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1、工程流体力学,第六章 孔口、管嘴和有压管道流动,第六章 孔口、管嘴和有压管道流动,6-1 孔口恒定出流,6-2 管嘴恒定出流,6-3 孔口（或管嘴）的变水头出流,6-4 短管的水力计算,6-5 长管的水力计算,6-6 管网水力计算基础,6-7 离心式水泵及其水力计算,6-8 水击简介,第六章 孔口、管嘴和有压管道流动(2学时),一、本章学习要点:,孔口恒定出流,管嘴恒定出流,短管的水力计算,长管的水力计算,二、本章重点掌握:,管网的水力计算,水击,孔口、管嘴恒定出流的水力计算 有压管路恒定流动的水力计算 离心式水泵的水力计算,第六章 孔口、管嘴和有压管道流动(2学时),以上各章中讨论了液体运动
2、的基本规律，导出了水力学的基本方程连续方程、能量方程及动量方程，并阐述了水头损失的计算方法，应用这些基本原理即可研究解决工程中常见的水力计算问题，如有压管道中的恒定流、明渠恒定流及水工建筑物的水力计算等。 本章讨论的重点是孔口、管嘴和有压管中恒定流的水力计算。即短管（水泵装置、虹吸管、倒虹吸管）、长管的水力计算和测压管水头线和总水头线的绘制。,第六章 孔口、管嘴和有压管道流动(2学时),概述,6.1 孔口恒定出流,6.1.1 概念 6.1.1.1孔口出流（orifice discharge） 在容器壁上开孔，水经孔口流出的水力现象就称为孔口出流，如图。应用：排水工程中各类取水，泄水闸孔，以及某
3、些量测流量设备均属孔口。,6.1.1 概念,1.根据d/H的比值大小可分为：大孔口、小孔口 大孔口（big orifice） ：当孔口直径d（或高度e）与孔口形心以上的水头高H的比值大于0.1，即d/H0.1时，需考虑在孔口射流断面上各点的水头、压强、速度沿孔口高度的变化，这时的孔口称为大孔口。 小孔口（small orifice ）：当孔口直径d（或高度e）与孔口形心以上的水头高度H的比值小于0.1，即d/H0.1时，可认为孔口射流断面上的各点流速相等， 且各点水头亦相等，这时的孔口称为小孔口。,6.1.1 概念,2.根据出流条件的不同，可分为自由出流和淹没出流 自由出流（free disc
4、harge）：若经孔口流出的水流直接进入空气中，此时收缩断面的压强可认为是大气压强，即pc=pa，则该孔口出流称为孔口自由出流。 淹没出流（submerged discharge）：若经孔口流出的水流不是进入空气，而是流入下游水体中，致使孔口淹没在下游水面之下，这种情况称为淹没出流。,6.1.1 概念,3.根据孔口水头变化情况，出流可分为：恒定出流、非恒定出流 恒定出流（steady discharge）：当孔口出流时，水箱中水量如能得到源源不断的补充，从而使孔口的水头不变，此时的出流称为恒定出流。 非恒定出流（unsteady discharge）：当孔口出流时，水箱中水量得不到补充，则孔口
5、的水头不断变化，此时的出流称为非恒定出流。,6.1.1 概念,6.1.2薄壁小孔口恒定出流,一、薄壁孔口 薄壁孔口（thin-wall orifice）：当孔口具有锐缘时，孔壁与水流仅在一条周线上接触，即孔口的壁厚对出流并不发生影响。这种孔口叫做薄壁孔口。l/d 二、薄壁小孔口恒定自由出流 1.收缩断面与收缩系数 液流从各个方向涌向孔口，由于惯性作用，流线只能逐渐弯曲，水股在出口后继续收缩，直至离开孔口1/2孔径处，过流断面达到最小，此断面即为收缩断面CC断面。根据试验资料，收缩断面直径dc=0.8d。,收缩系数：是指收缩断面面积Ac与孔口断面面积A之比，以表示。,2.薄壁小孔口恒定自由出流的
6、流速与流量计算 断面0-0和收缩断面C-C，列能量方程,考虑到： 1）小孔口自由出流，则有pc=pa； 2）水箱中的微小水头损失可忽略不计，主要是流经孔口的局部水头损失。 则有hw=hj=0vc2/2g。 0：流经孔口的局部损失因素。,6.1.2薄壁小孔口恒定出流,三、小孔口的淹没出流*,图中取基准面O-O ，列断面1-1与断面2-2的能量方程,因,令,则,四、影响孔口出流流量系数的因素,在边界条件中，影响的因素有：孔口形状、孔口边缘情况、孔口在壁面上的位置三个方面。 1.孔口形状对的影响 实验证明，对于小孔口，不同形状孔口的流量系数影响不大。 2.孔口边缘情况对的影响 孔口边缘情况对收缩系数
7、会有影响： 薄壁孔口的收缩系数最小（=0.64）， 圆边孔口收缩系数较大，甚至等于1。,3.孔口在壁面上的位置对的影响 孔口在壁面上的位置对收缩系数有直接的影响，如图。 全部收缩孔口（full contrastive orifice）：当孔口的全部边界都不与相邻的容器底边和侧边重合时，孔口出流时的四周流线都发生收缩，这种孔口称为全部收缩孔口 (如A, B) 。 全部收缩孔口又分完善收缩和不完善收缩。 完善收缩（perfect contraction）：凡孔口与相邻壁面的距离大于同方向孔口尺寸的3倍（L3a或L3b），孔口出流的收缩不受距壁面远近的影响，这就是完善收缩(如A) 。孔口收缩因素0.
8、630.64，孔口流速因素0.970.98， 孔口流量因素0.600.62。,不完善收缩(non-perfect contraction) ：不满足上述条件的孔口出流为不完善收缩(如B) 。 注：不完善收缩、不完全收缩的流量系数较完善收缩、完全收缩的流量系数大。,五、大孔口恒定出流,当液体通过大孔口出流时，可看成是由许多小孔口出流组成，而后予以积分求其流量总和，如图。 大孔口出流多为不完善出流，其流量因素较小孔口大。 注意：（1）大孔口的收缩系数较小孔口大，故流量系数亦较小孔口大。但在工程中，仍采用。 大孔口淹没出流时流量计算公式同小孔口淹没出流流量计算公式 。,管嘴出流（nozzle dis
9、charge） ：在孔口周边连接一长为34倍孔径的短管，水经过短管并在出口断面满管流出的水力现象，称为管嘴出流。 按管嘴的形状和装置情况分：,6.2 管嘴出流,流速,流量,真空的抽吸作用，流量增加.,对锐缘进口的管嘴，=0.5，,6.2 管嘴出流,2.管嘴正常使用条件,防止气蚀,列C-C、B-B断面能量方程,连续性方程,6.2 管嘴出流,取,解得C-C断面真空值,允许真空值,H0的极限值,管嘴正常使用条件之一,管嘴正常使用条件之二,结论：在相同水头H0的作用下，同样断面面积的管嘴的过流能力是孔口的1.32倍。 圆柱形外管嘴的正常工作条件是： （1）作用水头H09m （2）管嘴长度 l=(3-4
10、)d,3.管嘴的种类,（a）圆柱外伸管嘴； （b）圆柱内伸管嘴 ； （c）外伸收缩型管嘴 ； （d）外伸扩张型管嘴 ； （e）流线型外伸管嘴,6.2 管嘴出流,【例】*水箱中用一带薄壁孔口的板隔开，孔口及两出流管嘴直径均为d=100mm，为保证水位不变，流入水箱左边的流量Q=80L/s，求两管嘴出流的流量q1、q2。,例题讲解,解：设孔口的流量为q,对管嘴,连续性方程,解得,例题讲解,6.3 孔口（或管嘴）变水头出流,上式说明，变水头的放空时间等于同水头1作用下恒定流泄放同体积的液体所需时间的两倍。,6.4 短管的水力计算,6.4.1 有压管道计算原理 6.4.2 水泵吸水管的水力计算 6.4
11、.3 虹吸管与倒虹管 6.4.5 气体管路,短管的定义,一 、计算特点,1 .已知H、d，求Q（校核）,二 、计算类型,2 .已知Q、d，求H（设计）,3 .已知Q、H，求d（设计）,6.4 短管的水力计算,管系总阻力因素,管系的流量因素,长管计算时忽略,6.4 短管的水力计算,三、实例分析 1.水泵吸水管的水力计算 计算内容：已知 ，求水泵安装高度 。,6.4 短管的水力计算,2.虹吸水力计算,虹吸灌溉,6.4 短管的水力计算,真空输水：世界上 最大直径的虹吸管 (右侧直径1520毫 米、左侧600毫米), 虹吸高度均为八米， 犹如一条巨龙伴游 一条小龙匐卧在浙 江杭州萧山区黄石 垅水库大坝
12、上，尤 为壮观，已获吉尼 斯世界纪录 。,6.4 短管的水力计算,我 国 最 大 的 倒 虹 吸 管,6.4 短管的水力计算,例题,6.4 短管的水力计算,6.5 长管的水力计算,6.5.1 简单管路 6.5.2 串联管路 6.5.3 并联管路 6.5.4 沿程均匀泄流管路,长管的定义： 一、计算特点 1. 2. 二、计算类型（与短管相同）,6.5 长管的水力计算,三、简单管路,2 .水力关系,伯努利方程,6.5 长管的水力计算,连续性方程,3 .关于 的计算,6.5 长管的水力计算,四、串联管路,6.5 长管的水力计算,1 .定义：由d不同的若干段管顺次联接的管路，称为串联管路。,2 .水力
13、关系,6.5 长管的水力计算,五、并联管路,6.5 长管的水力计算,1 .定义：在两节点间并设两条以上的管路，称为并联管路，其目的是提高供水的可靠性.,2 .水力关系,6.5 长管的水力计算,6.7 离心式水泵及其水力计算,泵是把机械能转化为液体能量的一种机械。 一、泵的构造简介,二、主要参数 流量Q 扬程H（泵供给单位重量液体的能量） 功率 输入功率（轴功率）NX 输出功率（有效功率） 效率 转速n 允许真空度,6.7 离心式水泵及其水力计算,三、工况分析 1.水泵特性曲线 2.管路特性曲线,6.7 离心式水泵及其水力计算,工作点确定 工作点：水泵特性曲线与管路特性曲线的交点 水泵的选择 电
14、动机的选择 据工作点Q、H计算 据 NX 。,6.7 离心式水泵及其水力计算,【例1】在 条件下，试分别比较孔口和管嘴出流的流速及流量。 【解】1.流速比较 2.流量比较,例题讲解,【例2】已知,，求水泵安装高度 。,解,从 12 建立伯努利方程，有,例题讲解,例题讲解,【例3】如图所示虹吸管，通过虹吸作用将左侧水输至下游。已知 ，试求： 通过虹吸管的流量Q； 虹吸管最高处A点的真空度 。,例题讲解,【解】1.由12列伯努利方程,得,流量,例题讲解,2.由1A列伯努利方程,得A点真空度,例题讲解,【例3】已知图示并联管路的 ，试求 。,得,【解】由,例题讲解,6.8 有压管道非恒定流,有压管道
15、非恒定流问题，即水击问题。 正常运行的管道，由于某种原因，须迅速关闭或开启阀门，使管中流速在很短时间内发生急剧变化。速度的改变引起动量变化，动量变化又伴随有力的产生，表现为管流出现巨大的附加压强，即水击压强，并伴之锤击之声，工程上称之为水击或水锤。 水击压强可数百倍于管道恒定流的压强，再此压强作用下，必须考虑液体的压缩性和管壁的弹性。 水击的危害很大，常引起管壁爆裂或产生严重变形。在压力管道设计中必须加以考虑。,6.8 有压管道非恒定流,1、水击现象 设简单管道长度为l，恒定流时直径为d，流速为v0，压强为p0，如阀门突然完全关闭，则紧靠阀门的一层水突然停止流动，速度由v0骤变为零。 根据动量
16、定律，物体动量的变化等于作用在该物体上外力的冲量。这里外力是阀门对水的作用力。因外力作用，紧靠阀门这一层水的应力(即压强)突然升至p0+p，升高的压强p称为水击压强(Pressure due to Water Hammer)。,6.8 有压管道非恒定流,2、水击波传播过程,由于水和管道都弹性体，在很大的水击压强作用下该层管流n-m段产生两种形变，即水的压缩及管壁的膨胀。因此阀门突然关闭时，管道内的水就不是在同一时刻全部停止流动，压强也不是在同一时刻同时升高。而是靠近阀门的第一层水首先停止流动，与之相邻的第二层及其后续各层水相继逐层停止流动，同时压强逐层升高，并以弹性波的形式由阀门迅速传向管道进口。这种由于水击而产生的弹性波，称水击波(Water Hammer Pressure Wave)。,6.8 有压管道非恒定流,水
