孔口管嘴出流与有压管流.ppt

l第第7 7章章 孔口管嘴出流与有压管流孔口管嘴出流与有压管流l7.1 7.1 孔口出流（掌握）孔口出流（掌握）l7.2 7.2 管嘴出流（掌握）管嘴出流（掌握）l7.3 7.3 短管的水力计算（掌握）短管的水力计算（掌握）l7.4 7.4 长管的水力计算（掌握）长管的水力计算（掌握）l7.5 7.5 有压管道的水击（了解）有压管道的水击（了解）l7.6 7.6 离心泵的原理和选用（自学）离心泵的原理和选用（自学）l7.1 7.1 孔口出流孔口出流l在容器壁上开孔，流体经孔口流出的水力现象称为孔口在容器壁上开孔，流体经孔口流出的水力现象称为孔口出流，孔口出流损失只计局部损失。出流，孔口出流损失只计局部损失。l薄壁小孔口恒定出流薄壁小孔口恒定出流l孔口出流的分类孔口出流的分类l1 1、按、按d/Hd/H的比值大小分为：的比值大小分为：ld/H=0.1 d/H0.1 d/H0.1 大孔口大孔口l2 2、按容器中的流体量是否能得到不断补充分为：、按容器中的流体量是否能得到不断补充分为：恒定出恒定出流和非恒定出流流和非恒定出流l3 3、按孔厚度及形状对出流的影响分为：、按孔厚度及形状对出流的影响分为：l薄壁孔口薄壁孔口：容器壁厚与孔口直径之比小于二分之一时，：容器壁厚与孔口直径之比小于二分之一时，水流与孔壁仅在一条周线上接触，其厚度对流动不产生水流与孔壁仅在一条周线上接触，其厚度对流动不产生显著影响，经过孔口的出流形成射流状态显著影响，经过孔口的出流形成射流状态 l厚壁孔口厚壁孔口：若孔壁厚度和形状促使流股收缩后又扩开，：若孔壁厚度和形状促使流股收缩后又扩开，与孔壁接触形成面而不是线与孔壁接触形成面而不是线 l4 4、按孔口是否流入大气中分为：、按孔口是否流入大气中分为：自由出流和淹没出流自由出流和淹没出流l7.1.1 7.1.1 薄壁小孔口的恒定出流薄壁小孔口的恒定出流l1 1、自由出流、自由出流l 断面断面1-11-1和收缩断面和收缩断面C-CC-C，列能量方程，列能量方程 l考虑到：考虑到：l1 1）小孔口自由出流，则有）小孔口自由出流，则有 ；l22）水箱中的微小水头损失可忽）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略不计，主要是流经孔口的局部水头损失。失。则有：则有：l令令 11自由出流自由出流l代入得，代入得，l孔口的流量为：孔口的流量为：l收缩系数收缩系数 ：是指收缩断面面积：是指收缩断面面积 与孔口断面面积与孔口断面面积 之比；之比；l作用水头，水面至孔口形心的水深作用水头，水面至孔口形心的水深,当当 时，时，l 孔口局部水头损失系数孔口局部水头损失系数,l流速系数流速系数,l流量系数流量系数,l2 2、淹没出流、淹没出流l 作用水头，为两水头面的水位差；作用水头，为两水头面的水位差；l 孔口局部水头损失系数孔口局部水头损失系数,l 水流自收缩断面突然扩大的局部水头损失系数水流自收缩断面突然扩大的局部水头损失系数,l 流速系数流速系数l 流量系数，流量系数，淹没出流淹没出流l3 3 的影响因素的影响因素l1 1）孔口形状对）孔口形状对 的影响的影响 l实验证明，对于小孔口，不同形状孔口的流量系数实验证明，对于小孔口，不同形状孔口的流量系数影响不大。影响不大。l2 2）孔口边缘情况对）孔口边缘情况对 的影响的影响 l孔口边缘情况对收缩系数会有影响：孔口边缘情况对收缩系数会有影响：l薄壁孔口的收缩系数最小（薄壁孔口的收缩系数最小（），），圆边孔口圆边孔口收缩系数收缩系数 较大，甚至等于较大，甚至等于1 1。l3 3孔口出流的各项系数孔口出流的各项系数l全部收缩孔口：当孔口的全部边界都不与相邻的全部收缩孔口：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都发生收缩，这种孔口称为全部收缩孔口(如如A,A,B)B)。否则称为部分收缩（如。否则称为部分收缩（如C,DC,D）。）。l全部收缩孔口又分完善收缩和不完善收缩。全部收缩孔口又分完善收缩和不完善收缩。l全部完善收缩：凡孔口与相邻壁面的距离大于同全部完善收缩：凡孔口与相邻壁面的距离大于同方向孔口尺寸的方向孔口尺寸的3 3倍（倍（L3aL3a或或L3bL3b），孔口出流），孔口出流的收缩不受距壁面远近的影响，这就是完善收缩的收缩不受距壁面远近的影响，这就是完善收缩(如如A)A)，各项系数如表各项系数如表7-17-1。l全部不完善收缩：不满足上述条件的孔口出流为全部不完善收缩：不满足上述条件的孔口出流为不完善收缩不完善收缩(如如B)B)。l7.1.2 7.1.2 孔口的变水头出流孔口的变水头出流l孔口出流过程中，容器内水位随时间变化，导致孔口的孔口出流过程中，容器内水位随时间变化，导致孔口的流量随时间变化的流动，称为孔口的变水头出流。流量随时间变化的流动，称为孔口的变水头出流。某时刻容器中水面高度为某时刻容器中水面高度为h h，微小时段，微小时段dtdt内，孔口自由内，孔口自由出流时体积的变化量：出流时体积的变化量：该时段容器减少的体积为该时段容器减少的体积为:变水头出流变水头出流l例例7.1 7.1 贮水罐底面积贮水罐底面积 ，贮水深，贮水深4m4m，由于锈蚀，由于锈蚀，距罐底处形成一个直径为距罐底处形成一个直径为5mm5mm的孔洞，试求：的孔洞，试求：（1 1）水位）水位恒定，一昼夜的漏水量；（恒定，一昼夜的漏水量；（2 2）因漏水水位下降，一昼夜）因漏水水位下降，一昼夜的漏水量。的漏水量。l解：解：（1 1）水位恒定，一昼夜的漏水量可按薄壁孔口恒）水位恒定，一昼夜的漏水量可按薄壁孔口恒定自由出流计算，代入公式定自由出流计算，代入公式l其中其中l所以所以 l解：解：（2 2）因漏水水位下降，一昼夜的漏水量按孔口）因漏水水位下降，一昼夜的漏水量按孔口变水头出流计算变水头出流计算l其中其中l所以解得所以解得 l因此一昼夜的漏水量为：因此一昼夜的漏水量为：l7.2 7.2 管嘴出流管嘴出流l在孔口周边连接一长为在孔口周边连接一长为3 34 4倍孔径的短管，水经过短管倍孔径的短管，水经过短管并在出口断面并在出口断面满管流出满管流出的水力现象，称为管嘴出流。的水力现象，称为管嘴出流。l7.2.1 7.2.1 圆柱形外管嘴恒定出流圆柱形外管嘴恒定出流l在相同水头在相同水头 的作用下，同样断面面积的管嘴的过流的作用下，同样断面面积的管嘴的过流能力是孔口的倍。能力是孔口的倍。管嘴的局部水头损失系数l7.2.2 7.2.2 圆柱形外管嘴的真空（圆柱形外管嘴的真空（cccc和出口断面和出口断面1111的伯的伯努利方程）努利方程）l圆柱形管嘴收缩断面处真空度可达作用水头的倍。相圆柱形管嘴收缩断面处真空度可达作用水头的倍。相当于把管嘴的作用水头增大了当于把管嘴的作用水头增大了75%75%。这就是相同直径、。这就是相同直径、相同作用水头下的圆柱形外管嘴的流量比孔口大的原相同作用水头下的圆柱形外管嘴的流量比孔口大的原因。因。l7.2.3 7.2.3 圆柱形外管嘴的正常工作条件圆柱形外管嘴的正常工作条件l（1 1）作用水头，这是因为当收缩断面的真空）作用水头，这是因为当收缩断面的真空高度超过高度超过7m7m水柱时，空气会被吸入，管嘴不能保持满水柱时，空气会被吸入，管嘴不能保持满管出流；管出流；l（2 2）管嘴长度）管嘴长度,如果管嘴长度太短，不能如果管嘴长度太短，不能形成真空，如果管嘴长度太长，则要计入沿程水头损形成真空，如果管嘴长度太长，则要计入沿程水头损失，成为了短管而非管嘴。失，成为了短管而非管嘴。l7.3 7.3 短管水力计算短管水力计算l有压管道分为短管和长管。有压管道分为短管和长管。短管是沿程水头损失和局部水短管是沿程水头损失和局部水头损失都不可忽略的管道；长管是指水头损失以沿程水头头损失都不可忽略的管道；长管是指水头损失以沿程水头损失为主，忽略流速水头和局部水头损失的管道。损失为主，忽略流速水头和局部水头损失的管道。l7.3.1 7.3.1 基本公式基本公式l1.1.自由出流自由出流 l2.2.淹没出流淹没出流 l其中其中 含有管道出口水头损失系数含有管道出口水头损失系数l7.3.2 7.3.2 水力计算问题水力计算问题 l 1.1.已知作用水头、管道长度、直径，管材（管道壁已知作用水头、管道长度、直径，管材（管道壁面的粗糙情况），局部阻碍的组成，求流量。面的粗糙情况），局部阻碍的组成，求流量。l 2.2.已知流量，管道长度、直径，管材（管道壁面的已知流量，管道长度、直径，管材（管道壁面的粗糙情况），局部阻碍的组成，求水头。粗糙情况），局部阻碍的组成，求水头。l 3.3.已知流量，作用水头，管道长度、管材（管道壁面已知流量，作用水头，管道长度、管材（管道壁面的粗糙情况），局部阻碍的组成，求直径。的粗糙情况），局部阻碍的组成，求直径。l一、虹吸管的水力计算（例一、虹吸管的水力计算（例7-27-2）l由于虹吸管一部分管段高出上游水面，必然存在真空段。由于虹吸管一部分管段高出上游水面，必然存在真空段。真空的存在将使溶解在水中的空气分离出来。随着真空真空的存在将使溶解在水中的空气分离出来。随着真空度的增大，分离出来的空气量会急骤增加。工程上，为度的增大，分离出来的空气量会急骤增加。工程上，为保证虹吸管能通过设计流量，一般限制保证虹吸管能通过设计流量，一般限制管中最大真空度管中最大真空度不超过允许值不超过允许值 hv=7 hv=7水柱水柱)。以避免气蚀破坏。以避免气蚀破坏。这是这是虹吸管正常过流的工作条件。虹吸管正常过流的工作条件。l（1 1）虹吸管的流量（如图按短管淹没出流计算）虹吸管的流量（如图按短管淹没出流计算）l流速流速l流量：流量：l（2 2）最大真空高度（列）最大真空高度（列1111、cccc断面伯努利方程）断面伯努利方程）l即即最大超高l*例例7-2 7-2 用虹吸管自钻井输水至集水池如图所示。用虹吸管自钻井输水至集水池如图所示。虹吸管长虹吸管长 ，直径，直径 。钻井至集水池间的恒定水位高差。钻井至集水池间的恒定水位高差 。又已知沿程阻力系数。又已知沿程阻力系数 ，管，管路进口、路进口、120120弯头、弯头、9090弯头及出口处的局部阻力弯头及出口处的局部阻力系数分别系数分别 。l试求：试求：(1)(1)虹吸管的流量虹吸管的流量Q Q；l(2)(2)若虹吸管顶部若虹吸管顶部B B点安装高度点安装高度hBhB米，校核其真空度米，校核其真空度是否满足是否满足hvhv=7=78m8m。l解：短管淹没出流计算解：短管淹没出流计算l(1)(1)流速流速l流量为：流量为：l(2)(2)最大真空高度为最大真空高度为 l所以虹吸管高度所以虹吸管高度hshs时，虹吸管可以正常工作。时，虹吸管可以正常工作。l二、水泵吸水管的水力计算（例二、水泵吸水管的水力计算（例7-37-3）l水泵的工作原理：通过水泵转轮旋转，在泵水泵的工作原理：通过水泵转轮旋转，在泵体进口造成真空，水体在大气压作用下经吸体进口造成真空，水体在大气压作用下经吸水管进入泵体，水流在泵体内旋转加速，获水管进入泵体，水流在泵体内旋转加速，获得能量，再经压水管进入水塔。得能量，再经压水管进入水塔。l1 1、水泵吸水管、水泵吸水管 由取水点至水泵进口的管道由取水点至水泵进口的管道称为吸水管。吸水管长度一般较短而管路配称为吸水管。吸水管长度一般较短而管路配件多，局部水头损失不能忽略，所以通常按件多，局部水头损失不能忽略，所以通常按短管计算短管计算。吸水管的水力计算主要是确定水。吸水管的水力计算主要是确定水泵的允许安装高度泵的允许安装高度H HS S和过流能力和过流能力Q Q。l取吸水池水面取吸水池水面1-11-1和水泵进口和水泵进口2-22-2断面列伯努利方程，并断面列伯努利方程，并忽略吸水池流速，得忽略吸水池流速，得l式中：式中：l 水泵安装高度水泵安装高度l 水泵进口断面真空高度水泵进口断面真空高度l 吸水管沿程摩阻系数吸水管沿程摩阻系数l 吸水管各项局部水头损失系数之和。吸水管各项局部水头损失系数之和。l水泵进口处的真空度是有限制的。水泵进口处的真空度是有限制的。l当进口压强降低至该温度下饱和的蒸汽压强时，水因气化当进口压强降低至该温度下饱和的蒸汽压强时，水因气化而生成大量气泡。气泡随着水流进入泵内高压部位，因受而生成大量气泡。气泡随着水流进入泵内高压部位，因受压缩而突然溃灭，周围的水便以极大的速度向气泡溃灭点压缩而突然溃灭，周围的水便以极大的速度向气泡溃灭点冲击，在该点造成高达数百大气压以上的压强。这种集中冲击，在该点造成高达数百大气压以上的压强。这种集中在极小面积上的强大冲击力如发生在水泵部件的表面，就在极小面积上的强大冲击力如发生在水泵部件的表面，就会使部件很快损坏。这种现象称为会使部件很快损坏。这种现象称为空蚀空蚀。为了防止空蚀发。为了防止空蚀发生，通常水泵厂由实验确定水泵进口的允许真空度生，通常水泵厂由实验确定水泵进口的允许真空度hhv v。作为水泵的性能指标之一。作为水泵的性能指标之一。l当水泵进口断面真空度等于允许真空度当水泵进口断面真空度等于允许真空度h hv v时，就可根时，就可根据抽水量和吸水管道情况，按上式确定水泵的允许安装高据抽水量和吸水管道情况，按上式确定水泵的允许安装高度和流量，即度和流量，即l例例7-3 7-3 图图中中所所示示离离心心泵泵实实际际抽抽水水量量Q Q，吸吸水水管管长长度度l l，直直径径d d=100mm=100mm，沿沿程程阻阻力力系系数数，局局部部阻阻力力系系数数：带带底底阀阀的的滤滤水水管管1 1，弯弯管管2 2。如如允允许许真真空空度度h hv v，试试决决定定其允许安装高度其允许安装高度HsHs。l解：由解：由l式中局部阻力系数总和式中局部阻力系数总和 l管中流速管中流速 l将各值代入上式得将各值代入上式得l三、短管直径计算（例三、短管直径计算（例7-47-4）l管道直径的计算，最后化简为解算高次代数方程，管道直径的计算，最后化简为解算高次代数方程，难以由方程直接求解，一般采用试算法，更适于编难以由方程直接求解，一般采用试算法，更适于编程电算。程电算。l例例7-4 7-4 圆形有压涵管圆形有压涵管(如图如图)，管长，管长50m50m，上下游水位，上下游水位差差H=3mH=3m，各项阻力系数：沿程，进口，各项阻力系数：沿程，进口e e、转弯、转弯b b、出口出口0 0=1=1，如要求涵管通过流量，如要求涵管通过流量 ，确定管径。确定管径。l解解 以以下下游游水水面面为为基基准准面面，对对1-11-1、2-22-2断断面面建建立立伯伯努努利利方程，忽略上下游流速，得方程，忽略上下游流速，得l即即l代入已知各数值，简化得代入已知各数值，简化得l用试算法求用试算法求d d，设代入上式，设代入上式l采用规格管径采用规格管径d=1.0m.d=1.0m.l7.4 7.4 长管水力计算长管水力计算l7.4.1 7.4.1 简单管路简单管路l沿程直径不变，流量也不变的管道为简单管路。简单管沿程直径不变，流量也不变的管道为简单管路。简单管路的计算是一切复杂管路水力计算的基础。路的计算是一切复杂管路水力计算的基础。l以通过管路出口断面以通过管路出口断面2-22-2形心的水平面为基准面，水池形心的水平面为基准面，水池中取符合渐变流的断面中取符合渐变流的断面1-11-1。对断面。对断面1-11-1和和2-22-2建立伯努建立伯努利方程式，得利方程式，得l长管中，沿程局部水头损失长管中，沿程局部水头损失 与流速水头与流速水头 可以忽略不计可以忽略不计,上述方程就简化为。上述方程就简化为。l长管全部作用水头都消耗于沿程水头损失。流速水头可长管全部作用水头都消耗于沿程水头损失。流速水头可以忽略不计以忽略不计,因此因此总水头线与测压管水头线重合总水头线与测压管水头线重合。l因此因此l引入比阻的概念引入比阻的概念：(比阻取决于沿程摩阻系数和管径比阻取决于沿程摩阻系数和管径)l则则l土木工程中，通常采用谢才公式计算沿程摩阻系数，即土木工程中，通常采用谢才公式计算沿程摩阻系数，即l所以所以l按上式编制出水管通用比阻计算表（表按上式编制出水管通用比阻计算表（表7-37-3）用于查表）用于查表计算。计算。l阻抗阻抗*：l流量模数流量模数*：l例例7-5 7-5 由水塔向工厂供水，采用铸铁管。管长由水塔向工厂供水，采用铸铁管。管长2500m2500m，管径管径350mm350mm。水塔处地面标高。水塔处地面标高1=61m1=61m，水塔水面距地面，水塔水面距地面高度高度H1=18mH1=18m，工厂地面标高，工厂地面标高2=45m2=45m，管路末端需要的，管路末端需要的自由水头自由水头H2=25mH2=25m，求通过管路的流量。，求通过管路的流量。l解解 以海拔水平面为基准面，在水塔水面与管路末端间列以海拔水平面为基准面，在水塔水面与管路末端间列长管的伯努利方程：长管的伯努利方程：l则管路末端的作用水头则管路末端的作用水头H H便为便为 l比阻查表比阻查表7-37-3，得，得350mm350mm铸铁管铸铁管l(查表查表6-36-3，得，得 )的比阻的比阻l代入式代入式 ，解得，解得l例例7-6 7-6 上题中，管线布置、地面标高及供水点需要的自上题中，管线布置、地面标高及供水点需要的自由水头都不变，供水量增至由水头都不变，供水量增至100L/s100L/s，试不求管道直径。，试不求管道直径。l解解 作用水头不变，则作用水头不变，则l比阻比阻l比阻查表比阻查表7-37-3，有，有l可知所需管径介于可知所需管径介于 之间，之间，但无此种规格产品。因而但无此种规格产品。因而只能采用较大的管径只能采用较大的管径 。这样将浪费管径。合。这样将浪费管径。合理的办法是用两段不同直径的管道（理的办法是用两段不同直径的管道（400mm400mm和和350mm350mm）串）串联。联。l串联管道串联管道 l串联管道串联管道 ：由直径不同的几段管段顺次连接而成的管：由直径不同的几段管段顺次连接而成的管道称为串联管道。适用于沿管线向几处供水的情况。因道称为串联管道。适用于沿管线向几处供水的情况。因有流量分出，沿程流量减少，所采用的管径也相应减小。有流量分出，沿程流量减少，所采用的管径也相应减小。l设串联管路各管段长度、直径、流量和各管段末端分出设串联管路各管段长度、直径、流量和各管段末端分出的流量分别用的流量分别用、和和表示。表示。l串联管路的流量计算应满足连续性方程。将有分流的两串联管路的流量计算应满足连续性方程。将有分流的两管段的交点管段的交点(或者说三根或三根以上管段的交点或者说三根或三根以上管段的交点)称为节称为节点，则流向节点的流量等于流出节点的流量，即点，则流向节点的流量等于流出节点的流量，即l串联管路各管段虽然焊接在一个管路系统中，但因各管串联管路各管段虽然焊接在一个管路系统中，但因各管段的管径、流量、流速互不相同，所以应分段计算其沿段的管径、流量、流速互不相同，所以应分段计算其沿程水头损失。则串联管路总水头损失等于各管段水头损程水头损失。则串联管路总水头损失等于各管段水头损失之和失之和.l当节点无流量分出当节点无流量分出()()，则有，则有l串联管路水力计算的基本公式，可用以解算串联管路水力计算的基本公式，可用以解算Q Q、H H、d d三类三类问题。问题。l串联管路的测压管线与总水头线重合，整个管道的水头串联管路的测压管线与总水头线重合，整个管道的水头线呈折线形。这是因为各管段流速不同其水力坡度也各线呈折线形。这是因为各管段流速不同其水力坡度也各不相等。不相等。l例例7-7 7-7 在例在例7-67-6中，为了充分利用水头和节省管材，采用中，为了充分利用水头和节省管材，采用400mm400mm和和350mm350mm两种管径的管路串联，求每段管路的长度。两种管径的管路串联，求每段管路的长度。l解解 设直径设直径400mm400mm的管段长的管段长 ，350mm350mm的管段长的管段长 。由。由表表7-37-3查得查得 l由式由式l解得解得l并联管道并联管道 l 并联管道：两条或两条以上的管道同在一处分出，又并联管道：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为并联管道。在另一处汇合，这种组合而成的管道为并联管道。l并联管段一般按长管计算。并联管路的水流特点在于液体并联管段一般按长管计算。并联管路的水流特点在于液体通过所并联的任何管段时其水头损失皆相等。在并联管段通过所并联的任何管段时其水头损失皆相等。在并联管段ABAB间，间，A A点与点与B B点是各管段所共有的，如果在点是各管段所共有的，如果在A A、B B两点安置两点安置测压管，每一点都只可能出现一个测压管水头，其测压管测压管，每一点都只可能出现一个测压管水头，其测压管水头差就是水头差就是ABAB间的水头损失，即间的水头损失，即l每个单独管段都是简单管路，用阻抗和流量表示可写成每个单独管段都是简单管路，用阻抗和流量表示可写成 l另外，并联管路的各管段直径、长度、粗糙度可能不同，另外，并联管路的各管段直径、长度、粗糙度可能不同，因而流量也会不同。但各管段流量分配也应满足节点流量因而流量也会不同。但各管段流量分配也应满足节点流量平衡条件，即流向节点的流量等于由节点流出的流量。平衡条件，即流向节点的流量等于由节点流出的流量。l对节点对节点A Al对节点对节点B B l例例7-8 7-8 三根并联铸铁管路，由节点三根并联铸铁管路，由节点A A分出，并在节点分出，并在节点B B重新重新会合。已知总流量会合。已知总流量3 3/s/s，=500m,=300m=500m,=300m，=800m,=250mm =800m,=250mm，=1000m,=200mm =1000m,=200mml求并联管路中每一管段的流量及水头损失。求并联管路中每一管段的流量及水头损失。l解解 并联各管段的比阻由表并联各管段的比阻由表7-37-3查得查得 l由能量方程得由能量方程得l即即l则则l由连续性方程由连续性方程l所以所以 lABAB间水头损失为间水头损失为l7.4.4 7.4.4 沿程均匀泄流管路沿程均匀泄流管路 l沿着管长从侧面不断连续向外泄出的流量，称为途泄沿着管长从侧面不断连续向外泄出的流量，称为途泄流量流量 。管段每单位长度上的流量均相等，这种管。管段每单位长度上的流量均相等，这种管路称为沿程均匀泄流管路。路称为沿程均匀泄流管路。l设沿程均匀泄流管路管长为设沿程均匀泄流管路管长为 ，l直径为直径为 ，总途泄流量，总途泄流量 ，末，末l端泄流传输流量为端泄流传输流量为 。通过某。通过某l断面的流量等于管段的传输流断面的流量等于管段的传输流l量与该断面以后的总途泄流量量与该断面以后的总途泄流量l之和，即：之和，即：l水头损失按简单管道计算水头损失按简单管道计算:折算流量折算流量l例例7-9 7-9 图中，由水塔供水的输水塔，有三段铸铁管组成，图中，由水塔供水的输水塔，有三段铸铁管组成，中段为均匀泄流管段。已知：中段为均匀泄流管段。已知：l l1 1=300m=300m，d d1 1=200mm=200mm，l l2 2=150m=150m，d d2 2=150mm=150mm，l l3 3=200m=200m，d d3 3=100mm=100mm，节点，节点B B分出分出流量流量q q3 3/s/s，途泄流量，途泄流量Q Qt t3 3/s/s，传输流量，传输流量Q Qz z3 3/s/s，沿程阻力，沿程阻力系数，局部阻力不计，求需要的水塔高度（作用水头）。系数，局部阻力不计，求需要的水塔高度（作用水头）。l解：首先将途泄流量转换为传输流量：解：首先将途泄流量转换为传输流量：l 各管段的流量为：各管段的流量为：l整个管路由三管段串联而成，因而作用水头等于各管段整个管路由三管段串联而成，因而作用水头等于各管段水头损失之和。水头损失之和。l7.5 7.5 有压管道中的水击有压管道中的水击l非恒定流主要表现为压强和液体密度的变化和传播。非恒定流主要表现为压强和液体密度的变化和传播。l水击现象水击现象l在有压管道系统中，由于某一管路中的部件工作状态的在有压管道系统中，由于某一管路中的部件工作状态的突然改变，就会引起管内液体流速的急剧变化，同时引突然改变，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，这种现象称为水击又称为水锤。起液体压强大幅度波动，这种现象称为水击又称为水锤。水击引起的压强升高，可达管道正常工作压强的几十倍水击引起的压强升高，可达管道正常工作压强的几十倍甚至几百倍，这种大幅度的压强波动，往往引起管道强甚至几百倍，这种大幅度的压强波动，往往引起管道强烈振动，阀门破坏，管道接头断开，甚至管道爆裂或严烈振动，阀门破坏，管道接头断开，甚至管道爆裂或严重变形等重大事故。重变形等重大事故。l1 1、水击产生的原因、水击产生的原因 l引起管道水流速度突然变化的因素引起管道水流速度突然变化的因素(如阀门突然关闭如阀门突然关闭)是是发生水击的条件，水流本身具有惯性和压缩性则是发生发生水击的条件，水流本身具有惯性和压缩性则是发生水击的内在原因。水击的内在原因。l阀门关闭前流速为阀门关闭前流速为v v0 0，压强为，压强为p p0 0。l阀门突然完全关闭，速度由阀门突然完全关闭，速度由v v0 0骤变为零，动量发生变化。根骤变为零，动量发生变化。根据动量定律，由于阀门对水的作用力使得紧靠阀门据动量定律，由于阀门对水的作用力使得紧靠阀门n n-m m段段的的水体的应力水体的应力(即压强即压强)突然增加了突然增加了pp，pp称为称为水击压强水击压强.l由于水击压强的作用，由于水击压强的作用，n-mn-m段将产生水的压缩及管壁的膨胀。段将产生水的压缩及管壁的膨胀。由于产生上述变形，阀门突然关闭时，管道内的水就不是在由于产生上述变形，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。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，当靠近阀门的第一层水停止流动后，与之相邻的第二而是，当靠近阀门的第一层水停止流动后，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，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，称水击波而产生的弹性波，称水击波.l二、有压管道中的水击的四个阶段二、有压管道中的水击的四个阶段 l第一阶段：第一阶段：增压波从阀门向管路进口传播阶段，紧靠增压波从阀门向管路进口传播阶段，紧靠阀门的阀门的m-nm-n段水体，由于阀门突然完全关闭，速度由段水体，由于阀门突然完全关闭，速度由v v0 0立立即变为零，相应压强升高即变为零，相应压强升高pp，水密度增加，水密度增加，管道断，管道断面积增加面积增加AA。然而。然而m-nm-n段上游水流仍然以段上游水流仍然以v v0 0速度向下游流速度向下游流动，于是在动，于是在m-nm-n段产生水的压缩及管壁的膨胀。之后，紧段产生水的压缩及管壁的膨胀。之后，紧靠靠m-nm-n段的另一层的水也停止流动，这样其后的水体都相段的另一层的水也停止流动，这样其后的水体都相继停止下来，同时压强升高，水体受压，管壁膨胀。这继停止下来，同时压强升高，水体受压，管壁膨胀。这种减速增压的过程是以波速种减速增压的过程是以波速c c自阀门向上游传播的。经过自阀门向上游传播的。经过 后，水击波到达水池。这时，全管液体处于被压缩状态。后，水击波到达水池。这时，全管液体处于被压缩状态。l第二阶段：减压波从管道进口向阀门传播阶段。第二阶段：减压波从管道进口向阀门传播阶段。时时刻刻全全管管流流动动停停止止，压压强强增增高高，但但这这种种状状态态只只是是瞬瞬时时的的。由由于于管管路路上上游游水水池池体体积积很很大大，水水池池水水位位不不受受管管路路流流动动变变化化的的影影响响。管管路路进进口口的的水水体体，便便在在管管中中水水击击压压强强(p p0 0+p p)与与水水池池静静压压强强(p p0 0)差差作作用用下下，立立即即以以和和p p相相应应的的速速度度v v0 0向向水水池池方方向向流流去去。与与此此同同时时，被被压压缩缩的的水水体体和和膨膨胀胀了了的的管管壁壁也也就就恢恢复复原原状状。管管内内水水体体受受压压状状态态的的解解除除便便自自进进口口处处开开始始以以水水击击波波速速c c向向下下游游方方向向传传播播，这这就就是是从从水水池池反反射射回回来来的的减减压压弹弹性性波波。至至 时时刻刻，整整个个管管中中水水流流恢恢复复正常压强正常压强p p0 0，并且都具有向水池方向的运动速度，并且都具有向水池方向的运动速度v v0 0。l第三阶段：减压波从阀门向管道进口传播阶段。继第三阶段：减压波从阀门向管道进口传播阶段。继 之之后后，由由于于水水流流的的惯惯性性，管管中中的的水水仍仍然然向向水水池池倒倒流流，而而阀阀门门全全部部关关闭闭无无水水补补充充，以以致致阀阀门门端端的的水水体体首首先先停停止止运运动动，速速度度由由v v0 0变变为为零零，引引起起压压强强降降低低、密密度度减减小小与与管管壁壁收收缩缩。这这个个增增速速减减压压波波由由阀阀门门向向上上游游传传播播，在在 时时刻刻传传至至管管道道进进口口，全全管管处处于于瞬瞬时时低低压状态。压状态。l第四阶段：增压波从管道进口向阀门传播阶段。第四阶段：增压波从管道进口向阀门传播阶段。时时刻刻，因因管管道道进进口口压压强强比比水水池池的的静静水水压压强强低低p p，在在压压强强差差p p作作用用下下，水水又又以以速速度度v v0 0向向阀阀门门方方向向流流动动。管管道道中中的的水水又又逐逐层层获获得得向向阀阀门门方方向向的的流流速速，从从而而密密度度和和管管壁壁也也相相继继应应恢恢复复正正常常。至至 时时刻刻增增压压波波传传至至阀阀门门断断面面，全全管管恢恢复复至至起起始始状状态态。由由于于惯惯性性作作用用，水水仍仍具具有有一一向向下下游游的的流流速速v v0 0，但但阀阀门门关关闭闭，流流动动被被阻阻止止，于于是是和和第第一一阶阶段段开开始始时时阀阀门门突突然然关关闭闭的的情情况况完完全全一一样样，水水击击现现象象将将重重复复上上述述四个阶段。周期性循环下去四个阶段。周期性循环下去(以上分析均未计及损失以上分析均未计及损失)。l水水击击波波在在全全管管段段来来回回传传递递一一次次所所需需的的时时间间 为为一一个个相或相长。相或相长。l在在水水击击的的传传播播过过程程中中，管管道道各各断断面面的的流流速速和和压压强强皆皆随随时时间周期性的升高、降低，所以水击过程是非恒定流。间周期性的升高、降低，所以水击过程是非恒定流。l如如果果水水击击传传播播过过程程中中没没有有能能量量损损失失，水水击击波波将将一一直直周周期期性性地地传传播播下下去去。但但实实际际上上，水水在在运运动动过过程程中中因因水水的的粘粘性性摩摩擦擦及及水水和和管管壁壁的的形形变变作作用用，能能量量不不断断损损失失，因因而而水水击击压压强强迅迅速速衰衰减减。阀阀门门断断面面实实测测的的水水击击压压强强随随时时间间变变化化如如图。图。阀门断面压强变化阀门断面压强变化实测阀门断面水击压强变化实测阀门断面水击压强变化l水击压强的计算水击压强的计算 l1 1、直接水击直接水击:当关闭阀门时间小于或等于一个相长时，当关闭阀门时间小于或等于一个相长时，最早由阀门处产生的向上传播而后又反射回来的减压顺最早由阀门处产生的向上传播而后又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，在阀门断面处产生的可能最大水击压强将不受其影响，这种水击面处产生的可能最大水击压强将不受其影响，这种水击称直接水击。称直接水击。l l2 2、间接水击间接水击:当关闭阀门时间大于一个相长时，从上游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增压，使阀门断面处反射回来的减压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。不致达到最大的水击压强，这种水击称为间接水击。l水击波的传播速度水击波的传播速度 l式中：式中：c c0 0水中声波的传播速度，水中声波的传播速度，c c0 0=1435m/s=1435m/s；l K K水的弹性模量，水的弹性模量，K K10109 9 N/m2 N/m2；l E E管壁的弹性模量；管壁的弹性模量；l d d 管径（管径（m m）；）；l 管道壁厚（管道壁厚（m m）。）。水击过程的运动特征过程描述时距速度变化流动方向压强变化弹性波的传播方向运动特征液体状态1增压逆波进口阀门增高阀门进口减速增压压缩2减压顺波阀门进口恢复原状进口阀门增速减压恢复原状3减压逆波阀门进口降低进口阀门减速减压膨胀4增压顺波进口阀门恢复原状阀门进口增速增压恢复原状l7.6 7.6 离心泵的原理及选用离心泵的原理及选用l工作原理工作原理l离心泵是一种最常用的抽水机械，离心泵是一种最常用的抽水机械，l它是由它是由1 1、工作叶轮；、工作叶轮；2 2、叶片；、叶片；l3 3、泵壳、泵壳(或称蜗壳或称蜗壳)；4 4、吸水管；、吸水管；l5 5、压水管；、压水管；6 6、泵轴等零部件、泵轴等零部件l构成。离心泵启动之前，通过顶构成。离心泵启动之前，通过顶l上注水漏斗将泵体和吸水管内注上注水漏斗将泵体和吸水管内注l满水。启动后，叶轮高速转动，满水。启动后，叶轮高速转动，l在泵的叶轮入口处形成真空，吸在泵的叶轮入口处形成真空，吸l水池的水在大气压强作用下沿吸水池的水在大气压强作用下沿吸l水管上升，流入叶轮吸水口，进入叶片槽内。由于水泵水管上升，流入叶轮吸水口，进入叶片槽内。由于水泵叶轮连续旋转，压水、吸水便连续进行。叶轮连续旋转，压水、吸水便连续进行。l当液体通过叶轮时，叶片与液体的相互作用将机械能传当液体通过叶轮时，叶片与液体的相互作用将机械能传递给液体，从而使液体在随叶轮高速旋转时增加了动能递给液体，从而使液体在随叶轮高速旋转时增加了动能和压能。因此水泵是一种转换能量的水力机械，它将原和压能。因此水泵是一种转换能量的水力机械，它将原动机的机械能转换为被抽送液体的机械能。液体由叶轮动机的机械能转换为被抽送液体的机械能。液体由叶轮流出后进入泵壳，泵壳一方面是用来汇集叶轮甩出的液流出后进入泵壳，泵壳一方面是用来汇集叶轮甩出的液体，将它平稳地引向压水管，另一方面是使液体通过它体，将它平稳地引向压水管，另一方面是使液体通过它时流速降低，以达到将一部分动能转变为压能的目的。时流速降低，以达到将一部分动能转变为压能的目的。l工作性能曲线工作性能曲线l为了正确地选用离心泵，首先应该了解泵的基本工作参为了正确地选用离心泵，首先应该了解泵的基本工作参数：数：l(1)(1)流量流量 ：单位时间通过水泵的液体体积。单位为升：单位时间通过水泵的液体体积。单位为升/秒秒(L/s)(L/s)，米，米3 3/秒秒(m(m3 3/s)/s)、米、米3 3/小时小时(m(m3 3/h)/h)。l(2)(2)扬程扬程 ：水泵供给单位重量液体的能量，常用单：水泵供给单位重量液体的能量，常用单位为米位为米(m)(m)水柱。水柱。l现分析扬程在管路系统中的作用。取吸水池与压水池水现分析扬程在管路系统中的作用。取吸水池与压水池水面列能量方程，见图。面列能量方程，见图。l当当 l，上式可写成，上式可写成l式中：式中：，为，为提水高度提水高度。l上式表明，在管路系统中，水泵的上式表明，在管路系统中，水泵的l扬程扬程 用于提水高度和补偿管路用于提水高度和补偿管路l的水头损失。的水头损失。l(3)(3)功率功率 水泵的功率分轴功率和有效功率。水泵的功率分轴功率和有效功率。l轴功率轴功率 ：电动机传递给泵的功率，即输入功率，常：电动机传递给泵的功率