱為直接水擊。直接水擊水擊壓強增量

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度較短，或閥門關(guān)閉的時間較長，關(guān)閉時間T那么閥門開始關(guān)閉時發(fā)出的水擊波（增壓波）的反射波（減壓波）到達閥門時，閥門仍在繼續(xù)關(guān)閉，則增壓和減壓會相互疊加后抵消，使這種水擊在閥門處的水擊壓強小于直接水擊的水擊壓強。間接水擊的最大升壓p為Tz=2l/c——相長T——閥門關(guān)閉時間c0——水中聲音傳播速度（1440m/s）E0——水的彈性系數(shù)（2.07×109Pa）E——管材彈性系數(shù)（鋼：206×109Pa）δ——管材壁厚水擊波的傳播速度3.減小水擊壓強的措施(3).管道上設(shè)置安全閥、水擊消除閥等裝置

;(1).限制管中流速;

(2).延長閥門關(guān)閉時間;(4).在管道上設(shè)置空氣室、調(diào)壓塔等裝置。

一、自由紊流射流的一般特征自由紊流射流射流質(zhì)量逐漸增加，速度逐漸降低動量守恒——動力特征二、圓形斷面的射流1.射流半徑Rφ——噴口形狀系數(shù)（圓：φ=3.4；長條縫：φ=2.44）

a——噴口紊流強度系數(shù)a——射流結(jié)構(gòu)的幾何特征系數(shù)2.射流中心速度vm由動量守恒方程及半徑經(jīng)驗公式通過變換，得3.射流斷面流量Q通過變換，得4.斷面平均流速v1由得5.質(zhì)量平均流速v26.核心長度st和收縮角φ由vm=v0，s=st代入射流中心速度vm表達式，得工程上常使用軸心附近較高的速度區(qū)，因此v2比v1更合適反映射流軸心附近的平均速度由工作地帶一般應(yīng)在基本段（初始段公式不再推導(dǎo)）例：某車間安裝一圓形截面噴嘴的送風(fēng)機（a=0.08），送風(fēng)口直徑d0=0.4m，送風(fēng)量Q