孔口管嘴出流及有壓管流

孔口管嘴出流及有壓管流第1頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四工程實例第2頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四高壓管嘴噴嘴第3頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四主要內容孔口出流管嘴恒定出流短管的水力計算長管的水力計算離心式水泵及其水力計算第4頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四知識點與難點★本章所用知識點連續(xù)性方程能量方程沿程水頭損失局部水頭損失★重點掌握孔口、管嘴恒定出流的水力計算有壓管路恒定流動的水力計算離心式水泵的水力計算第5頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四概述第6頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四

孔口小孔口大孔口

管嘴

管路短管長管簡單管路復雜管路※復雜管路串聯(lián)管路并聯(lián)管路管網枝狀管網環(huán)狀管網第7頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四

孔口的分類及其與管嘴、管流的關系小孔口出流、大孔口出流（按H/d是否大于10來判定）恒定出流、非恒定出流淹沒出流、非淹沒出流薄壁出流、厚壁出流如果壁厚達到3～4d，孔口就可以稱為管嘴，收縮斷面將會在管嘴內形成，而后再擴展成滿流流出管嘴。管嘴出流的能量損失只考慮局部損失。如果管嘴再長，以致必須考慮沿程損失時就是短管了。第8頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四

液體從孔口以射流狀態(tài)流出，流線不能在孔口處急劇改變方向，而會在流出孔口后在孔口附近形成收縮斷面，此斷面可視為處在漸變流段中，其上壓強均勻。§6—1孔口出流HH0OOCAACDCvCv0第9頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四一.孔口出流的計算

計算特點：

出流特點：收縮現象1.自由式出流從1→C建立伯努利方程，有第10頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四式中：

為孔口流速系數，對于小孔口，式中：

、分別為孔口收縮系數和流量系數第11頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四

由于邊壁的整流作用，它的存在會影響收縮系數，故有完全收縮與非完全收縮之分，視孔口邊緣與容器邊壁距離與孔口尺寸之比的大小而定，大于3則可認為完全收縮。流量系數是流速系數與小孔口斷面收縮系數的乘積ab完全收縮非完全收縮無收縮第12頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四2.小孔口淹沒式出流從1→2建立伯努利方程，有（與自由式出流公式完全相同）（與自由式出流公式完全相同）第13頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四

大孔口出流的流量公式形式不變，只是相應的水頭應近似取為孔口形心處的值，具體的流量系數也與小孔口出流不同。由于孔口各點的作用水頭差異很大，如果把這種孔口分成若干個小孔口，對每個小孔口出流可近似用小孔口出流公式，然后再把這些小孔口的流量加起來作為大孔口的出流流量3.

大孔口恒定出流大孔口出流的流量系數，可查表大孔口形心的水頭第14頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四4.

孔口非恒定出流

孔口非恒定出流一般應考慮液面高度對孔口出流速度的影響。然而當孔口面積遠小于容器面積時，液體在dt時段內的升降或壓強的變化緩慢，慣性力可忽略不計，此時可把整個變速的流動過程劃分為許多小區(qū)間，在每個小區(qū)間仍可按恒定流處理。經孔口流出的液體體積容器內減少的液體體積第15頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四對上式積分若H2=0,Qmax—

開始出流的最大流量變水頭出流的放空時間，等于在起始水頭作用下流出同體積的液體所需時間的兩倍。第16頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四§6—2管嘴恒定出流

在容器孔口上連接一段斷面與孔口形狀相似，長度為(3-4)d的短管，這樣的短管稱為管嘴，液流流經管嘴且在出口斷面滿管流出的現象稱為管嘴出流。第17頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四一、管嘴出流的計算

計算特點:

出流特點:在C-C斷面形成收縮，然后再擴大，逐步充滿整個斷面。第18頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四從1→2建立伯努利方程，有式中：

為管咀流速系數，第19頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四★管嘴正常工作條件

式中：

為管咀流量系數，例題1第20頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四

一.圓柱形外伸管嘴出流

管嘴出流的局部損失由兩部分組成，即孔口的局部水頭損失及收縮斷面后擴展產生的局部損失，水頭損失大于孔口出流。但管嘴出流為滿流，因此流量系數仍比孔口大，其出流公式為第21頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四圓柱形外管嘴的流量系數圓柱形外管嘴的流速系數圓柱形外管嘴的局部阻力系數第22頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四

管嘴出流流量系數的加大也可以從管嘴收縮斷面處存在的真空來解釋，由于收縮斷面在管嘴內，壓強要比孔口出流時的零壓低，必然會提高吸出流量的能力。D3～4DvCvcC第23頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四

圓柱形外管嘴的真空度列c-c和2-2斷面的能量方程按突擴計算第24頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四對圓柱形外管嘴：由實驗得：取a=1.0,則得：

圓柱形外管嘴收縮斷面的真空度可達作用水頭的75%，管嘴的作用相當于將孔口自由出流的作用水頭增加了0.75倍，這樣就提高了管嘴的出流能力。第25頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四管嘴長度為(3-4)d

圓柱形外管嘴的正常工作條件第26頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四

有壓管道恒定流動水力計算主要解決以下幾方面問題：§6—3有壓管道恒定流動的水力計算①計算管道輸水能力；

②確定作用水頭；

③計算沿程壓強分布。實際流體恒定總流能量方程沿程損失局部損失

已能定量分析，原則上解決了恒定總流能量方程中的粘性損失項。管道中的滿流第27頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四管道水力計算的基本公式

連續(xù)性方程

伯努利方程式中E為外界（泵、風機等）加給單位重量流體的機械能。能量損失第28頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四一、管道系統(tǒng)分類

1．按能量損失大小

長管：凡局部阻力和出口速度水頭在總的阻力損失中，其比例不足5％的管道系統(tǒng)，稱為水力長管，也就是說只考慮沿程損失。

短管：在水力計算中，同時考慮沿程損失和局部損失的管道系統(tǒng)，稱為短管。

2．按管道系統(tǒng)結構簡單管道：管徑和粗糙度均相同的一根或數根管子串聯(lián)在一起的管道。復雜管道：除簡單管道以外的管道系統(tǒng)，稱為復雜管道，又可分成：

1）串聯(lián)管道：不同管徑或不同粗糙度的數段管子串聯(lián)聯(lián)接所組成的管道系統(tǒng)。

2）并聯(lián)管道：是指數段管道并列聯(lián)接所組成的管道系統(tǒng)。第29頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四枝狀管道：各不相同的出口管段在不同位置分流，形狀如樹枝。網狀管道：通過多路系統(tǒng)相互連接組成一些環(huán)形回路，而節(jié)點的流量來自幾個回路的管道。管道系統(tǒng)分類第30頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四

有壓管道的進口是淹沒的，出口分自由和淹沒兩種情況，它們的作用水頭是不同的。

二.短管的水力計算

自由出流vOO1122H第31頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四

上游總水頭和下游測管水頭之差，用于支付出口速度水頭和全部水頭損失（包括沿程損失及所有局部損失）。

改寫作用水頭H0第32頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四=H0=0==vOO1122H管系流量系數作用水頭

H第33頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四vOO112233

淹沒出流Hh=H+h0===h作用水頭

H第34頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四vOO112233Hh用3-3斷面作下游斷面=H+h0===0h=出口水頭損失按突擴計算第35頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四vOO112233Hh管系流量系數

淹沒與自由出流相比，作用水頭不同，管系流量系數相同，局部損失中不包含2-2斷面出口損失。

第36頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四簡單管道水力計算特例——虹吸管及水泵ZZs

虹吸管是一種壓力管，頂部彎曲且其高程高于上游供水水面。其頂部的真空值一般不大于7~8m水柱高。虹吸管安裝高度Zs越大，頂部真空值越大。虹吸管的優(yōu)點在于能跨越高地，減少挖方。虹吸管長度一般不長，故按短管計算。1122通過水泵轉輪轉動的作用，在水泵進口端形成真空，使水流在池面大氣壓作用下沿吸水管上升，流經水泵時從水泵獲得新的能量，從而輸入壓力管，再流入水塔。安裝高度提水高度安裝高度ZZs吸水管壓水管水泵向單位重量液體所提供的機械能，稱為水泵的揚程返回第37頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四1水泵的水力計算zz2112233

水泵最大真空度不超過6ml2l1水泵允許安裝高度

水泵揚程

流量Q，吸水管長l1，壓水管長l2，管徑d，提水高度z

，各局部水頭損失系數，沿程水頭損失系數要求確定計算已知第38頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四zz2112233l2l1Q，dv水泵允許安裝高度第39頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四zz2112233l2l1

水泵揚程=提水高度+全部水頭損失第40頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四水泵吸水管的水力計算計算內容：已知，求水泵安裝高度。例題2第41頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四2.虹吸水力計算虹吸灌溉第42頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四真空輸水：世界上最大直徑的虹吸管(右側直徑1520毫米、左側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)黃石垅水庫大壩上，尤為壯觀，已獲吉尼斯世界紀錄。第43頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四我國最大的倒虹吸管第44頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四例題3第45頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四如果作用水頭的95%以上用于沿程水頭損失，我們就可以略去局部損失及出口速度水頭，認為全部作用水頭消耗在沿程，這樣的管道流動稱為水力長管。否則為水力短管。三、長管的水力計算

對水力長管，總水頭線就是測壓管水頭線簡單管路第46頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四流量模數與流量具有相同的量綱

對水力長管，根據連續(xù)方程和謝才公式（P107)可知

長管:作用水頭全部用于支付沿程損失第47頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四

壓強的沿程分布入口斷面0-0，任意斷面i-i

通過有壓管道定常流動的水力計算，容易確定沿程壓強的分布，得到測壓管水頭線。測壓管水頭線低于管軸線，為負壓。工程中有時需要避免壓力的低值，為此找出管道中的壓力最低點，檢驗其是否滿足要求。如壓力過低，可采取調整管道位置高程、降低流速等措施解決。第48頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四1、管道水力計算主要任務

管道水力計算的主要任務是：(1)根據給定的流量和允許的壓強損失確定管道直徑和管道布置；(2)根據給定的管道直徑、管道布置和流量來驗算壓強損失；(3)根據給定的管道直徑、管道布置和允許的壓強損失，校核流量。管道水力計算的基本公式有連續(xù)性方程、伯努利方程和能量損失公式等三個。連續(xù)性方程常數或常數伯努利方程式中E為外界（泵、風機等）加給單位重量流體的機械能。第49頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四能量損失其中

由上面管道系統(tǒng)分類可知，管道系統(tǒng)的分類類似于電路系統(tǒng)。因此，管道水力計算類似于電路計算，管道中的流量相當于電路中的電流；壓降相當于電壓，管道阻力相當于電阻。，第50頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四2、串聯(lián)管道第51頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四等值長度

以沿程損失為主，必要時用等值長度計算局部損失。水頭線中不畫局部損失和速度水頭。第52頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四n

段串聯(lián)管道各段的流量、流速、管徑、長度可不同，各段損失分別計算然后疊加，認為作用水頭全部用于沿程損失，可得一個方程

各段流量間的關系由連續(xù)原理確定，又可得n-1個方程第53頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四3、并聯(lián)管道

第54頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四

n段并聯(lián)管道的水頭損失是相同的，給出n-1個方程

流量之和為總流量，又可得一個方程(i=1,…,n)Q3Q2Q1hf1=hf2=hf3hfABhfCDHABCDq1第55頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四4、沿程均勻泄流管路

沿管長單位長度上泄出相等的流量通過流量總途泄流量第56頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四當距開始泄流斷面x處，取長度dx的微小管段，認為通過的流量QM不變第57頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四

分枝狀管網應按最不利點設計干管，在干管各段的流量分配給定，管徑由經濟流速確定的情況下，可以決定所需作用水頭。此后的支管設計就成為已知水頭和流量求管徑的問題。5、枝狀管網第58頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四

工程上一般采用迭代法確定各管段流量分配，先給出流量分配初值，由經濟流速確定管徑，計算各閉合環(huán)水頭損失代數和，根據各閉合環(huán)代數和的值，推求校正流量，重新進行流量分配，繼續(xù)迭代過程，直至滿足要求。

對環(huán)狀管網的每一個節(jié)點可寫出連續(xù)方程，其中獨立的比總節(jié)點數少一個。管網中的每一個閉合環(huán)水頭損失的代數和為零。方程總個數恰為管網中的管段數。6、環(huán)狀管網第59頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四[例]

管路損失計算：沿程損失+局部損失

已知:圖CE3.7.2示上下兩個貯水池由直徑d=10cm，長l=50m的鐵管連接（ε=0.046mm）中間連有球形閥一個（全開時Kv=5.7），90°彎管兩個（每個Kb=0.64），為保證管中流量Q=0.04m3/s,求：兩貯水池的水位差H（m）。管內平均速度為解：管內流動損失由兩部分組成：局部損失和沿程損失。局部損失除閥門和彎頭損失外，還有入口（Kin=0.5）和出口（Kout=1.0）損失沿程損失為第60頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四[例]

管路損失計算：沿程損失+局部損失

λ由穆迪圖確定。設ν=10–6

m2/s查穆迪圖可得

λ=0.0173

對兩貯水池液面（1）和（2）列伯努利方程的第一種推廣形式,對液面V1=V2=0，p1=p2=0，由上式可得第61頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四[例C3.7.2]

管路損失計算：沿程損失+局部損失

討論：（1）本例中盡管在單管中嵌入了多個部件，包括入口和出口，有多個局部損失成分，只要正確確定每個部件的局部損失因子，將其累加起來，按一個總的局部損失處理。（2）計算結果表明，本例中管路局部損失與沿程損失大小相當，兩者必須同時考慮。（3）本例若改為第三類問題：給定流量和水頭損失計算管徑，由于許多部件的局部損失因子與管徑有關，除了達西摩擦因子需要迭代計算外，局部損失因子也要迭代，計算的復雜性比不計局部損失時大大提高了。工程上通常將局部損失折算成等效長度管子的沿程損失，使計算和迭代簡化。第62頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四§6.4離心式水泵的水力計算★泵是把機械能轉化為液體能量的一種機械。一、泵的構造簡介第63頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四二、主要參數流量Q

揚程H（泵供給單位重量液體的能量）功率輸入功率（軸功率）NX輸出功率（有效功率）效率轉速n允許真空度第64頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四三、工況分析

1.水泵特性曲線

2.管路特性曲線第65頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四工作點確定工作點：水泵特性曲線與管路特性曲線的交點水泵的選擇電動機的選擇據工作點Q、H→計算→據→Nx。第66頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四

水擊（或稱水錘）是有壓管中的一種重要的非恒定流現象。

當有壓管中的流速因某種外界原因而發(fā)生急劇變化時，將引起液體內部壓強產生迅速交替升降的現象，這種交替升降的壓強作用在管壁、閥門或其它管路元件上好像錘擊一樣，故稱為水擊（或水錘）。

這種壓強的交替升降，有時會達到很大的數值，處理不當將導致管道系統(tǒng)發(fā)生強烈的振動，管道嚴重變形甚至爆裂。6-5管路中的水錘現象第67頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四主要內容：閥門突然關閉時有壓管道中的水擊閥門逐漸關閉時有壓管道中的水擊水擊現象的物理過程水擊壓強的計算水擊波的傳播速度水擊壓強的計算直接水擊與間接水擊減小水擊壓強的措施第68頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四閥門突然關閉時有壓管道中的水擊的物理過程V0H0ABLaV=0V0H0ABLV0aV0V0H0ABLV0V0=0aV=0V0H0ABLV0V0=0V0aV0流速由V0→0，壓強增加△p，管壁膨脹流速由0→-V0

，壓強減小，恢復原狀，管壁恢復原狀流速由-V0→0，壓強降低△p，管壁收縮流速由0→V0

，壓強增加，恢復原狀，管壁恢復原狀第69頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四各斷面壓強隨時間變化圖op0p0+△pp0-△pop0p0+△pp0-△p閥門斷面處管路進口斷面處第70頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四水擊壓強的計算依動量定理可推得：或當閥門突然完全關閉時，V=0，則有或例如某壓力引水鋼管內水擊波傳播的速度a=1000m/s，設流速