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1、第第6 6章章孔口、管嘴和管路流动孔口、管嘴和管路流动6.16.16.16.1 概述概述6.26.26.26.2 孔口及管嘴恒定出流孔口及管嘴恒定出流6.36.36.36.3 简单管路的水力计算简单管路的水力计算6.46.46.46.4 串联并联管路的水力计算串联并联管路的水力计算第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动1 1、孔口和管嘴、孔口和管嘴孔口孔口小孔口小孔口大孔口大孔口管嘴管嘴6.1 6.1 概述概述 基本概念基本概念第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动2 2、孔口出流、孔口出流流动分类：恒定和非恒流动分类：恒定和非恒定出流定出流出流分类：自由出流和
2、出流分类：自由出流和淹没出流淹没出流收缩分类：完善收缩和收缩分类：完善收缩和不完善收缩不完善收缩液体经容器壁上孔口流出的水力现象。液体经容器壁上孔口流出的水力现象。第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动3 3、管嘴出流、管嘴出流 根据实际需要管嘴可设计成：根据实际需要管嘴可设计成：圆柱形：内管嘴和外管嘴圆柱形：内管嘴和外管嘴非圆柱形：扩张管嘴和收缩管非圆柱形：扩张管嘴和收缩管嘴。嘴。在孔口接一段长在孔口接一段长l=(3l=(34)d4)d的短管，液流经过短管的短管，液流经过短管并充满出口断面流出的水力现象。并充满出口断面流出的水力现象。第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管
3、嘴和有压流动为孔口流速系数，对于小孔口，为孔口流速系数，对于小孔口，式中：式中：式中：式中：一、孔口出流一、孔口出流一、孔口出流一、孔口出流从从 1C 1C 建立伯努利方程，有建立伯努利方程，有6.2 6.2 孔口及管嘴恒定出流孔口及管嘴恒定出流1.1.1.1.自由式出流自由式出流自由式出流自由式出流第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动式中式中式中式中： 、 分别为孔口收缩系数和流量系数分别为孔口收缩系数和流量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 ，= = 对薄壁小孔口对薄壁小孔口= 0.60= 0.600.620.62。孔口的局部阻力系数孔口的局部阻
4、力系数 0 ,0 ,第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动（与自由式出流完全相同）（与自由式出流完全相同）（与自由式出流完全相同）（与自由式出流完全相同）2 .2 .2 .2 .淹没式出流淹没式出流淹没式出流淹没式出流从从 12 12 建立伯努利方程，有建立伯努利方程，有第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动问题问题1 1：薄壁小孔淹没出流时，其流量与：薄壁小孔淹没出流时，其流量与C C 有关。有关。A.A.上游行进水头；上游行进水头； B.B.下游水头；下游水头；C.C.孔口上、下游水面差；孔口上、下游水面差； D.D.孔口壁厚。孔口壁厚。写出图中两个孔口写出
5、图中两个孔口Q Q1 1和和Q Q2 2的流量关系式（的流量关系式（A A1=1=A A2)2)。Q Q1 1 、 或）或） 第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动 （1 1）A A箱水面压力为大气压，箱水面压力为大气压，B B水箱中无水时，求通过孔水箱中无水时，求通过孔 口的流量。口的流量。 （2 2）A A箱水面压力为大气压，箱水面压力为大气压， B B水箱水面高程水箱水面高程H2=2mH2=2m时，时， 求通过孔口的流量。求通过孔口的流量。 （3 3）A A箱水面压力为箱水面压力为2000Pa2000Pa，H1=3mH1=3m时，时， 而而B B水箱水面压力为水箱水面压力
6、为0 0，H2=2mH2=2m时，时， 求通过孔口的流量。求通过孔口的流量。（1 1）m3/sm3/s例例1.1.水从水从A A水箱通过直径为水箱通过直径为10cm10cm的孔口流入的孔口流入B B水箱，流量系水箱，流量系数为数为0.620.62。设上游水箱的水面高程。设上游水箱的水面高程H1=3mH1=3m保持不变。保持不变。m3/s第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动例例2 2: :图图示示水水箱箱孔孔口口出出流流，已已知知压压力力箱箱上上压压力力表表读读数数p p=0.5at=0.5at，玻玻璃璃管管内内水水位位恒恒定定h h1 1=2m=2m，孔孔口口直直径径d d1
7、=40mm1=40mm；敞敞口口容容器器底部孔口直径底部孔口直径d d2 2=30mm=30mm，h h3 3=1m =1m 。求。求h h2 2及流量及流量Q Q。 因水箱内水位恒定，故因水箱内水位恒定，故Q Q1=1=Q Q2=2=Q Q；并注意到并注意到1=1=2 2=0.62=0.62，则，则 孔口自由出流量孔口自由出流量 解解 孔口淹没出流流量孔口淹没出流流量 第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动从从 12 12 建立伯努利方程，有建立伯努利方程，有式中：式中：式中：式中： 为管嘴流速系数，为管嘴流速系数，二二二二 . . . .管嘴出流的计算管嘴出流的计算管嘴出流
8、的计算管嘴出流的计算第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动式中：式中：式中：式中： 为管咀流量系数，为管咀流量系数，w 在在H H、d d 分别相同情况下，与孔口出流比较：分别相同情况下，与孔口出流比较：，但，但w 管嘴正常工作条件管嘴正常工作条件 显然显然nn= 1.32= 1.32。可见在相同条件，管嘴的过流能可见在相同条件，管嘴的过流能力是孔口的力是孔口的1.321.32倍。倍。 第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动圆柱形外管嘴的真空圆柱形外管嘴的真空 孔口外面加管嘴后，增加了阻力，但是流量反而孔口外面加管嘴后，增加了阻力，但是流量反而增加，这是由于收缩
9、断面处真空的作用。增加，这是由于收缩断面处真空的作用。对圆柱形外管嘴：对圆柱形外管嘴：=1=1， =0.64=0.64， =0.82=0.82第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动小结小结 孔口出流：在容器壁上开孔，水经孔口流出的水力现象孔口出流：在容器壁上开孔，水经孔口流出的水力现象管嘴出流：在孔口上连接长为管嘴出流：在孔口上连接长为3434倍孔径的短管，水经过倍孔径的短管，水经过 短管并在出口断面满管流出的水力现象。短管并在出口断面满管流出的水力现象。 自由出流出流时，自由出流出流时，H H0 0为孔口形心以上的水面高度；淹没为孔口形心以上的水面高度；淹没出流时，出流时，H
10、 H0 0为上、下游水面高度差。为上、下游水面高度差。 1.1.基本概念基本概念 2.2.薄壁小孔口自由出流，淹没出流流量计算公式：薄壁小孔口自由出流，淹没出流流量计算公式： 3.3.管嘴出流的流量公式管嘴出流的流量公式 同样作用水头下，管嘴出流的流量比孔口出流的流同样作用水头下，管嘴出流的流量比孔口出流的流量大量大0.82/0.62=1.320.82/0.62=1.32倍倍 第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动问题问题1：孔口、管嘴若作用水头和直径：孔口、管嘴若作用水头和直径d相同时，下相同时，下列那些是正确的：列那些是正确的：BA.Q孔孔Q嘴，嘴，u孔孔u嘴；嘴；B.Q孔
11、孔u嘴；嘴；C.Q孔孔Q嘴，嘴，u孔孔u嘴；嘴；D.Q孔孔Q嘴，嘴，u孔孔u嘴。嘴。第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动例例1:某某水水池池壁壁厚厚d=20cm，两两侧侧壁壁上上各各有有一一直直径径d=60mm的的圆圆孔孔，水水池池的的来来水水量量=30l/s，通通过过该该两两孔孔流流出出；为为了了调调节节两两孔孔的的出出流流量量，池池内内设设有有隔隔板板，隔隔板板上上开开与与池池壁壁孔孔径径相相等等的的圆圆孔孔。求求池池内内水水位位恒恒定定情情况下，池壁两孔的出流量各为多少？况下，池壁两孔的出流量各为多少？ 第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动解解:池壁厚
12、池壁厚=(34)d，所以池壁两侧孔口出流均实为圆，所以池壁两侧孔口出流均实为圆柱形外管嘴出流。按孔口、管嘴出流的流量公式柱形外管嘴出流。按孔口、管嘴出流的流量公式 第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动 一一隔隔板板将将水水箱箱分分为为A A、B B两两格格，隔隔板板上上有有直直径径d1=40mmd1=40mm的的薄薄壁壁孔孔口口，如如下下图图，B B箱箱底底部部有有一一直直径径d2=30mmd2=30mm的的圆圆柱柱形形管管嘴嘴，管管嘴嘴长长l=0.1ml=0.1m，A A箱箱水水深深H1=3mH1=3m恒恒定定不不变变。（1 1）分分析析出出流流恒恒定定条条件件（H2H2不
13、不变变的的条条件件）。（2 2）在在恒恒定定出出流流时时，B B箱箱中中水水深深H2H2等等于于多少？（多少？（3 3）水箱流量）水箱流量Q1Q1为何值？为何值？第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动1.1.孔口在淹没出流时的作用水头为孔口在淹没出流时的作用水头为_D_D_。A A、上下游水头差；、上下游水头差； B B、出口中心与上游水面的高差；、出口中心与上游水面的高差；C C、出口中心与下游水面的高差；、出口中心与下游水面的高差；D D、出口断面测压管水头。、出口断面测压管水头。2.2.在在相相同同水水头头H H0 0的的作作用用下下，管管嘴嘴出出流流量量Q Q1 1与与
14、同同样样断断面面面面积的孔口出流量积的孔口出流量Q Q2 2的关系为的关系为 C CA A、B B、C C、D D、3.3.小小孔孔口口淹淹没没出出流流的的流流量量，在在上上下下游游水水位位差差不不变变的的条条件件下下，与出口淹没深度的关系为：与出口淹没深度的关系为：B BA A、H H2 2越大则越大则Q Q越大；越大；B B、H H2 2越大则越大则Q Q越小；越小；C C、Q Q与与H H2 2成抛物线关系；成抛物线关系；D D、Q Q与与H H2 2无关。无关。 第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动孔口非恒定出流孔口非恒定出流如容器水面随时间变化，孔口的流量也会如容器
15、水面随时间变化，孔口的流量也会随时间变化，称为变水头出流或非恒定随时间变化，称为变水头出流或非恒定流。流。 第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动当容器为柱体，当容器为柱体，=常数，则有：常数，则有：当当H1=H，H2=0，即得容器即得容器“泄空泄空”(水面降水面降至孔口处至孔口处)所需时间所需时间变水头出流时容器变水头出流时容器“泄空泄空”所需要的时间，等于所需要的时间，等于在起始水头在起始水头H作用下恒定出流流出同体积水所作用下恒定出流流出同体积水所需时间的二倍。需时间的二倍。第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动一一一一 . . . .计算特点计算特点计算
16、特点计算特点1 .1 .1 .1 .已知已知已知已知H H H H、d d d d，求，求，求，求Q Q Q Q（校核）校核）校核）校核）6.3 6.3 管路的水力计算管路的水力计算二二二二 . . . .计算类型计算类型计算类型计算类型2 .2 .2 .2 .已知已知已知已知Q Q Q Q、d d d d，求，求，求，求H H H H（设计）设计）设计）设计）3 .3 .3 .3 .已知已知已知已知Q Q Q Q、H H H H，求，求，求，求d d d d（设计）设计）设计）设计）第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动w 水泵吸水管的水力计算水泵吸水管的水力计算三三三三 .
17、 . . .实例分析实例分析实例分析实例分析计算内容：计算内容：计算内容：计算内容：水泵的安装高度水泵的安装高度从从 12 12 建立伯努利方程，有建立伯努利方程，有第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动式中：式中：式中：式中：为气体真空度，一般为气体真空度，一般 实际的安装高度实际的安装高度 只要小于或等于只要小于或等于 ，即可。，即可。第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动在在某某地地安安装装一一台台水水泵泵，其其输输水水量量qV=135L/s，输输送送水水温温t =30，该该泵泵允允许许吸吸上上真真空空高高度度Hs=4.67m。吸吸水水管管径径d=250m
18、m，吸吸水水管管长长l=9m，该该水水管管上上有有一一个个90弯弯头头，并并装装有有一一个个蝶蝶阀阀，设设吸吸入入管管路路总总损损失失hw=0.878m。求求Hg应应为多少？为多少？第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动又因为：又因为：所以，泵的几何安装高度应为：所以，泵的几何安装高度应为：第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动 离离心心泵泵吸吸水水管管直直径径d d1 1=500mm=500mm，样样本本上上给给出出的的允允许许吸吸上上真真空空高高度度HHs s=4m=4m，吸吸水水管管的的长长度度L L1 1=6m=6m，局局部部阻阻力力的的当当量量长长度度
19、L Le e=4m=4m，沿沿程程阻阻力力系系数数=0.025=0.025。试试问问当当泵泵在在流流量量q qv v=2000m=2000m3 3/h/h、安安装装高高度度H=3mH=3m时时能能否否正正常常工作？工作？第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动 两水池用虹吸管连通，上下游水位差两水池用虹吸管连通，上下游水位差H=2m，管，管长长L1=3m，L2=5m，L3=4m，直径，直径d=200mm，上游水面至管顶高度，上游水面至管顶高度h=1m。已知。已知，进，进口网口网（每个弯头），出口，（每个弯头），出口，n（1）虹
20、吸管中的流量；）虹吸管中的流量；n（2）管中压强最底点的位置及其最大负压值。）管中压强最底点的位置及其最大负压值。 第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动写上、下游水面的能量方程：写上、下游水面的能量方程： 最低点在最低点在L L末端，末端，则置及其最大置及其最大负压值。 第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动1 .1 .1 .1 .定义：定义：定义：定义： d d、Q Q沿程不变的管路，称为简单管路。沿程不变的管路，称为简单管路。2 .2 .2 .2 .计算原理计算原理计算原理计算原理w 伯努利方程伯努利方程四、简单管路四、简单管路w 连续性方程连续性方程3
21、.3 .3 .3 .关于关于关于关于Q Q Q Q 的计算的计算的计算的计算式中式中式中式中 称为管路阻抗（总阻力损失与称为管路阻抗（总阻力损失与体积流量平方成正比）。体积流量平方成正比）。第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动 如图水泵抽水系统，管长、管径单位为如图水泵抽水系统，管长、管径单位为m m，给于图中，给于图中，流量流量m3/s，求（求（1 1）吸水管及压水管的）吸水管及压水管的S S数。数。 （2 2）求水泵所需水头。）求水泵所需水头。 第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动五五五五. . . .串联管路串联管路串联管路串联管路1 .1 .1 .1
22、 .定义：由定义：由定义：由定义：由d d d d不同的若干段管顺次联接的管路，不同的若干段管顺次联接的管路，不同的若干段管顺次联接的管路，不同的若干段管顺次联接的管路， 称为串联管路。称为串联管路。称为串联管路。称为串联管路。2 .2 .2 .2 .管路计算管路计算管路计算管路计算w （能量关系）（能量关系）w （流量关系）（流量关系）无流量分出无流量分出 有流量分出有流量分出 第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动六六六六 . . . .并联管路并联管路并联管路并联管路1 .1 .1 .1 .定义：定义：定义：定义：在两节点间并设两条以上的管路，称为在两节点间并设两条以上的
23、管路，称为在两节点间并设两条以上的管路，称为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并联管路，其目的是提高供水的可靠性并联管路，其目的是提高供水的可靠性并联管路，其目的是提高供水的可靠性. . . .2 .2 .2 .2 .水力关系水力关系水力关系水力关系w （流量关系）（流量关系）w （能量关系）（能量关系）第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动有一简单并联管路如下图，总流量有一简单并联管路如下图，总流量 求求各管段的流量及两节点间的水头损失。第一支路各管段的流量及两节点间的水头损失。第一支路 第二支路第二支路m m3/s，mm，m m，mmmm，
24、m m。节点间的水头损失节点间的水头损失 第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动1 1：串联管道各串联管段的：串联管道各串联管段的：D D A.A.水头损失相等；水头损失相等； B.B.总能量损失相等；总能量损失相等； C.C.水力坡度相等；水力坡度相等； D.D.所通过的流量相等。所通过的流量相等。 2:2:如图，并联管段如图，并联管段1 1、2 2、3 3在在A A、B B之间之间的水头损失是：之间之间的水头损失是：D D A.hfABhfl+hf2+hf3； B.hfABhfl+hf2； C.hfABhf2+hf3； D.hfABhfl=hf2=hf3。 第六章第六章 孔
25、口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动三层供水管路，各管路的三层供水管路，各管路的S值皆为值皆为 106s2/m5，层，层高均为高均为5m。设。设a点的压力水头为点的压力水头为20m，求，求Q1、Q2、Q3，并比较三流量，得出结论来。（忽略，并比较三流量，得出结论来。（忽略a处流速水头）处流速水头）第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动离心泵主要性能参数离心泵主要性能参数 流量流量 能头能头 (泵称为扬程泵称为扬程)H或压头或压头(风机称为全压或风压风机称为全压或风压) 功率和效率功率和效率 转速转速n泵与风机轴每分钟的转速，泵与风机轴每分钟的转速，r/min第六章第六章 孔口
26、、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动流量流量Q Q流量是指单位时间内所输送的流体量。流量是指单位时间内所输送的流体量。它可以用体积流量它可以用体积流量Qv表示，也可以用质量流量表示，也可以用质量流量Qm 表示。体积流量的常用单位为表示。体积流量的常用单位为m3s或或m3h，质，质量流量的常用单位为量流量的常用单位为kgs或或th。质量流量与体积流量的关系为质量流量与体积流量的关系为 Qm=Qv主要性能参数主要性能参数第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动扬程扬程H指指单单位位重重量量液液体体通通过过泵泵后后所所获获得得的的能能量量，即即流流体体从从泵泵进进口口断断面面l一一1到
27、到泵泵出出口口断断面面22所所获获得得的的能能量量增增加加值值，则则水水泵泵的扬程为的扬程为第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动功率和效率功率和效率原动机传动装置泵原动机功率 Ng=N/tm轴功率 N=Ne/有效功率 Ne=pgQH 传动效率tm泵效率= Ne/N第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动某某台台IR125-100-315IR125-100-315型型热热水水离离心心泵泵的的流流量量为为240 240 m m/h/h，扬扬程程为为120m120m，泵泵效效率率为为7777，热热水水温温度度为为8080，密密度度为为970kg/m970kg/m，试试
28、计计算算该该泵泵有有效效功功率率和和轴轴功功率率的的大大小。小。（m3/sm3/s）kw该泵轴功率为：该泵轴功率为：该泵有效功率为：该泵有效功率为：kw第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动水泵在如图水泵在如图0-50-5所示的管路系统中工作时，若吸水池液所示的管路系统中工作时，若吸水池液面的压强为面的压强为p pe e1 1，压水池液面的压强为，压水池液面的压强为p pe e2 2，且两水池液，且两水池液面的高度差为面的高度差为H HZ Z，吸水管和压水管的流动损失之和为，吸水管和压水管的流动损失之和为h hw w，试推导在这种情况下，泵扬程的表达式。，试推导在这种情况下，泵
29、扬程的表达式。上式表明：泵的扬程可由它的实际工作上式表明：泵的扬程可由它的实际工作参数求出。此时，扬程参数求出。此时，扬程H H不一定是额定不一定是额定参数，其值会随着工作条件的改变而变参数，其值会随着工作条件的改变而变化。化。 设泵的扬程为设泵的扬程为H H，在，在1-11-1、2-22-2截面上，截面上，应用伯努利方程得：应用伯努利方程得：第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动 某锅炉给水泵进口压力表读数为某锅炉给水泵进口压力表读数为0.7MPa，该压力表，该压力表的安装高度为的安装高度为1m；出口压力表读数为；出口压力表读数为17.7MPa，该，该压力表的安装高度为压力表
30、的安装高度为9m，给水的密度取，给水的密度取950kg/m。试计算给水泵的扬程。试计算给水泵的扬程。 提示：本题可以忽略泵进、出口的高度差、给水密提示：本题可以忽略泵进、出口的高度差、给水密度差和速度差，但应考虑进出口压力表的表位差。度差和速度差，但应考虑进出口压力表的表位差。 解：该给水泵的扬程为：解：该给水泵的扬程为：第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动 如图所示，水在压强作用下从密封的下水箱沿竖直管道如图所示，水在压强作用下从密封的下水箱沿竖直管道流入上水箱中，已知流入上水箱中，已知h50cm，H3m，管道直径，管道直径D25mm，0.02，各局部阻力系数分别为，各局部阻力系数分别为10.5，25.0，31.0，管中流速，管中流速V1m/s，求：下水箱的液面压强。，求：下水箱的液面压强。（设稳定流动）（设稳定流动）（10%）第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动某建筑工地用水，由水泵将河边井中水抽送至贮水池中(如图所示)。已知水泵工作流量Q=50L/s，水泵最大吸水真空高度 ，吸水管长度=8.0m，管径=150mm，管道沿程阻力系数=0.025，局部阻力系数：底阀=5.0， 弯道=0.5，井中水面标高z1=。试求水泵最大安装高度标高z2。第六章第六章 孔口、管嘴和有压流动孔口、管嘴和有压流动
