水力学-第六章管道

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1、第6章 有压管流,供水管道破裂,6.1 概 述 1. 有压管道：整个断面均被液体充满没有自 由液 面、管壁处处受到水压力作用、管 中液体的动水相对压强不为零的管 道。 管中水流称为有压管流。 2. 管流: 无压管流明渠 有压管流满管液流，无自由液面,3. 短管、长管 短管: hj 和 与 hf 相比不能忽略， 须同时考虑 的管道。 长管： hf 起主要作用， hj和 可以忽 略的管道。 4.自由出流、淹没出流 自由出流: 液流出口流入大气的出流。 淹没出流：液流出口淹没在下游水面以 下的出流。,自由出流,淹没出流,孔口、管嘴出流 孔口出流：在盛有液体的容器侧壁或底部 开一孔口，液体经孔口流出，

2、 称为孔口出流。,管嘴出流： 在孔口上装一段长度为34倍孔径的短管，称为管嘴。 液体经过管嘴并在出口断面满管流出，称管嘴出流。,孔口、管嘴出流的特点： 局部水头损失起主要作用，沿程水头损失可以忽略不计。 6. 空化与空蚀,水轮机、水泵以及船舶螺旋桨推进器受到的空蚀破挥也比较严重。我国水轮机通常 使用l一2年就要停机检修一次。某些水泵使用1000小时左右即出现严重的空蚀，见 。船舶螺旋桨在使用一段时间后也因空蚀而效率大大降低。 新安汀水电站4号水轮机在1964年检查时，叶片空蚀破坏面积达41321cm2：， 占 转轮叶片总面积的13，破坏最深处达30一33mm，该电站另一台水轮机1972年7 月

3、检查时发现，14个转轮叶片中有7个叶片因空蚀破坏而穿孔。六朗洞水电站水轮机 在空蚀与泥沙磨蚀的作用下，某台水轮机曾发生平均12天检修一次的情况。,减蚀措施： 1 控制合理的边界轮廓线 从避免空蚀的角度看，边界轮廓最好能做到“平、直。 光”。从运转要求和施工水平看，这几乎是不可能际但应切 忌骤弯、急折、突缩或突扩。在边界不得已发生变化之处，应 注意流线化、椭圆化或圆角化；在局部凹凸不平整之处应修 成适当的平顺缓坡。 2.掺气 掺气的减蚀作用最早是在水轮机运转中发现的。当春、 夏季上游水库来水中含气较大时，水轮机空蚀损伤程度大为减 弱。后来用人工的方法在水轮机的空蚀区掺入气体发现空蚀 破坏也大为改

4、善甚至消失。 3 在局部负压区设通气孔 在水流的局部负压区边界上设置通气孔，使与大气相连 可以有效地降低负压值并改善水流的流态。在我国的水工建 筑中，高压闸门后一般埋设有通气孔。对压力管道的收缩段、 转弯段以及其他可能产生负压的局部区域原则上均可埋没通 气孔，并宜埋设在负压区的略偏上游之处。若负压区随水流条 件作上下移动则通气孔可埋设多处。,本章研究内容： 1. 有压管道恒定流： 短管水力计算 长管水力计算 2. 有压管道非恒定流： 水击现象及简单水力计算,短管水力计算的任务： 给定管线布置，水头H，管径d，求流量 Q； 已知流量 Q ，求管径d ； 已知管径d ，流量 Q ，求水头H ； 已

5、知管径d ，流量 Q，求 沿管动水压强的变化（测压管线的绘制）,6.2 短管的水力计算,6.2.1 出流公式 流量 1. 自由出流,总水头H0,则 其中， 为管道流量系数，,（管径不变）,2. 淹没出流,则 其中， 为管道流量系数,总水头线总是沿程下降的，而测压管水头线沿程可升可降。 在绘制总水头线时，局部水头损失可集中图示在边界突然变化的断面上。,6.2.2 管道动水压强的分布 -总水头线和测管水头线的绘制,山东邹县电厂,华能海门电厂,华能电厂,盐城市城西水厂取水口,过滤池,在绘制总水头线和测管水头线时，有以下几 种情况可以作为控制条件： (1) 上游水面线是测管水头线的起始线。 (2) 进

6、口处有局部损失，集中绘在进口处，即总 水头线在此降落 (3) 出口为自由出流时，管道出口断面的压强为 零，测管水头线终止于出口断面中心 (4) 出口若为淹没出流，下游水面是测管水头线 的终止线,淹没出流 v02 不为零测压管线的位置分析,对1-1、2-2断面列能量方程式,列X方向的动量方程式,化简整理得：,自由出流,淹没出流,淹没出流,6.2.3 短管的水力计算举例 1 . 虹吸管的水力计算 虹吸管是指有一段管道高出上游液面，而出口低于上游液面的管道。,虹吸管的水力计算主要是：确定虹吸管的流量以及确定虹吸管顶部的允许安装高度。,例6.1 某渠道用直径d = 05m的钢筋混凝土虹吸管从河道引水灌

7、溉，如图所示。河道水位为120.0 m，渠道水位为119.0 m。虹吸管各段长度为10m，6m，12m。进口装滤水网，无底阀，=25，管的顶部有60度的折角转弯两个，每个弯头=0.55。 求：(1)虹吸管的流量；(2)当虹吸管内最大允许真空值为7.0m时，虹吸管的最大安装高度.,若绘制虹吸管的总水头线和测管水头线，其测管水头线位于管轴线以下的区域，为真空发生区。,(1)计算虹吸管的流量。 列断面1，3的能量方程或采用淹没出流 沿程水头损失系数的确定： 取 假定紊流粗糙区即可查得，在校核,(2)列断面1，2的能量方程, 为厂保证虹吸管正常工作，上游水面离虹吸管顶部的高度不得超过619m.,为确保

8、虹吸管正常工作，工程上常限制管中的最大真空高度，不超过7m水柱。,虹吸应用：,例 6.2 水泵的水力计算 水泵的作用是增加水流能量，把水从低处引向高处，图所示为装有水泵的供水系统。,计算内容： 1 水泵扬程hp； 2 水泵安装高度hs； 3 水泵装机容量N；,1计算水泵扬程 单位重量的水体从水泵中获得的外加机械能，称为水泵的扬程，如图所示。 取水池水面00为基准面，断面1和4列能量方程 水泵扬程等于提水高度加上吸水管和压水管的水头损失之和,2. 水泵安装高度 列1-2能量方程,3计算水泵装机容量N 水泵装机容量N：水泵的动力机(如电动机)所具有的总功率。 hp : 单位重量的水体从水泵获得的能

9、量 有效功率 Np：单位时间 内重量为 的水流从水泵获得的能量。 水泵总效率 则 水泵装机容量为,6.3 长管的水力计算,6.3.1 简单管道的水力计算 直径不变没有分支的管道称为简单管道。是（长管）中最基本的情形。 长管的水头H全部消耗于沿程水头损失hf上。,谢才公式计算： 给水工程中 ， a称为比阻。比阻的物理意义是：单位流量(Q=1)，通过单位管长(l=1)所需要的水头。,上两式中S称为水管摩阻 比阻a、水管摩阻S与沿程水头损失系数在分区性质上一样,6.3.2 串联管道 串联管道: 由直径不同的简单管道串联而成的管道。 水头等于各段水头损失之和,串联管道各管段流量为 式中， qi 流出为

10、正，流入为负 若qi =0 ,则,例6.4,6.3.3 并联管道 并联管道: 由直径不同的简单管道并联而成的管道。 每段管道的水头差是相等,6.3.4 沿程泄流管道 在工程中常有这样的情况，水在沿管轴方向流动的同时，还从管侧壁上连续地有流量泄出，这种管道称为沿程泄流管道。 如灌溉工程中的 人工降雨管道 或给水工程中 的滤池冲洗管,滴灌节水技术,农业滴灌技术,以色列地貌,以色列濒临东地中海,缺水少土,资源贫乏,沙漠荒山占了国土的2/3,水资源仅16亿立方米,人均约250立方米水,不到全球.“ 以色列地处沙漠地带边缘,水资源匮乏。严重缺水使以色列在农业方面形成了特有的滴灌节水技术。 发明滴灌以后，

11、以色列农业用水总量30年来一直稳定在13亿立方米，而农业产出却翻了5番，以色列滴灌系统目前已是第六代，如今，世界80多个国家使用以色列的滴灌技术。,我国滴灌推广应用存在的若干问题浅析 1水价低廉的现实淡化了基层的节水意识 与传统漫灌相比，滴灌可以省水50%-80%，一亩漫灌的耗水量能满足2-4亩滴灌用水。滴灌有效避免了输水过程损失和深层渗漏损失，减少了地面蒸发和径流损失,几乎没有喷灌和微喷灌出现的空中水分漂移，在北方特别是西北没有灌溉就没有农业的干旱地区，推广滴灌的意义不言而喻。但是，水价低廉的现实淡化了基层的节水意识 2 盲目追求低造价降低了滴灌工程应有的功能和质量 3 超小规模农村种植管理

12、模式制约滴灌系统合理有效使用 4滴头堵塞一直困扰滴灌系统的正常应用 滴灌的滴头流道直径一般小于1mm，防堵塞一直是滴灌面临的主要困难之一,dx距离内水头降落值为,若QT =0，则 可见，在连续均匀泄流时，所需水头只有管 道 末端通过相同流量时所需水头的三分之一,6.4 有压管道非恒定流简介,水击（水锤）：在有压管路中，由于某种外界原因使得流速发生突然变化，从而引起压强急剧升高和降低的交替变化，这种水力现象成为水击（水锤）。 需要考虑：水的压缩性、管壁的弹性,6.4.1 水击现象传播过程 6.4.2 直接水击及间接水击,增压逆波，减压顺波，减压逆波，增压顺波,直接水击波速的计算 考虑水的压缩性和

13、管壁的弹性变形，采用连续方程推导水击波传播速度：,m/s,E为管壁的弹性模量。,直接水击压强的计算,时段内,水流方向的动量变化为,时段内,外力在管轴方向的冲量为,由动量定理可得,忽略高阶微量可得,可得,6.4. 4 间接水击压强计算,水击自动双控泄压阀 ，主要适用于长距离输送原油、成品油等液体的管道，在突然产生水击时，防止管道、阀门、输油泵等受压设备超压破坏，它能迅速泄压使长输管道在安全压力之下运行。从而保护管输设备的安全，避免水击超压时造成重大事故和经济损失。 这种新式泄压阀，既可双控又可单控，泄压值可跟据用户需要自行设定。泄压曲线还可根据用户实际需要调整振幅和周期。泄压值设定范围0.210

14、.0Mpa.,调 压 室,在较长的压力引水系统中，为了降低高压管道的水击压力，满足机组调节保证计算的要求，常在压力引水道与压力管道衔接处建造调压室。 调压室将有压引水系统分成两段：上游段为压力引水道，下游段为压力管道,Blakely Mountain Dam,调压室的功用可归纳为以下三点： (1) 反射水击波。基本上避免了（或减小）压力管道传来的水击波进入压力引水道。 (2) 减小水击压力(压力管道及厂房过水部分)。缩短了压力管道的长度 (3) 改善机组在负荷变化时的运行条件。,调压室的工作原理 调压室具有较大的容积和自由水面，它将电站因负荷变化而引起的有压系统非恒定流现象分为性质不同而又互相

15、联系的两部分： 一是压力管道的水击现象， 另一个是“水库引水道调压室”的水流波动现象。 引水道调压室系统中的水位波动现象与压力管道中产生的水击波动性质有很大的差别。 调压室的水位波动主要是由于水体的往复运动引起，其特点是振幅小、变化慢、周期长。 而管道水击过程是水击波的传播，振幅大、变化快，往往在很短时间内即消失，而前者往往长达几十秒到几百秒甚至更长。,调压室的布置方式和类型,圆筒式调压室,但收缩断面的真空高度不能太大，当收缩断面的真空高度 达7m水柱以上时，液体会发生空穴现象；另外，空气将会自管嘴 出口处吸入，从而破坏了收缩断面处的真空。因此，为了保证管嘴 正常工作，须7m水柱，,二、 薄壁

16、孔口的恒定出流,薄壁孔口：在容器壁上开一孔口，如壁的厚度对水流无影响，孔壁与水流仅在一条周线上接触，这种孔口称为薄壁孔口。 1、孔口出流现象（收缩断面位置） 小孔口 各点的水头相同 大孔口 各点的水头各不相同 自由出流， 大、小孔口有区别 淹没出流， 无大、小孔口之分,2、薄壁小孔口的自由出流 收缩系数 流量系数,全部收缩与部分收缩： I、两孔全部收缩（孔口的全部边界都不与容器的周界或液面重合的收缩） 完善收缩和不完善收缩 凡孔口与相邻壁面或液面的距离 大于或等于同方向孔口尺寸的 3倍(l3a及l3b) I孔，为完善收缩 孔，为不完善收缩 、IV两孔称为部分收缩。,由实验测定，对于完善收缩的薄壁圆形小孔口，,3、大孔口自由出流 将大孔口分解为许多水头不等的小孔口，应用小孔口自由出流公式计算其流量，予以积分，其形式仍为，,