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1、第五章 有压管道中的水流运动,水力学,水力学,以上各章中讨论了液体运动的基本规律，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。,有压管道：管道周界上的各点均受到液体压强的作用。有压管中的恒定流：有压管中液体的运动要素不随时间而变。 1.简单管道和复杂管道根据管道的组成情况我们把它分为简单管道和复杂管道。简单管道是指管道直径不
2、变且无分支的管道；复杂管道是指由两根以上管道组成管道系统。复杂管道又可以分为串联管道、并联管道、分叉管道、沿程泄流管和管网。,一. 概述,水力学,水力学,2.短管和长管 短管是指管路中水流的流速水头和局部水头损失都不能忽略不计的管道；长管是指流速水头与局部水头损失之和远小于沿程水头损失，在计算中可以忽略的管道为，一般认为（局部水头损失+流速水头）5%的烟程水头损失，可以按长管计算。需要注意的是：长管和长管不是完全按管道的长短来区分的。将有压管道按长管计算，可以简化计算过程。但在不能判断流速水头与局部水头损失之和远,水力学,二.简单管道短管的水力计算,小于沿程水头损失之前，按短管计算不会产生较大
3、的误差。,简单管道的水力计算可分为自由出流和淹没出流两种情况。,1.自由出流,管道出口水流流入大气，水股四周都受大气压强的作用，称为自由出流管道。,水力学,图5-1,图41中，列断面11、22的能量方程,管道出口中心到上游水位的高差，全部消耗于管道的水头损失和保持出口的动能。,水力学,管道自由出流的流量系数,2.淹没出流,水力学,管道出口淹没在水下，称淹没出流。,图5-2,在图5-2中，列断面与的能量方程：,若不计上游流速水头，则,水力学,说明：简单管道在淹没出流的情况下，其作用水头完全被消耗于克服管道由于沿程阻力、局部阻力所作负功所产生的水头损失上。,管中流速：,毕业答辩,水力学,通过管道的
4、流量：,管道淹没出流的流量系数,请特别注意：短管自由出流和淹没出流的计算关键在于正确计算流量系数。我们比较短管自由出流和淹没出流的流量系数公式，可以看到两式在分母中多一项“1”，但是计算淹没出流的流量系数c时，局部水头损失系数,水力学,三.长管的水力计算,如果作用水头的95%以上用于沿程水头损失，我们就可以略去局部损失及出口速度水头，认为全部作用水头消耗在沿程，这样的管道流动称为水力长管。否则为水力短管。,中比自由出流多一项管道出口局部水头损失系数“1”，在计算中不要遗忘。,水力学,对水力长管，根据连续方程和谢才公式可知,长管：作用水头全部 用于支付沿程水头损失,流量模数 综合反映管道的形状、
5、尺寸和边壁粗糙性对输水能力的影响。,水力学,1.输水能力计算当管道布置、断面尺寸及作用水头已知时，要求确定管道通过得流量。对于短管和长管都可以用公式直接求解。 2.已知管道尺寸和输水流量Q ，求保证输水流量的作用水头H。实际是求通过流量Q时管道的水头损失，可以直接计算，但对于长管需要先计算管内流速，以判别是否要进行修正。 3.已知管线布置和输水流量，求输水管径d 。,四.简单管道水力计算的基本类型,水力学,对于短管,对于长管,按求得的流量模数，即可由51确定所需的管道直径。 4.已知流量和管长，求管径d和水头H；,上式中 与管径 有关，所以需要试算。,水力学,这是工程中常见的实际问题。通常是从
6、技术和经济两方面综合考虑，确定满足技术要求的经济流速。有了经济流速就可以求出管径，这样求水头H即转化为第二类问题。,5.对于一个已知管道尺寸、水头和流量的管道，要求确定管道各断面压强的大小,水力学,即管路中任意断面i处的测压管水头等于总水头H0减去该断面以前的沿程水头损失与局部水头损失，再减去该断面的流速水头。把各断面的测压管水头连接起来，就得到整个管路的测压管水头线。,（1）根据能量方程，管路中任意断面处 的测压管水头为：,（2）测压管水头线和总水头线的绘制步骤：,水力学,a.根据各管的流量 ，计算相应的流速 ， 沿程水头损失 和局部水头损失,b.自管道进口到出口，计算每一管段两端的总水头值
7、，并绘出总水头线。 c.自总水头线铅直向下量取管道各个断面的流速水头值，即得测压管水头线。,（3）绘制总水头线和测压管水头线的原则,水力学,a.绘制总水头线和测压管水头线时， 沿管长均匀分布； 发生在局部的管段上，则在该断面上有两个总水头，一个是局部损失前的，一个是局部损失后的。 b.在绘制总水头线时，应注意进口的边界条件,图5-3 管道的进口边界,水力学,3）在等直径管段中，测压管水头线与总水头线是平行的。,4）在绘制总水头线时，应注意出口的边界条件,图5-4 管道出口的边界,水力学,五.简单管道水力计算应用举例,虹吸管是一种压力输水管道，（如图）顶部弯曲且其高程高于上游供水水面。若在虹吸管
8、内造成真空，使作用在上游水面的大气压强和虹吸管内压强之间产生压差，水流即能超过虹吸管最高处流向低处。虹吸管顶部的真空理论上不能大于最大真空值，即10米高水柱。实际上当虹吸管内压强接近该温度下的汽化压强时，液体将产生汽化，破坏水流的连续性。,1.虹吸管的水力计算,水力学,故一般不使虹吸管中的真空值大于78米。虹吸管的长度一般不大，故应按短管计算。,图5-5虹吸管的工作原理,例题1图示用直径d = 0.4m的钢筋混凝土虹吸管从河道向灌溉渠道引水，河道水位为120m，灌溉渠道水位118m，,水力学,虹吸管各段长度为l1 = 10m，l2 =5m， l3 =12m，虹吸管进口安装无底阀的滤网（= 2.
9、5）,管道有两个60o的折角弯管（=0.55）。求：（1）通过虹吸管的流量。 （2）当虹吸管内最大允许真空值hv =7.0m时，虹吸管的最大安装高度。,图5-6,解：（1）计算通过虹吸管的流量,水力学,水力学,（2）计算虹吸管的最大安装高度 列河道水面和虹吸管下游转弯前过水断面的能量方程,所以,水力学,（1）吸水管的水力计算。吸水管的计算在于确定吸水管的管径及水泵的最大允许安装高程。 （2）压力水管的水力计算。压力水管的计算在于决定必需的管径及水泵的装机容量,2.水泵装置的水力计算,例题2流量Q，吸水管长l1，压水管长l2，管径d，提水高度z ，各局部水头损失系数，沿程水头损失系数要求水泵最大
10、真空度不超过,6m，确定水泵允许安装高度，计算水泵的扬程。,水力学,z,z2,1,1,2,2,3,3,图5-7,水泵扬程 = 提水高度 + 全部水头损失,例题3 一横穿河道的钢筋混凝土倒虹吸管，如图所示。已知通过流量Q为3m3/s，倒虹吸管上下游渠中水位差z为3m，倒虹吸管长l为50m，其中经过两个300的折角转弯，其局部水头损失系数b为0.20；进口局部水头损失系数e为0.5，出口局部水头损失系数0为1.0，上下游渠中流速v1 及v2为1.5m/s，管壁粗糙系数n0.014。试确定倒虹吸管直径d。,水力学,水力学,解：倒虹吸管一般作短管计算。本题管道出口淹没在水下；而且上下游渠道中流速相同，
11、流速水头消去。,水力学,因为沿程阻力系数或谢才系数C都是d 的复杂函数，因此需用试算法。,先假设d0.8m，计算沿程阻力系数：,水力学,水力学,与假设不符,故再假设d=0.95m，重新计算,则采用管径d为0.95米,水力学,六.复杂管道的水力计算,图5-8,1.串联管道,以沿程损失为主，水头线中不画局部损失和速度水头。,由直径不同的几段管段顺次连接而成的管道。,2.并联管道,由两条或两条以上的管道同在一处分出，又在另一处汇合，这种组合而成的管道。,水力学,并联管道的特点为：（1）各条管路在分叉点和汇合点之间的水头损失相等。（2）管路中的总流量等于各并联管路上的流量之和。,并联管路一般按长管计算
12、，其计算公式为：,a.各支管的流量与总流量间应满足连续方程：,水力学,b.单位重量流体通过所并联的任何管段时水头损失皆相等。即：,七.有压管道中的水击简介,1.水击现象,水击是有压管道中的非恒定流现象。当有压管道中的阀门突然开启、关闭或水泵因故突然停止工作，使水流流速急剧,水力学,变化，引起管内压强发生大幅度交替升降。这种变化以一定的速度向上游或下游传播，并且在边界上发生反射，这种水流现象叫作水击，交替升降的压强称为水击压强。,产生水击现象的原因是由于液体存在惯性和可压缩性。水击现象的实质上是由于管道内水体流速的改变，导致水体的动量发生急剧改变而引起作用力变化的结果。,水力学,根据闸门关闭（或
13、开启）的时间Ts与相长T的比值，我们把水击分为两类：（1）直接水击：闸门关闭（或开启）的时间TsT（相长）。（2）间接水击：指闸门关闭（或开启）的时间TsT（相长）。,2.水击的分类,由于直接水击压强远大于间接水击压强，破坏性较强，在实际工程中应尽可能采取措施，避免产生直接水击破坏。,3.直接水击压强的计算,用水柱表示,水力学,式中： 是水击波速， 是管内原来流速， 是阀门启闭后的流速。,4.防止产生直接水击破坏的措施,（1）缩短压力管道的长度； （2）延长阀门关闭的时间Ts； （3）减小压力管道中的水流流速； （4）安装水击消除阀； （5）设置调压室。,水力学,例题4：有一水电站引水钢管，管长l = 2000 m，管径D = 500 mm，管壁厚度= 10 mm， 水的弹性系数为K = 19.610 8 N /m2，钢管的弹性系数为E = 19.61010 N/m2 。试求：在3秒内阀门全部关闭时的水击压强。,解：水击波的波速为,水力学,相长为, Ts= 2 sT= 3.41s 水击为直接水击,水击压强为,水力学,同学们下次课再见！,
