06孔口、管嘴出流和有压管路.ppt

第六章 孔口、管嘴出流和有压管路孔口出流：孔口出流：容器壁上开孔，水经孔口流出的水力现象。管嘴出流：管嘴出流：在孔口上连接长为3-4倍孔径的短管。水 经短管并在出口断面满管流出的水力现象。有压管流：有压管流：水沿管道满管流动的水力现象。第六章 孔口、管嘴出流和有压管路6-1 液体经薄壁孔口的恒定出流液体经薄壁孔口的恒定出流11Hdccoo薄壁孔口：薄壁孔口：在容器壁上开一小孔，壁的厚度对水流没有影响。孔壁与水流只在一条曲线上接触。水头H不同，各点的出流情况也不同。根据比值的大小把孔口分为大孔和小孔两类。小孔：小孔上各点水头取同一数值大孔：若水头H不变，则称为恒定出流。第六章 孔口、管嘴出流和有压管路一、小孔口的出流1.小孔口的自由出流自由出流：孔口流出的水流进入到空气中。由于流线不能有折角只能平滑的弯曲，故在孔口处质点的流线不是彼此平行的，流经孔口后，流线的曲率减小。各流线在约为孔径的一半处，水流几乎具有平行的流线。推导孔口出流关系式：选通过孔口形心的水平面为基准面，1-1和c-c为计算面，列伯诺里方程：第六章 孔口、管嘴出流和有压管路水箱中的微小损失可以忽略，于是只是孔口的局部损失。在自由出流且容器开口的情况下，经实测，收缩断面的流速分布相当均匀，所以，其断面铅垂线上的各点的压强均相等，都等于外界大气压。上式写为：代入得：第六章 孔口、管嘴出流和有压管路则局部阻力系数为第六章 孔口、管嘴出流和有压管路但是，Ac的存在对计算流量很不方便，设法用孔的面积A来代替。令为收缩系数则：孔的流量系数，表示实际流量与理论流量之比2、小孔的淹没出流淹没出流孔口流出的水流不是流入空气，而是进入到另一种水中，致使孔口淹没在下游水面之下。孔断面上各点的有效水头是一致的，且都等于上下游水位差，所以在这种情况下，可不分大孔和小孔。第六章 孔口、管嘴出流和有压管路1-1、2-2列伯诺里方程：而水流经孔口的局部阻力系数水流由孔口流出后扩大的局部阻力系数第六章 孔口、管嘴出流和有压管路代入整理得：当容器较大时：第六章 孔口、管嘴出流和有压管路可见，淹没出流和自由出流公式形式完全相同，又实验所得系数流速与流量系数也相当接近，计算同可取相同值。但淹没出流的H含义不同。淹没出流的孔口水头指上下流的水面高差，与孔口在水面下位置的深度无关，故没有大孔口与小孔口的区别。第六章 孔口、管嘴出流和有压管路二、薄壁大孔口的自由出流设想大孔口出流水股由许多流束所组成，把这些流束出流的微小流量累计起来，可得出流的流量，这种想法是可行的。为讨论简单，仅分析矩形大孔口的出流情况。设矩形孔口的宽为b,高为e，流束出流的微小流量可按小孔口出流分式来计算，并等于：即为大孔口出流的流量公式第六章 孔口、管嘴出流和有压管路如果以和代入上式，H为大孔口形心点上水头，并经过简化得：则流量公式变为：这与小孔自由出流的公式形式完全一样，只是流量系数不同。第六章 孔口、管嘴出流和有压管路分类：6-2液体经管嘴的恒定出流圆柱形管嘴及圆锥形管嘴；又可分为外管嘴和内管嘴。1.圆柱形外管嘴的恒定出流自由出流水进入到管嘴后，同样形成收缩，在收缩断面c-c处形成旋涡区。对o-o和b-b列伯诺里方程：第六章 孔口、管嘴出流和有压管路式中hw为管嘴水头损失，等于进口损失与收缩断面后的扩大损失之和（沿程损失忽略）。令代入上式，第六章 孔口、管嘴出流和有压管路可见，管嘴与孔口的公式完全相同，只是即在相同水头下，同样断面管嘴的过流能力是孔口的1.32倍。式中为管嘴阻力系数，即管道锐缘进口局部阻力系数。管嘴流速系数淹没出流：与自由出流形式完全相同，只是H不同。2、圆柱形外管嘴的真空孔口外面加管嘴后，增加了阻力，但是流量反而增加，这是由于收缩断面处真空的作用。第六章 孔口、管嘴出流和有压管路证明：对其断面c-c和b-b列伯诺里方程：局部损失发生在水流扩大上，代入得：第六章 孔口、管嘴出流和有压管路引用代入对于圆柱形管嘴，经实验得：第六章 孔口、管嘴出流和有压管路相当于把作用水头增加了75。收缩断面处的真空度为一般规定最大真空度不超过7米。管嘴正常工作的必要充分条件是：第六章 孔口、管嘴出流和有压管路其他形式管嘴：圆锥形收敛管嘴圆锥形扩张管嘴流线形管嘴其他特殊形管嘴清洗、挖掘、灭火灌溉、人工降雨涵管、水轮机、泄水管人造喷泉第六章 孔口、管嘴出流和有压管路12例：在容器壁上有两个相同的薄壁小孔口，位于不同的高度上，问两孔口在什么位置时其两水舌到达水平地面的距离相等？解：原理对孔1来说：到达地面所需要的时间为：第六章 孔口、管嘴出流和有压管路故水平距离为：对孔2来说：时间：故水平距离为：由得：第六章 孔口、管嘴出流和有压管路6-4短管的水力计算短管：指管路的总水头损失中，沿程水头损失和局部水头损失均占相当比重，计算时都不可忽略的管路（L/d1000）。如：水泵的吸水管、虹吸管。1、自由出流对11、22断面：即令：第六章 孔口、管嘴出流和有压管路取：式中c称为流量系数；若忽略行近流速水头，则H0H第六章 孔口、管嘴出流和有压管路2、淹没出流11、22断面列能量方程：第六章 孔口、管嘴出流和有压管路若行进流速很小，则有：可见，自由出流和淹没出流的流量计算形式也相同，只是计算的水头不同。第六章 孔口、管嘴出流和有压管路3、沿管线液体压强的分布总水头线测压管水头线第六章 孔口、管嘴出流和有压管路例1利用虹吸管将河水引送至堤外灌溉，已知堤内外的水位差为2.60米，选用铸铁管，直径d为350mm，每个弯段的局部阻力系数2=3=5=0.2，阀门的局部阻力系数4=0.15，入口网罩的局部阻力系数1=5.0，出口淹没在水面以下，管线上游AB段长15.0米，下游BC段长20米，虹吸管顶的安装高度5米，试确定虹吸管的输水量并校核管顶断面的安装高度hs。4、短管水力计算实例第六章 孔口、管嘴出流和有压管路解：确定输水量按短管计算，忽略行进流速水头的影响查表：铸铁管：n=0.011在淹没出流情况下：第六章 孔口、管嘴出流和有压管路计算管顶断面的真空度已知：z1=0z2=hsp1=paV1=01=2=1第六章 孔口、管嘴出流和有压管路而管顶安装高度hs=5.0m，在允许范围内。第六章 孔口、管嘴出流和有压管路例2：水泵流量Q=25m3/h，吸水管长度L1=3.5m，L2=1.5m，（d/R=0.6）压水管长度L3=2.0m，L4=15m，L5=3.0m。水泵提水高程z=18m，水泵最大真空度不超过6m，试确定水泵允许安装高度，并计算水泵的总扬程。第六章 孔口、管嘴出流和有压管路解：确定水泵允许安装高度按设计规范要求：吸水管的流速取1.02.0m/s压水管的流速取1.52.5m/s一般情况下，压水管的直径比吸水管的直径小一号。取V吸=1.5m/s，则管径：实际流速：第六章 孔口、管嘴出流和有压管路对11、22断面列能量方程：已知：z1=0 z2=Hsp1=pa1=2=1V1=0V2=V吸因为V=1.57m/s1.2m/s，由舍维列夫公式：局部阻力系数：底阀：1=8.5900弯头：2=3=4=0.158第六章 孔口、管嘴出流和有压管路根据计算，安装高度小于4.4米，否则可能破坏水泵的正常工作。在计算中设L1=3.5m4.4m，故方案是允许的。第六章 孔口、管嘴出流和有压管路计算水泵的总扬程水泵总扬程H=静扬程+吸水管水头损失+压水管水头损失H=Z+hw吸+hw压压水管流速取：V压=2.0m/s，压水管直径为：则实际流速为：V压=2.09m/s第六章 孔口、管嘴出流和有压管路已知：Z=18米H=18+3.56+1.47=23.03m根据流量和总扬程可以选择适当型号的水泵。第六章 孔口、管嘴出流和有压管路例3：一圆形有压涵管，管长，上下游水位差，管路沿程阻力系数，各局部阻力系数：进口，弯头，水下出口。如果要求涵管通过流量为，试确定管径的大小。解：对上下流列伯努利方程：第六章 孔口、管嘴出流和有压管路长管：指管道的水力计算中，如果局部水头损失和流速水头之和与沿程水头损失比较起来很小，所以在计算时常常将其按沿程水头损失的某一百分数估算或完全忽略不计。一、简单长管简单长管是管径不变的没有分支的单一管道情况。6-5长管的水力计算第六章 孔口、管嘴出流和有压管路长管水力计算的主要问题是确定沿程水头损失。在给水工程中，给水管道的水流一般属于紊流阻力平方区和紊流过渡区。作用水头为：如忽略局部阻力和流速水头，则上式可写为：上式说明长管的作用水头H全部消耗于沿程水头损失，在长管中总水头线与测管水头线重合。实际工程中常用的各种计算方法如下：第六章 孔口、管嘴出流和有压管路1.比阻法（流量模数法）习惯使用公式，则有：则即为简单管路按比阻计算关系式。比阻A是单位流量通过单位长度管道所需的水头。第六章 孔口、管嘴出流和有压管路比阻A的求法舍维列夫公式适用于旧钢管及旧铸铁管，常用于给水管网水力计算中。分别代入比阻公式，在阻力平方区在紊流过度区(V1.2m/s)第六章 孔口、管嘴出流和有压管路上式表明，过渡区的比阻可用阻力平方区的比阻乘上修正系数k来计算。钢管及铸铁管水力计算表采用管子计算内径的尺寸，在确定计算内径dj时直径小于300mm的钢管及铸铁管，考虑锈蚀和尘垢的影响，其内径应减去1mm计算，对于直径大于300mm的管径，可不考虑。k-修正系数曼宁公式第六章 孔口、管嘴出流和有压管路AB2按莫迪图计算（通过例题来说明其用法）例：均匀钢管长5000米，直径200毫米，当量粗糙度为0.03毫米，连接两个水池，水温为15度，总水头差H等于50米，试确定管中流量，要求用下列各方法计算：用莫迪图；比阻法（舍维列夫法）。第六章 孔口、管嘴出流和有压管路设：V=2.0m/s；t=15=1.1810-6m2/s列出A到B的伯努力方程：用莫迪图计算首先确定，先假定一个流速，然后通过迭代求解。查莫迪图得：=0.015管中流速：第六章 孔口、管嘴出流和有压管路再算：查莫迪图得：=0.016：管中流速：再重复以上步骤，直至变化非常小为止，最后采用V=1.56m/s第六章 孔口、管嘴出流和有压管路查表5-3，A=9.273s2/m6用比阻法验算：V1.2m/s修正：k=1.023第六章 孔口、管嘴出流和有压管路例：由水塔向工厂供水，采用铸铁管，管长，管径。水塔处地形标高，水塔水面距地面高度，工厂处地形标高，管路末端需要的自由水头，求通过管路的流量。解：以海拔水平面为基准面，对水塔顶面和管路末端列伯努利方程有：则管路末损失的水头：第六章 孔口、管嘴出流和有压管路查表得，400mm铸铁管比阻A为，验算阻力区：属于过渡区，需要修正，查表，第六章 孔口、管嘴出流和有压管路（续上题），若工厂需要水量为，其余条件均不变，试设计水塔高度。解：同样建立伯努利方程，可得水塔高度的关系式：故先验算阻力区，算出或查表得管路比阻：可见管流处于阻力平方区，故不需对比阻修正。第六章 孔口、管嘴出流和有压管路查表得：则水塔的高度为所以水塔高度可以取22m。第六章 孔口、管嘴出流和有压管路例：由水塔向工厂供水，采用铸铁管，长度为，水塔地处高标，水塔水面距地面高度，工厂地形标高，要求供水量，自由水头，计算所需管径。解：计算作用水头查表得：第六章 孔口、管嘴出流和有压管路Q1Q2Q3q1q2二、串联管路由直径不同的几段管段顺次连接的管路称为串联管路。贯穿全线的总水头损失等于从始段到末端各段水头损失之和。第六章 孔口、管嘴出流和有压管路流量满足连续性方程：流向节点的流量等于流出节点的流量。例题：由一条用水泥沙浆涂衬内壁的铸铁输水管，已知n=0.012，作用水头H=20米，管长L=2000米，通过流量Q=200升/秒，请选择铸铁管直径d？联立上述三式，可解出Q、d、H等。解：按长管计算H=ALQ2查表得到与计算的A值相近的直径是：d=350mmA=0.401s2/m6d=400mmA=0.196s2/m6第六章 孔口、管嘴出流和有压管路为了保证供水，采用d=400mm为宜，但大管径不经济。采用两段直径不同的管道串联（350mm、400mm）。设400mm管长为L1，比阻为A01；350mm管长为L2，比阻为A02得：L1=1474mL2=526m第六章 孔口、管嘴出流和有压管路BC123qDA三、并联管路为了提高供水的可靠性在两节点之间开设两条以上管路称为并联管路。如图：B、C两点间的三条管道构成一组并联管道。无论对哪一条管道在B、C两断面间单位重量液体水头损失相等，忽略局部水头损失可以写为：第六章 孔口、管嘴出流和有压管路联立上式即可求解。上式代表了并联各管中的流动应满足共同的边界条件，对每一个单独各段来说，都是简单管路，用比阻可表示成：因为各管段的长度、直径、粗糙度可能不同，因此流量也不会相等。但各段流量要满足连续条件：第六章 孔口、管嘴出流和有压管路例：三根并联铸铁管，由节点A分出，再于节点B汇合。已知：求并联管路中每段流量及水头损失。解：查表得比阻有：第六章 孔口、管嘴出流和有压管路由能量方程得：由连续性方程：第六章 孔口、管嘴出流和有压管路各段流速分别为：各段流速均处于阻力平方区，故比阻A不需修正。第六章 孔口、管嘴出流和有压管路分类：1、枝状管网：就是一些独立的没有环形封闭部分的支管，共同连接在一根干管上所组成的管网。2、环状管网：用管道连通枝状管网的各个尾端，即形成环状管网。6-6管路水力计算基础第六章 孔口、管嘴出流和有压管路1、设计新管网时，水塔高及管径还没确定，应根据供水区域各地的地形及路程，用水量等要求，确定流量、管径、塔高等。经济流速：使得供水总成本最低的流速。流量一定时，当D、V，费管材。当D、V、hf，水泵扬程和水塔高度增加，管路造价降低但电费增加。流速费用经济流速基建电费总费用一、枝状管网第六章 孔口、管嘴出流和有压管路00在已知流量Q，直径d及管长L的条件下，计算出各段的水头损失，最后按串联管路计算管线中从水塔到管网控制点（最不利点）的水头损失（管网的控制点是指在管网中水塔到该点的水头损失、地形标高和要求自由水头三项之和最大值之点）。第六章 孔口、管嘴出流和有压管路于是水塔高度Ht可按下式求得：从水塔到管网控制点的总水头损失。Hz控制点的自由水头。Z0控制点的地形标高。Zt水塔处的地形标高。式中：第六章 孔口、管嘴出流和有压管路例：一枝状管网从水塔0沿0-1干线输水，各节点用水要求如图所示，已知每段管路长。此外，水塔0处的地形标高和点4、7标高相同，点4和点7要求的自由水头同为水柱，求各管段的直径、水头损失及水塔应有的高度。已知量管段长度m流量L/s左段支线3-4350252-3350451-220080右段支线6-7500135-620022.51-530031.50-1400350第六章 孔口、管嘴出流和有压管路解：根据经济流速选择各管段的直径：对于3-4管段，采用经济流速，已知流量为则管径：可采用。实际流速为：，在经济流速范围内。采用铸铁管考虑，查表得，平均流速在紊流过渡区，需要修正，查表得，则3-4段的水头损失为：第六章 孔口、管嘴出流和有压管路已知量计算所得数值管段长度m 流量L/s 直径mm 流速m/s比阻修正水头损失m左段支线3-4350252000.89.0291.062.092-3350452500.922.7521.042.031-2200803001.131.1051.011.31右段支线6-7500131500.7441.851.073.785-620022.52000.729.0291.080.991-530031.52500.642.7521.100.900-14003503501.160.4531.012.27其余段计算同上，最后列表如下：可见从水塔到最远点4及7的沿程损失分别为：第六章 孔口、管嘴出流和有压管路离心水泵的水力计算1叶轮2叶片3泵壳4吸水管6泵轴5压水管一、组成部分第六章 孔口、管嘴出流和有压管路二、基本参数流量流量：单位时间通过水泵的液体体积。扬程扬程：水泵供给单位重量液体的能量，单位为米水柱。上式表明，水泵的扬程用于提升水位及克服管路中的各种损失。第六章 孔口、管嘴出流和有压管路轴功率轴功率Na：电动机传递给水泵的功率，即输入功率。有效功率有效功率Ne：单位时间内液体从水泵中实际得到的能量。效率：有效功率与轴功率的比值。效率效率：有效功率与轴功率的比值。转速转速：工作叶轮每分钟的转数。允许吸水真空度允许吸水真空度：防止气蚀而由实验确定的水泵的进口允许真空高度，单位为米水柱。第六章 孔口、管嘴出流和有压管路水泵的性能曲线选用水泵时可根据供水量和地形计算出水泵扬程，然后根据水泵品牌标号选择合适的产品，再根据性能曲线确定工作点，若工作点附近的效率较大，则认为水泵的选择是合理的。第六章 孔口、管嘴出流和有压管路例：由集水池向水塔供水，已知水塔高度为，水塔水箱容量为，水箱深，水塔地面标高，集水池水面标高，管路为铸铁管，直径，总长要求水泵每次运转正好使水箱注满，试选择水泵。解：计算流量：计算扬程：计算流速：第六章 孔口、管嘴出流和有压管路根据流量和扬程，查表选择2BA-6型号，其性能曲线如右图，根据H的方程绘出其曲线，即图绿线，与蓝线交点则为水泵工作点，此时，Q=8.2L/s,H=24.2m，该点效率为。第六章 孔口、管嘴出流和有压管路6-7 有压管道中的水击有压管道中的水击1、水击现象、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，这种水流现象叫做水击（或水锤）水击（或水锤）。交替升降的压强称为水击压强水击压强。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。第六章 孔口、管嘴出流和有压管路2、水击波的传播过程水击是以压力波的形式在有限的管道边界内进行传播和反射的，称为水击波。水击波的传播分为四个阶段：第一阶段：增压波从阀门向管道进口传播第六章 孔口、管嘴出流和有压管路第二阶段：减压波从管道进口向阀门传播第六章 孔口、管嘴出流和有压管路第三阶段：减压波从阀门向管道进口传播第六章 孔口、管嘴出流和有压管路第四阶段：增压波从管道进口向阀门传播第六章 孔口、管嘴出流和有压管路由于摩擦阻力的作用，水击波在管道内的传播将逐渐衰减，最后达到平衡状态。水击波在阀门和水库之间往返一次所需的时间，称为一个相长。往返两次的时间，称为一个周期。在弹性管道中水击波的传播速度为：（m/s）式中：k水的弹性体积系数，约为19.6108N/m2；D管径；管壁厚度；E管道材料的弹性系数，钢管为19.61010N/m2。当时，水击波速约为c=1000m/s。第六章 孔口、管嘴出流和有压管路3、水击的分类、水击的分类根据闸门关闭（或开启）的时间Ts与相长T的比值，我们把水击分为两类：直接水击直接水击：闸门关闭（或开启）的时间TsT（相长），即从水库反射的减（增）压波尚没有到达阀门处时，阀门已经关闭（开启）完毕，阀门处已达最大（小）水击压强。间接水击间接水击：指闸门关闭（或开启）的时间TsT（相长），即从水库反射的减（增）压波已到达阀门处，阀门尚未关（开）完毕，使阀门处水击压强不能再升高（降低）到最大（小）。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。第六章 孔口、管嘴出流和有压管路4、直接水击压强计算公式、直接水击压强计算公式p=c(V0-V)用水柱表示式中：c是水击波速，v0是管内原来流速，v是阀门启闭后的流速。对于普通钢管，得c=1000m/s，如阀门关闭前的流速v0=1.0m/s，阀门突然关闭引起的直接水击压强，由上式算得5、间接水击压强计算公式、间接水击压强计算公式 T=2L/c-水击波相长；Ts-阀门关闭时间。第六章 孔口、管嘴出流和有压管路5、防止产生直接水击破坏的措施防止产生直接水击破坏的措施缩短压力管道的长度、采用弹性模量较小材质的管道；延长阀门关闭的时间Ts；由于水工建筑物布置的条件所限制，当压力管道的长度不能改变，可以在靠近阀门的地方修建调压井，缩小水击压强影响的范围，减小水击压强值。