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1、第第6 6章章 孔口管嘴和有压管道流动孔口管嘴和有压管道流动 6-1 6-1 孔口恒定出流孔口恒定出流6-2 6-2 管嘴恒定出流管嘴恒定出流 6-3 6-3 孔口的变水头出流孔口的变水头出流6-4 6-4 短管的水力计算短管的水力计算6-5 6-5 长管的水力计算长管的水力计算6-6 6-6 管网水力计算基础管网水力计算基础6-7 6-7 离心式水泵及其水力计算离心式水泵及其水力计算 6-8 6-8 水击简介水击简介一、概念一、概念n孔口出流（孔口出流（orifice dischargeorifice discharge） 在容器壁上开孔，水经孔口流出在容器壁上开孔，水经孔口流出 的水力现象
2、就称为孔口出流。的水力现象就称为孔口出流。n薄壁孔口（薄壁孔口（thin-wall orificethin-wall orifice） 当孔口具有锐缘时，孔壁与水流当孔口具有锐缘时，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。这种壁厚对出流并不发生影响。这种 孔口叫做薄壁孔口。孔口叫做薄壁孔口。第六章孔口管嘴管道流动6-1 6-1 孔口恒定出流孔口恒定出流1、根据、根据d/H的比值大小的比值大小 大孔口大孔口（big orificebig orifice） d/H0.10.1时，沿孔口高度上水头变化。时，沿孔口高度上水头变化。 小孔口小孔口（s
3、mall orificesmall orifice） d/H0.1Q2；B）Q1=Q2；C）Q1Q2；D）Q2=0四、沿程均匀泄流管路四、沿程均匀泄流管路应用：水处理构筑物的多孔配水管，城市自来水管道的沿途泄流，应用：水处理构筑物的多孔配水管，城市自来水管道的沿途泄流，隧道工程中长距离通风管道的漏风等问题。隧道工程中长距离通风管道的漏风等问题。 沿着管长从侧面不断连续向外泄出的流量沿着管长从侧面不断连续向外泄出的流量q q，称为途泄流量。管段每，称为途泄流量。管段每单位长度上的流量均等于单位长度上的流量均等于q q，称为沿程均匀泄流管路。，称为沿程均匀泄流管路。 设沿程均匀泄流管路管长为设沿程
4、均匀泄流管路管长为l，直径为，直径为d d，中途泄流量，中途泄流量Qt=ql，末端泄，末端泄流传输流量为流传输流量为Q Qz z基本公式基本公式则竖管总流量为则竖管总流量为建立建立1-1、2-2断面的伯努力方程断面的伯努力方程实际计算中，根据管路长度大小，可以按长管实际计算中，根据管路长度大小，可以按长管/短管计算。短管计算。按长管计算，只考虑沿程水头损失按长管计算，只考虑沿程水头损失，A(S)A(S)为比阻抗，可查管道水力特性表得知。为比阻抗，可查管道水力特性表得知。 当管段的粗糙情况和直径不变，且流当管段的粗糙情况和直径不变，且流动处于阻力平方区时，则比阻抗动处于阻力平方区时，则比阻抗A
5、A是常是常数，积分得数，积分得近似地，有近似地，有引入计算流量引入计算流量：通过流量通过流量Q Qz z=0=0时时说明：管路在只有沿程均匀途泄流量时，其水说明：管路在只有沿程均匀途泄流量时，其水头损失仅为传输流量通过时水头损失的头损失仅为传输流量通过时水头损失的1/31/3。1、枝状管网、枝状管网在给水管道设计中，当管网布置好以后，管路地形、管线长度、用户的在给水管道设计中，当管网布置好以后，管路地形、管线长度、用户的位置、用水量以及用户所需自由水头等是已知的，要求计算管道管径和管位置、用水量以及用户所需自由水头等是已知的，要求计算管道管径和管网起点的水压（或水塔高度）。网起点的水压（或水塔
6、高度）。方法是：方法是：（1）根据管网布置图，按用户接入点及分枝点，将枝状管网分段编号。）根据管网布置图，按用户接入点及分枝点，将枝状管网分段编号。（2）用连续性方程，计算各管段通过流量。）用连续性方程，计算各管段通过流量。（3）根据）根据经济流速经济流速确定各管段管径。确定各管段管径。（4）取标准管径后，计算流速和比阻值，按长管水力计算公式计算各管段）取标准管径后，计算流速和比阻值，按长管水力计算公式计算各管段水头损失，水头损失，（5）按串联管路计算干线中从起点（水泵站或水塔）到）按串联管路计算干线中从起点（水泵站或水塔）到管网控制点管网控制点的总水头的总水头损失，从而根据伯努力方程计算管网
7、起点压力（水泵扬程或水塔高度）。损失，从而根据伯努力方程计算管网起点压力（水泵扬程或水塔高度）。注：管网控制点是指在管网起点至该点的水头损失、地形标高和要求自由水头三项之和为最大点。第六章孔口管嘴管道流动6-6管网管网水力计算基础水力计算基础例例1：图为某城市新建小区供水管网图。图为某城市新建小区供水管网图。0点为城市给水干管，干管中水压不点为城市给水干管，干管中水压不低于低于294kpa。管接点。管接点0处标高处标高z0=126m，点，点4和点和点7标高相等标高相等z4=z7=120m，自由，自由水头同为水头同为Hz=18m，管段长度见表。试计算各管段管径。，管段长度见表。试计算各管段管径。
8、解：根据解：根据0点标高和水压和点点标高和水压和点4、点、点7处的标高和自由水头，计算平均水力坡度，处的标高和自由水头，计算平均水力坡度，由于点由于点4、点、点7处的标高及自由水头相等，从管路长度上判断点处的标高及自由水头相等，从管路长度上判断点7为控制干线。为控制干线。由计算出各段管道比阻Si，然后由求出各段管径，并取标准管径di。计算结果如下:根据经济流速选择各管段管径。如对于34管段，取经济流速v=1.0m/s，则管径d=0.178m，采用d=200mm，管中实际流速v=0.80m/s，在经济流速范围内。进一步计算水头损失。2.2.环状管网环状管网（looping pipes ） 由许多
9、条管段互相连接成闭合形状的管道系统称为环状管网或闭合管网。1）在节点上应满足连续性方程2）在管网的任一闭合环路中，以顺时针方向的水流所引起的水头损失（正）与逆时针方向的水流所引起的水头损失的代数和应等于零，3）在环路中，任一根简单管道都根据长管计算假定分流都发生在节点，则环状管网水力计算的基本原则为：假定分流都发生在节点，则环状管网水力计算的基本原则为：对管网图进行分析，管网上管段数目nq和环数nk以及节点数目np存在下列关系： nq=nk+np -1由于环状管网中各管段的流量和管径均为未知，则对于一个管段数目为nq的环状管网，其未知数个数为： 2nq=2(nk+np -1)Hardy-Cro
10、ssHardy-Cross逐步渐进法计算环状管网的步骤逐步渐进法计算环状管网的步骤（1）初估各管道的流量，并使各节点满足式）初估各管道的流量，并使各节点满足式1）的要求。）的要求。（2）依据经济流速，确定各管段管径。）依据经济流速，确定各管段管径。（3）依据初值流量，由式）依据初值流量，由式3）计算各管道的水头损失）计算各管道的水头损失（只计算沿程水头损失）。（只计算沿程水头损失）。（4）检查环路是否满足式）检查环路是否满足式2）。）。若不满足，则根据计算修正流量对初值流量若不满足，则根据计算修正流量对初值流量Q进行修正。重复步进行修正。重复步骤骤（1）（4），直到误差达到要求精度为止。），直
11、到误差达到要求精度为止。6-7 6-7 离心式水泵及其水力计算离心式水泵及其水力计算n 水泵是输送和提升液体的机器。它把原动机的机械能水泵是输送和提升液体的机器。它把原动机的机械能转化为被输送液体的能量，使液体获得动能或势能。转化为被输送液体的能量，使液体获得动能或势能。n 按其作用原理分为三类：按其作用原理分为三类：1)1)叶片式水泵：离心泵叶片式水泵：离心泵2)2)容积式水泵：活塞式往复泵容积式水泵：活塞式往复泵3)3)其它类型水泵：螺旋泵、射流泵其它类型水泵：螺旋泵、射流泵( (水射器水射器) )n 在城镇及工业企业的给水排水工程中大量的、普遍使在城镇及工业企业的给水排水工程中大量的、普
12、遍使用的水泵是离心式和轴流式两种。用的水泵是离心式和轴流式两种。第六章孔口管嘴管道流动一、离心式水泵工作原理一、离心式水泵工作原理1、构造：见图、构造：见图水泵的叶轮一般水泵的叶轮一般是由两个圆形盖板所是由两个圆形盖板所组成，盖板之间有若组成，盖板之间有若干片弯曲的叶片，叶干片弯曲的叶片，叶片之间的槽道为过水片之间的槽道为过水的叶槽，叶轮的前盖的叶槽，叶轮的前盖板上有一个大圆孔，板上有一个大圆孔，这就是叶轮的进水口，这就是叶轮的进水口，它装在泵壳的吸水口它装在泵壳的吸水口内，与水泵吸水管路内，与水泵吸水管路相连通。相连通。2 2、工作原理：、工作原理：泵壳内灌满所输送的液体泵壳内灌满所输送的液
13、体电电机机泵泵轴轴旋旋转转叶叶轮轮旋旋转转叶叶片片间间的的液液体体旋旋转转受受离离心心力力的的作作用用使使液液体体向向叶叶轮轮外外缘作径向运动。缘作径向运动。流流体体通通过过叶叶轮轮获获得得了了能能量量，并并以以1525m/s的速度进入泵壳。的速度进入泵壳。在在蜗蜗壳壳中中由由于于流流道道的的逐逐渐渐扩扩大大，又又将将大大部部分分动动能能转转变变为为静静压压强强，使使压压强强进进一一步步提提高高，最最终终以以较较高高的的压压强强沿沿切切向向进进入入排排出出管管道道，实实现现输输送送的的目的，此即为目的，此即为排液原理排液原理。当当液液体体由由叶叶轮轮中中心心流流向向外外缘缘时时，在在叶叶轮轮中
14、中心心处处形形成成了了低低压压。在在液液面面压压强强与与泵泵内内压压强强差差的的作作用用下下，液液体体经经吸吸入入管管路路进进入入泵泵的的叶叶轮轮内内，以以填填补补被被排排除除液液体体的的位位置置，此此即即为为吸吸液液原原理理。只只要要叶叶轮轮旋旋转转不不停停，液液体体就就被被源源不断地吸入和排出，这就是离心泵的工作原理。源源不断地吸入和排出，这就是离心泵的工作原理。若若离离心心泵泵在在启启动动前前泵泵壳壳内内不不是是充充满满液液体体而而是是空空气气，由由于于空空气气的的密密度度远远小小于于液液体体的的密密度度，产产生生的的离离心心力力很很小小，因因而而叶叶轮轮中中心心区区形形成成的的低低压压
15、不不足足以以将将贮贮槽槽内内液液体体压压入入泵泵内内，此此时时虽虽启启动动离离心心泵泵但但不不能能够够输输送送液液体体，这这种种现现象象称称作作气气缚缚。表表示示离离心心泵泵无无自自吸吸能能力力。因因此此在在启启动动泵泵前前一一定定要要使泵壳内充满液体。使泵壳内充满液体。二、基本性能参数：二、基本性能参数：6 6个个(1)(1)流量流量q qv v水泵在单位时间内所输送的液体数量。水泵在单位时间内所输送的液体数量。m m3 3/h/h、L/sL/s或或t/ht/h。(2)(2)扬程扬程HH单位重量单位重量(1kg)(1kg)液体通过水泵后其能量的增值。液体通过水泵后其能量的增值。mHmH2 2
16、O O(3)(3)轴功率轴功率NxNx泵得自原动机所传递来的功率泵得自原动机所传递来的功率, ,也称输入功率，也称输入功率，kwkw 有效功率有效功率N Ne e单位时间内流过水泵的液体从水泵那里得到的能量。单位时间内流过水泵的液体从水泵那里得到的能量。(4)(4)效率效率水泵的有效功率与轴功率之比值，水泵的有效功率与轴功率之比值，=N=Ne e/Nx/Nx，N Ne e =gq=gqv vH H(5)(5)转速转速水泵叶轮的转动速度，水泵叶轮的转动速度，r rminmin。 1450r 1450rmin ,2900rmin ,2900rminmin。 (6)(6)允许吸上真空高度允许吸上真空
17、高度Hv Hv 指水泵在标准状况下指水泵在标准状况下( (即水温为即水温为2020、表面、表面压力为一个标推大气压压力为一个标推大气压) )运转时水泵所允许的最大的吸上真空高度。单运转时水泵所允许的最大的吸上真空高度。单位为位为mH20mH20。水泵厂一般常用。水泵厂一般常用HvHv来反映离心泵的吸水性能。来反映离心泵的吸水性能。三、水泵管路系统的水力计算三、水泵管路系统的水力计算包括：水泵安装高度计算、包括：水泵安装高度计算、水泵扬程计算以及水泵轴功率的确定、水泵扬程计算以及水泵轴功率的确定、水泵工况分析。水泵工况分析。1、水泵性能曲线：水泵性能曲线：在转速在转速n一定的情况一定的情况下，水
18、泵的扬程下，水泵的扬程H、轴功、轴功率率N、效率、效率与流量与流量Q的的关系曲线。关系曲线。它反映了泵的基本性它反映了泵的基本性能的变化规律，可做为能的变化规律，可做为选泵和用泵的依据。选泵和用泵的依据。各种型号离心泵的特各种型号离心泵的特性曲线不同，但都有共性曲线不同，但都有共同的变化趋势。同的变化趋势。 为方便用户使用，每台水泵的泵壳上钉有一块为方便用户使用，每台水泵的泵壳上钉有一块铭牌铭牌，铭牌上简明地列出，铭牌上简明地列出了该水泵在设计转速下运转，效率为最高时的流量、扬程、轴功率及允许了该水泵在设计转速下运转，效率为最高时的流量、扬程、轴功率及允许吸上真空高度或汽蚀余量值。铭牌上所列出
19、的这些数值，是该水泵设计工吸上真空高度或汽蚀余量值。铭牌上所列出的这些数值，是该水泵设计工况下的参数值，况下的参数值，它只是反映在持性曲线上效率最高那个点的各参数值。它只是反映在持性曲线上效率最高那个点的各参数值。效率随流量增大而上升，达到一最大值后随流量增加而下降。说明在一定效率随流量增大而上升，达到一最大值后随流量增加而下降。说明在一定转速下，离心泵存在一最高效率点，称为转速下，离心泵存在一最高效率点，称为设计点。设计点。离心泵在与最高效率点离心泵在与最高效率点相对应的相对应的Q和和H下工作最为经济，效率最高点对应的参数下工作最为经济，效率最高点对应的参数Q、H、N称为称为最佳最佳工况参数
20、工况参数(泵铭牌所标出即指此泵铭牌所标出即指此)。在选用离心泵时应使其在该点附近工作，。在选用离心泵时应使其在该点附近工作，一般规定一个工作范围，称为一般规定一个工作范围，称为高效区高效区，为最高效率的，为最高效率的92%左右。左右。2、管路特性曲线管路特性曲线管路特性曲线反映的是在特定的管路中，液体所需扬程反映的是在特定的管路中，液体所需扬程(He)与流量与流量(Qe)的关系。这种关系只与管路的布置条件有关，而与泵的性能无关。的关系。这种关系只与管路的布置条件有关，而与泵的性能无关。11223.离心泵的工作点离心泵的工作点当离心泵安装在一管路中时，泵所提供的扬程与流量，必然和管路所要当离心泵
21、安装在一管路中时，泵所提供的扬程与流量，必然和管路所要求的压头与流量相一致才能工作，因此同时满足管路特性和泵特性的点称求的压头与流量相一致才能工作，因此同时满足管路特性和泵特性的点称为为泵的工作点泵的工作点。在。在H-Q图中即为管路特性曲线和泵特性曲线的交点图中即为管路特性曲线和泵特性曲线的交点M。H=HeQ=QeMHQ例例：一抽水机管系（如图），要求把下水池的水输送到高池，两池高差：一抽水机管系（如图），要求把下水池的水输送到高池，两池高差15m15m，流量，流量Q Q=30=30/s/s，水管内径，水管内径d d=150mm=150mm。泵的效率。泵的效率=0.76=0.76。设已知管路损
22、失（泵损除外）为设已知管路损失（泵损除外）为1010v v2 2/(2g)/(2g)，试求轴功率。，试求轴功率。 解解：取基准面0-0及断面1（位于低水池水面）及2（位于高水池水面）。设泵输入单位重水流的能量为hp，取1=2=1，则能量方程有： z1=0，z2=15m，p1=p2=0，过水断面很大，v1v20，而管中流速： 得：得：hp=16.47mH2O所需轴功率所需轴功率Np为：为：水击现象（水击现象（Water-hammerPhenomena）：在在有压管道系统有压管道系统中，由于某一管路中的部件工作状态的突然改中，由于某一管路中的部件工作状态的突然改变，就会引起管内液体流速的急剧变化，
23、同时引起液体压强大幅变，就会引起管内液体流速的急剧变化，同时引起液体压强大幅度波动，这种现象称为水击或称水锤。度波动，这种现象称为水击或称水锤。 如管道中的阀门突然关闭、水泵机组突然停车等。如管道中的阀门突然关闭、水泵机组突然停车等。 由于水击而产生的压强增加可达到管中原来正常压强的几十倍由于水击而产生的压强增加可达到管中原来正常压强的几十倍甚至几百倍，而且增压和减压交替频率很高，其危害很大，严重甚至几百倍，而且增压和减压交替频率很高，其危害很大，严重时会使管路发生破裂。时会使管路发生破裂。6-8水击简介水击简介水击问题中，考虑水的可压缩性和管壁弹性变形的影响。水击问题中，考虑水的可压缩性和管
24、壁弹性变形的影响。第六章孔口管嘴管道流动一、有压管道中的水击的四个阶段一、有压管道中的水击的四个阶段1. ：0tl/c，增压逆波阶段增压逆波阶段2.：l/ct2l/c，减压顺波阶段减压顺波阶段3.：2l/ct3l/c,减压逆波阶段减压逆波阶段4.：3l/ct4l/c.增压顺波阶段增压顺波阶段水击波的传播现象：一个增压波以一定速度向水池方向传播的现象，水击波的传播现象：一个增压波以一定速度向水池方向传播的现象，水击压强：压强增值（或水头增值水击压强：压强增值（或水头增值H）称为水击压强。）称为水击压强。水击的相长：即水击波由管道阀门传到进口后又由进口传到阀门所需时间。水击的相长：即水击波由管道阀
25、门传到进口后又由进口传到阀门所需时间。 Tr= 2l/c, 2l/c, h=cv0/g 水击波的全周期、半周期水击波的全周期、半周期第一阶段：水的压缩和管壁膨胀，第一阶段：水的压缩和管壁膨胀，增压逆波传递增压逆波传递V00第二阶段：水的受压解除，第二阶段：水的受压解除，减压（常压）顺波，减压（常压）顺波，0V0第一阶段第一阶段水的压缩和管壁膨胀水的压缩和管壁膨胀增压逆波传递增压逆波传递V00第二阶段第二阶段水的受压解除水的受压解除减压（常压）顺波减压（常压）顺波0V0总之，引起管路中速度突然变化的因素，只是水击现象产生的外在条件，液体本身具有可压缩性和惯性是发生水击现象的内在原因。二、水击分类
26、二、水击分类1、直接水击（、直接水击（RapidClosure）：当关闭阀门时间小于或等于一个相长当关闭阀门时间小于或等于一个相长Tr= 2l/c2l/c时，最早由阀门处产生的向上时，最早由阀门处产生的向上传播而后又从水池反射回来的减压顺行波，在阀门全部关闭时还未到达阀门传播而后又从水池反射回来的减压顺行波，在阀门全部关闭时还未到达阀门断面，在阀门断面处产生最大水击压强，称直接水击。断面，在阀门断面处产生最大水击压强，称直接水击。2、间接水击（间接水击（SlowClosure）：当关闭阀门时间大于一个相长时，从上游反射回来的减压波会部分抵消水击当关闭阀门时间大于一个相长时，从上游反射回来的减压
27、波会部分抵消水击增压，使阀门断面处不致达到最大的水击压强，这种水击称为间接水击。增压，使阀门断面处不致达到最大的水击压强，这种水击称为间接水击。3、正水击（、正水击（PositiveWater-hammer）：当管道阀门迅速关闭时，管中流速迅速减小，压强显著增大，当管道阀门迅速关闭时，管中流速迅速减小，压强显著增大，4、负水击（、负水击（SuctionWater-hammer）：当管道阀门迅速开启时当管道阀门迅速开启时三、水击危害的预防三、水击危害的预防1 1、延长阀门关闭或开启时间；（缓闭止回阀）、延长阀门关闭或开启时间；（缓闭止回阀）22、在管路中设置安全瓣，或设置空气室，或安装水击消除阀；、在管路中设置安全瓣，或设置空气室，或安装水击消除阀； 3 3、设置调压塔：减小水击压强及缩小水击的影响范围；、设置调压塔：减小水击压强及缩小水击的影响范围；
