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1、教学基本要求教学基本要求1 1、了解有压管流的基本特点。掌握孔口、管嘴的水力、了解有压管流的基本特点。掌握孔口、管嘴的水力计算；计算；2 2、掌握短管（水泵、虹吸管）的水力计算方法；、掌握短管（水泵、虹吸管）的水力计算方法；3 3、了解复杂管道的特点和计算方法，重点掌握串联管、了解复杂管道的特点和计算方法，重点掌握串联管道和并联管道的水力计算。道和并联管道的水力计算。4 4、了解有压管道中的水击现象和水击传播过程。、了解有压管道中的水击现象和水击传播过程。孔口出流：在贮水池、水箱等容器侧壁上开一孔口，水经孔口流孔口出流：在贮水池、水箱等容器侧壁上开一孔口，水经孔口流出的水力现象。出的水力现象。
2、管嘴出流：在孔口上连接长度为管嘴出流：在孔口上连接长度为3 34 4倍孔径的短管，水流经此短管倍孔径的短管，水流经此短管并在出口断面满管流出的水力现象。并在出口断面满管流出的水力现象。有压管流：流体沿管道满管流动的水力现象。有压管流：流体沿管道满管流动的水力现象。相同点：有压流动。相同点：有压流动。孔口出流只有局部损失；孔口出流只有局部损失；管嘴出流虽有沿程损失，但与局部损失相比很小，可以忽略。管嘴出流虽有沿程损失，但与局部损失相比很小，可以忽略。有压管流沿流动方向有一定的边界长度，水头损失包括沿程损失有压管流沿流动方向有一定的边界长度，水头损失包括沿程损失和局部损失。和局部损失。不同点：不同
3、点：5 51 1孔孔 口口 出出 流流 具有尖锐的边缘，出流与孔壁仅接触在一条线上，具有尖锐的边缘，出流与孔壁仅接触在一条线上，出流仅受局部阻力作用；出流仅受局部阻力作用；一、孔口分类：一、孔口分类：1 1、按孔壁厚度和形状分类：、按孔壁厚度和形状分类：薄壁孔口：薄壁孔口：非薄壁孔口：非薄壁孔口：孔壁厚度和形状使出流与孔壁接触不仅在一条线孔壁厚度和形状使出流与孔壁接触不仅在一条线上，出流同时受局部阻力和沿程阻力作用。上，出流同时受局部阻力和沿程阻力作用。H/d10H/d10，作用在小孔口面上所有各点水头可认为作用在小孔口面上所有各点水头可认为和形心点水头和形心点水头H H相等。相等。3 3、按
4、孔口出流情况分类：、按孔口出流情况分类：2 2、按薄壁孔口高度与水头、按薄壁孔口高度与水头H H的比值分类：的比值分类：大孔口：大孔口：小孔口：小孔口：H/dH/d1010，大孔口的上部与下部各点水头有明显差别。，大孔口的上部与下部各点水头有明显差别。自由出流：自由出流：淹没出流：淹没出流：出流后直接流入大气出流后直接流入大气出流后流入另一部分水体中出流后流入另一部分水体中4 4、按流动情况分类：、按流动情况分类：完善收缩完善收缩恒定出流恒定出流非恒定出流非恒定出流5 5、收缩分类：、收缩分类：不完善收缩不完善收缩当水流从孔口出流时，由于惯性作用，水流出孔口后有收缩现象，当水流从孔口出流时，由
5、于惯性作用，水流出孔口后有收缩现象，出孔口后出孔口后(1/2)d(1/2)d处收缩完毕，这里过水断面称收缩断面。处收缩完毕，这里过水断面称收缩断面。收缩系数，表示水流经孔口后的收缩程度收缩系数，表示水流经孔口后的收缩程度Ac Ac 收缩断面面积收缩断面面积;A;A 孔口面积孔口面积若若L L1 13a3a及及L L2 23b3b，器壁对出流性质不发生影，器壁对出流性质不发生影响，为完善收缩；响，为完善收缩；由实验知，由实验知，与孔口位置距各侧壁的距离有关：与孔口位置距各侧壁的距离有关：若若L L1 13a3a及及L L2 23b3b，器壁对出流将发生减弱，器壁对出流将发生减弱收缩的现象，为不完
6、善收缩。收缩的现象，为不完善收缩。对对1-11-1断面断面对对 c-cc-c 断面断面称为孔口的流速系数，一般取称为孔口的流速系数，一般取c c=1=1 流量流量 称为孔口流量系数。称为孔口流量系数。二、薄壁小孔口恒定自由出流流量计算二、薄壁小孔口恒定自由出流流量计算H H：孔口水头：孔口水头H H0 0：作用水头：作用水头：行近流速水头：行近流速水头实验测得孔口流速系数：实验测得孔口流速系数：=0.97=0.970.980.98孔口的局部阻力系数：孔口的局部阻力系数：孔口的收缩系数：孔口的收缩系数：孔口的流量系数：孔口的流量系数：=0.60=0.600.620.62三、薄壁小孔口恒定淹没出流
7、三、薄壁小孔口恒定淹没出流取通过孔口形心的水平面为基准面，取上下游断面列能量方程：取通过孔口形心的水平面为基准面，取上下游断面列能量方程：流量流量 孔口淹没出流的流量系数值与自由出流时一样，孔口淹没出流的流量系数值与自由出流时一样，0.620.62h hw w包括经孔口的局部损失及水流自收缩断面突包括经孔口的局部损失及水流自收缩断面突然扩大的局部水头损失。然扩大的局部水头损失。孔口淹没出流经孔口也会形成收缩断面孔口淹没出流经孔口也会形成收缩断面c-cc-c，然后扩大。，然后扩大。H H0 0为两容器内作用水头差。为两容器内作用水头差。四、薄壁大孔口的自由出流四、薄壁大孔口的自由出流设孔口上缘的
8、水头为设孔口上缘的水头为H H1 1，下缘的水头为，下缘的水头为H H2 2，孔口宽为，孔口宽为b b，微小孔，微小孔口的面积为口的面积为b bdhdh，因此通过微小孔口的流量为，因此通过微小孔口的流量为 则整个孔口的流量为：则整个孔口的流量为：H2H1hdhbH2H1h薄壁大孔口的上部与下部各点水头有明显差别薄壁大孔口的上部与下部各点水头有明显差别5 52 2管管 嘴嘴 出出 流流 圆柱形管嘴：圆柱形外管嘴和圆柱形内管嘴。圆柱形管嘴：圆柱形外管嘴和圆柱形内管嘴。圆锥形管嘴：圆锥形收缩管嘴和圆锥形扩散管嘴。圆锥形管嘴：圆锥形收缩管嘴和圆锥形扩散管嘴。流线形管嘴：在管嘴进口处作成符合水流流线的曲
9、线形管嘴。流线形管嘴：在管嘴进口处作成符合水流流线的曲线形管嘴。液体进入管嘴前的流动情况与孔口相同。进入管嘴后断面收缩，液体进入管嘴前的流动情况与孔口相同。进入管嘴后断面收缩，形成收缩断面形成收缩断面C CC C，然后扩大充满全管。，然后扩大充满全管。在孔口上接一段相当于孔口直径在孔口上接一段相当于孔口直径3 34 4倍的短管，成为管嘴出流倍的短管，成为管嘴出流若孔壁厚度等于孔口高度的若孔壁厚度等于孔口高度的3 34 4倍时，成为管嘴出流倍时，成为管嘴出流一、管嘴类型（从形状上分）：一、管嘴类型（从形状上分）：推导过程和孔口自由出流一样，列推导过程和孔口自由出流一样，列0 00 0和和b-bb
10、-b断面的能量方程，断面的能量方程，流量流量管嘴的流速系数，管嘴的流速系数，在在b b断面上出口为满流，断面上出口为满流，1 1，0.50.5，为管道入口阻力系数；，为管道入口阻力系数；因此因此0.820.82在作用水头相同，出口面积相等的条在作用水头相同，出口面积相等的条件下，管嘴出流量比孔口大，这是管件下，管嘴出流量比孔口大，这是管嘴出流不同于孔口出流的基本特征。嘴出流不同于孔口出流的基本特征。二、圆柱形外管嘴的恒定流问题：二、圆柱形外管嘴的恒定流问题：管嘴的流量系数管嘴的流量系数管嘴出流量比孔口大，是由于断面收缩处真空的作用。管嘴出流量比孔口大，是由于断面收缩处真空的作用。0.64，0.
11、82 收缩断面处的真空度的计算：收缩断面处的真空度的计算：以通过管嘴过水断面形心的水平面为基准面，列收缩断面以通过管嘴过水断面形心的水平面为基准面，列收缩断面C CC C与与出口断面的能量方程：出口断面的能量方程：圆柱形外管嘴水流在收缩断面处出现真空，真空值为圆柱形外管嘴水流在收缩断面处出现真空，真空值为0.75H0.75H，这，这相当于把管嘴的作用水头增加了相当于把管嘴的作用水头增加了0.750.75倍，因此流量也得到了增加。倍，因此流量也得到了增加。根据上式，作用水头越大，收缩断面上的真空度也越大，但如根据上式，作用水头越大，收缩断面上的真空度也越大，但如果收缩断面的真空度超过果收缩断面的
12、真空度超过7m7m水柱，水流发生汽化作用，使得收水柱，水流发生汽化作用，使得收缩断面的真空被破坏，管嘴就不能保持满管出流，因此限制断缩断面的真空被破坏，管嘴就不能保持满管出流，因此限制断面的真空度不超过面的真空度不超过7m7m，管嘴的作用水头不超过，管嘴的作用水头不超过9m.9m.。圆柱形外管嘴正常工作的条件是：管嘴的作用水头圆柱形外管嘴正常工作的条件是：管嘴的作用水头9m9m；管嘴的长度管嘴的长度L L（3 34 4）d d。三、孔口、管嘴的非恒定出流问题三、孔口、管嘴的非恒定出流问题 当进入容器的流量与孔口或管嘴的出流量不相等时，容器内水位当进入容器的流量与孔口或管嘴的出流量不相等时，容器
13、内水位要发生变化，形成非恒定流。要发生变化，形成非恒定流。以等截面容器为例，设容器截面积为以等截面容器为例，设容器截面积为w w，无补给水，初始水头为，无补给水，初始水头为H H1 1，终止水头为，终止水头为H H2 2，要求泄流时间为，要求泄流时间为T T。当出流量不大的情况下，容器中水位变化缓慢，可忽略惯性水头，当出流量不大的情况下，容器中水位变化缓慢，可忽略惯性水头，在微小时段在微小时段dtdt时间内认为流速、水位等不随时间变化，这时在时间内认为流速、水位等不随时间变化，这时在dtdt 时段内仍可使用恒定流公式，即可将变水头问题作为恒定流来处时段内仍可使用恒定流公式，即可将变水头问题作为
14、恒定流来处理。理。设某一时刻水头为设某一时刻水头为H H，在，在dtdt时段时段内水位变化值为内水位变化值为dHdH，体积变化值，体积变化值为为wdtwdt，应等于，应等于dtdt时段内从孔口时段内从孔口流出的液体体积。流出的液体体积。当当H H2 20 0，即容器排空时，即容器排空时，wHwH1 1为排空体积；为排空体积；所以排空时间等于在初始水头作用下，所以排空时间等于在初始水头作用下，排出同体积液量所需时间的排出同体积液量所需时间的2 2倍。倍。为水头为水头H H1 1时的孔口流量。时的孔口流量。5 53 3短短 管管 的的 水水 力力 计计 算算管中液体的动水相对压强不为零的管道称为有
15、压管道，管中水流管中液体的动水相对压强不为零的管道称为有压管道，管中水流称为有压管流。称为有压管流。根据液体流动时沿程水头损失与局部水头在总水头损失中所占根据液体流动时沿程水头损失与局部水头在总水头损失中所占比重不同，有压管道恒定流又分为短管和长管两种。比重不同，有压管道恒定流又分为短管和长管两种。短管：沿程损失和局部损失都不能忽略，必须同时考虑的管道。短管：沿程损失和局部损失都不能忽略，必须同时考虑的管道。长管：沿程水头损失起主要作用，局部水头损失可以忽略不计的长管：沿程水头损失起主要作用，局部水头损失可以忽略不计的管道。管道。习惯上将局部水头损失占沿程水头损失习惯上将局部水头损失占沿程水头
16、损失5%5%以下的管道按长管计以下的管道按长管计算，否则按短管计算。算，否则按短管计算。有压管流可分为恒定流和非恒定流。有压管流可分为恒定流和非恒定流。一、短管水力计算基本公式：一、短管水力计算基本公式：1 1、大气中自由出流的情况：、大气中自由出流的情况：水头损失水头损失 流量流量自由出流的短管的基本公式自由出流的短管的基本公式 管道的流量系数管道的流量系数 在图中取通过出口中心的水平面在图中取通过出口中心的水平面O OO O作为基准面，断面作为基准面，断面1 1取入取入口断面上游，管道出口断面口断面上游，管道出口断面2 2，对断面，对断面1 1和和2 2列能量方程：列能量方程：如果管道是由不同管径的几段连成：如果管道是由不同管径的几段连成：短管的基本公式短管的基本公式 流量系数流量系数 i i，L Li i，d di i，A Ai i，i i分别为任一管道的沿程水头损失系数、分别为任一管道的沿程水头损失系数、管长、管径、断面面积和局部水头损失系数。管长、管径、断面面积和局部水头损失系数。A A为管道出口的断面面积；为管道出口的断面面积；当忽略行近流速时，流量计算公式变为当忽略行近流
