工程流体力学课件5孔口、管嘴出流及有压管流.ppt

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1、第五章第五章 孔口、管嘴出流孔口、管嘴出流 及有压管流及有压管流第一节第一节 孔口出流孔口出流第二节第二节 管嘴恒定出流管嘴恒定出流第三节第三节 短管的水力计算短管的水力计算第四节第四节 长管的水力计算长管的水力计算第五节第五节 离心式水泵装置及其离心式水泵装置及其 水力计算水力计算教学内容、重点及难点教学内容、重点及难点 基本内容基本内容本章在定量分析沿程水头损失和局部水头损失的基础上，本章在定量分析沿程水头损失和局部水头损失的基础上，对工程实际中最常见的有压管道恒定流动和孔口、管嘴对工程实际中最常见的有压管道恒定流动和孔口、管嘴出流进行水力计算。出流进行水力计算。重、难点 水头损失的分析和

2、确认水头损失的分析和确认HH0OOCAACdCvCv0gv2200第一节第一节 孔口出流孔口出流液体从孔口以液体从孔口以射流射流状态状态流出，流线不能在孔口流出，流线不能在孔口处急剧改变方向，而会处急剧改变方向，而会在流出孔口后在孔口附在流出孔口后在孔口附近形成近形成收缩断面收缩断面，此断，此断面可视为处在渐变流段面可视为处在渐变流段中，其上压强均匀。中，其上压强均匀。c-c为收缩断面，收缩系数：为收缩断面，收缩系数：cAA 收缩断面面积收缩断面面积 孔口断面面积孔口断面面积bl32al311l2lab完全收缩完全收缩非非完完全全收收缩缩无收缩无收缩边壁的边壁的整流作用整流作用会影响收缩系数，

3、故有完全收缩与非完全会影响收缩系数，故有完全收缩与非完全收缩之分，收缩系数视收缩之分，收缩系数视孔口边缘与容器边壁距离孔口边缘与容器边壁距离与与孔口尺孔口尺寸之比寸之比的大小而定，大于的大小而定，大于3则可认为完全收缩。则可认为完全收缩。 HH0OOCAACdCvCv0gv2200孔口出流的分类孔口出流的分类恒定出流、非恒定出流；恒定出流、非恒定出流；淹没出流、自由出流；淹没出流、自由出流；薄壁出流、厚壁出流。薄壁出流、厚壁出流。101Hd 小孔口小孔口101Hd 大孔口大孔口对薄壁小孔口：对薄壁小孔口：= 0.630.64= 0.630.64wcchgvgvH222200对对0-0，c-c

4、列能量方程列能量方程其中其中gvhhcjw220设设gvHH22000000221gHgHvcc98. 097. 0则则0022gHAgHAAvQcc流速系数流速系数流量系数流量系数62. 060. 0其中其中1.1.薄壁小孔口自由出流薄壁小孔口自由出流HH0OOCAACdCvCv0gv2200其中其中00111c则则H0 作用总水头作用总水头孔口流速系数孔口流速系数孔口流量系数孔口流量系数）（）（gvaHgvaHH22222220010流经孔口的局部阻力系数流经孔口的局部阻力系数0收缩断面突扩的局部阻力系数收缩断面突扩的局部阻力系数e98.097.062.060.02.2.薄壁小孔口淹没出流

5、薄壁小孔口淹没出流对对1-11-1，2-22-2 列能量方程列能量方程gvgvHgvHce2)(222022222001000221gHgHvec0022gHAgHAAvQcc大孔口出流的流量系数，可查表大孔口出流的流量系数，可查表大孔口形心的水头大孔口形心的水头0H3.3.大孔口恒定出流大孔口恒定出流大孔口出流的流量公式形大孔口出流的流量公式形式不变，只是相应的水头式不变，只是相应的水头应近似取为应近似取为孔口形心处孔口形心处的的值，具体的流量系数也与值，具体的流量系数也与小孔口出流不同。小孔口出流不同。由于孔口各点的作用水头差异很大，如果把这由于孔口各点的作用水头差异很大，如果把这种孔口分

6、成若干个小孔口，对每个小孔口出流种孔口分成若干个小孔口，对每个小孔口出流可近似用小孔口出流公式，然后再把这些小孔可近似用小孔口出流公式，然后再把这些小孔口的流量加起来作为大孔口的出流流量。口的流量加起来作为大孔口的出流流量。在在 dt 时段内时段内hAtghAdd20hhgAAtd2d0则液面从则液面从 H1 降至降至 H2 所需时间所需时间)(22d2210021HHgAAhhgAAtHH容器放空（即容器放空（即H20）时间）时间max1101002222QVgHAHAgAHAtH1H2hdhA0H1H2hdhH1H2hdhA04. 4. 孔口非恒定出流孔口非恒定出流第二节第二节 管嘴恒定出

7、流管嘴恒定出流一一. 管嘴出流的水力现象管嘴出流的水力现象(a)外管嘴外管嘴内管嘴内管嘴(b)(c)(d)(e)外管嘴外管嘴(a)(a)直角型外管嘴直角型外管嘴(b)(b)收缩型外管嘴收缩型外管嘴(c)(c)扩散型外管嘴扩散型外管嘴(d)(d)流线型外管嘴流线型外管嘴二、管嘴恒定出流二、管嘴恒定出流对对1-11-1，2-22-2 列能量方程列能量方程whgvgvH222200忽略管嘴沿程损失，且令忽略管嘴沿程损失，且令gvHH22000则管嘴出口速度则管嘴出口速度00221gHgHvn0022gHAgHAvAQnn其中其中为管嘴的局部阻力系数，取为管嘴的局部阻力系数，取0.50.5；则；则流量

8、系数流量系数82. 05 . 0111n流速系数流速系数说明说明管嘴管嘴过流能力更强过流能力更强82. 0nn62. 060. 0孔口98. 097. 0孔口？D34DvCvcC管嘴出流流量系数的加大可以从管嘴收管嘴出流流量系数的加大可以从管嘴收缩断面处存在的缩断面处存在的真空真空来解释，由于收缩来解释，由于收缩断面在管嘴内，断面在管嘴内，压强要比孔口出流时的压强要比孔口出流时的零压低零压低，必然会，必然会提高提高吸出流量的能力。吸出流量的能力。对对 B-B，c-c 列能量方程列能量方程wBccchgvgpgvgp2222取真空压强和真空高度值，得取真空压强和真空高度值，得Bjcccvcvch

9、gvgvgph2222由由02gHvn而而hw 按突扩计算，得按突扩计算，得022222) 11(2) 1(2HgvAAgvhhncjw说明管嘴真空度可达作用水头的说明管嘴真空度可达作用水头的7575以以 代入代入1,82. 0,64. 0n则则0222) 11(Hhnvc得得0222Hgvn所以所以022212Hgvnc075. 0Hhvc得得AABBccv2HH0AABBccv2HH0vvAAvcc1又又三、管嘴真空度三、管嘴真空度 形成真空时作用水头不可能无穷大，因为当真形成真空时作用水头不可能无穷大，因为当真空度达到一定时，其压强小于汽化压强，出现空度达到一定时，其压强小于汽化压强，出

10、现汽蚀汽蚀破坏破坏，而且会将空气从管嘴处吸入，而且会将空气从管嘴处吸入，破坏真空破坏真空，而，而成为孔口出流。成为孔口出流。 实验测得，当液流为水流，管嘴长度实验测得，当液流为水流，管嘴长度 l =(34)d 时，管嘴正常工作的最大真空度为时，管嘴正常工作的最大真空度为7.0m，则作用水则作用水头头m975. 0m70H 说明圆柱形外管嘴说明圆柱形外管嘴正常工作条件正常工作条件是：是： l = (3 4) dH09m21222222111122whgvpzgvpz实际流体恒定总流能量方程沿程损失沿程损失局部损失局部损失第三节第三节 有压管路水力计算有压管路水力计算 已能定量分析，原则已能定量分

11、析，原则上解决了恒定总流能量上解决了恒定总流能量方程中的方程中的粘性损失粘性损失项。项。短管：短管：长管：长管：hf 与与 hj 均较大，不能忽略不计（均较大，不能忽略不计（hj5hf）hf 很大，不能忽略，而很大，不能忽略，而hj可忽略不计（可忽略不计（ hj 5hf）jfhhgvpzgvpz2122222211112)()2(= H0=0 gvdl22gv22gv2)(2=管系管系流量流量系数系数作用作用水头水头 H一、短管的水力计算一、短管的水力计算gHdlv211gHAvAQc2dlc11vOO1122H自由出流自由出流vOO112233Hhjfhhgvpzgvpz2122222211

12、112)()2(= H+h0= gvdl22gv22gv2)(2=h作用作用水头水头 H淹没出流淹没出流vOO112233Hh32212123333211112)()2(jjfhhhgvpzgvpz= H+h0= gvdl22gv2)(2=用用3-3断面作断面作下游断面下游断面0hgvgvv22)(2232=出口水头损失出口水头损失按突扩计算按突扩计算vOO112233Hh管系管系流量流量系数系数淹没出流淹没出流与自由出与自由出流相比，流相比，作用水头作用水头不同，管不同，管系流量系系流量系数相同，数相同，局部损失局部损失中不包含中不包含2-22-2断面出断面出口损失。口损失。 dlc11gH

13、AvAQc2gHdlv211zz241235112233l2l1要求要求确定确定计算计算已知已知【例【例】 1 1 离心泵管路系统的水力计算离心泵管路系统的水力计算 流量流量Q，吸水管长吸水管长L L1，压水管长，压水管长L2， 管径管径d，提水高度提水高度z ，各局部水头，各局部水头 损失系数，沿程水头损失系数损失系数，沿程水头损失系数 水泵最大真水泵最大真空度不超过空度不超过6m6m水泵允许安装高度水泵允许安装高度 水泵扬程水泵扬程zz241235112233l2l10 . 15Q，dv【解】【解】 水泵允许安装高度水泵允许安装高度zz241235112233l2l10 . 15 水泵扬程

14、水泵扬程 = = 提水高度提水高度 + + 全部水头损失全部水头损失l1132l22 2 有压泄水道的水力计算有压泄水道的水力计算 泄流量泄流量Q，画出水头线画出水头线 圆形隧洞圆形隧洞求求已知已知21l1132l2出口断面由出口断面由A缩小为缩小为A2出口流速出口流速管内流速管内流速新增出口局部损失新增出口局部损失321l1132l2出口断面缩小出口断面缩小出口流速稍有增大出口流速稍有增大 管中流速却显著减小管中流速却显著减小出流量减小出流量减小沿程压强增高沿程压强增高入口断面入口断面 0-0，任意断面，任意断面 i-i 通过有压管道定常流动的水力计算，容易通过有压管道定常流动的水力计算，容

15、易确定沿程压确定沿程压强强的分布，得到测压管水头线。测压管水头线低于管轴的分布，得到测压管水头线。测压管水头线低于管轴线，为线，为负压负压。工程中有时需要避免压力的低值，为此找。工程中有时需要避免压力的低值，为此找出管道中的出管道中的压力最低点压力最低点，检验其是否满足要求。如压力，检验其是否满足要求。如压力过低，可采取调整管道位置高程、降低流速等措施解决。过低，可采取调整管道位置高程、降低流速等措施解决。压强沿程变化和水头线的绘制压强沿程变化和水头线的绘制v122gv222g管道突然缩小管道突然缩小总水头线总水头线测压管水头线测压管水头线v122gv222g管道突然放大管道突然放大总水头线总

16、水头线测压管水头线测压管水头线作用水头全部用于支付沿程损失作用水头全部用于支付沿程损失1122Hvv220 022wvvHhgg则则252282lQdggvdlhHf二、长管的水力计算二、长管的水力计算一、简单管路一、简单管路比阻比阻单位流量通过单单位流量通过单位长度管段产生的水位长度管段产生的水头损失头损失528dgSsmvdS/2 . 1001736. 03 . 5；smvdvS/2 . 1)001736. 0(867. 01852. 03 . 53 . 0；）（226. 0774. 4000915. 0QdS 比阻比阻S S由谢才公式和曼宁公式由谢才公式和曼宁公式对钢管和铸铁管对钢管和铸

17、铁管对塑料管材对塑料管材 阻力平方区阻力平方区 过渡粗糙区过渡粗糙区【例】【例】已知简单管路的已知简单管路的l =2500m，H = =30m，Q =250l/s， n =0.011。求管径求管径d。【解】【解】 2SlQH 由由得得622/ms192. 0lQHS由谢才及曼宁公式，得由谢才及曼宁公式，得33. 523 .10dnS 代入数据得代入数据得d 388mm介于标准管径介于标准管径350mm400mm之间之间 串联管路串联管路niiiinifiQlShH121 并联管路并联管路iQQQQ21Q1Q2Q3QQ1122HABwiwwwBwAhhhhh321niiQQ11122Hl1 d1

18、l2 d2Q1Q2二、复杂管路二、复杂管路【例】【例】已知简单管路的已知简单管路的l =2500m，H = =30m，Q =250l/s，n =0.011。求管径求管径d。【解】【解】 由谢才及曼宁公式，得由谢才及曼宁公式，得33. 523 .10dnS 其中取其中取 d1=400mm，d2=350mm，得，得采用串联管路，则采用串联管路，则221 12 212302500HS l QS l Qlll12404m, 2096mll 沿程均匀泄流管路沿程均匀泄流管路xdx管路中任一点处流量管路中任一点处流量xlQQQQyyzx则则xlQQQSxSQhyyzfd)(dd22取取比阻比阻S为常量为常

19、量，上式积分得，上式积分得2221()3(0.55)fzzyyzyhSl QQ QQSl QQ 水处理构筑物的多孔配水管，冷却塔的布水管，以及城市水处理构筑物的多孔配水管，冷却塔的布水管，以及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水力计算。水力计算。2cSlQ若若无转输流量无转输流量Qz=0，则，则213fyhSlQHQzQyl 管网管网树状管网：树状管网：环状管网：环状管网：管线短，管径相对大，投资小，但可靠性差管线短，管径相对大，投资小，但可靠性差管线长，管径相对小，投资大，但可靠性好管线长，管径相对小，投资大，但可

20、靠性好 分叉管路分叉管路HABCD 各支管按串联算，支管之间各支管按串联算，支管之间按并联算。按并联算。第四节第四节 水泵水力计算水泵水力计算装置原理装置原理自灌式自灌式：水泵泵轴低于吸水池水面：水泵泵轴低于吸水池水面吸入式吸入式：水泵泵轴高于吸水池水面：水泵泵轴高于吸水池水面性能参数性能参数H Ht t 扬程扬程Q Q 流量流量N N 轴功率轴功率N N有效功率有效功率 效率效率n n 转速转速h hv v 允许吸水真空度允许吸水真空度wdsthHHHtgQHN 【例】【例】水泵功率水泵功率N=25kW, ,流量流量Q = =60L/s,效率效率p=75%, ,吸水吸水管管l1=8m, d1

21、=250mm,压水管压水管l2=50m,d2=200mm,=0.025,底阀底阀fv=4.4,弯头弯头b=0.2,阀门阀门v=0.5,逆止阀逆止阀sv=5.5,水泵允许真空度水泵允许真空度hv =6m。求水泵安装高度求水泵安装高度zs, ,水泵提水高度水泵提水高度Hg。Hszsd1d2l1l2水水泵泵阀阀门门逆逆止止阀阀底阀底阀1122【解】【解】 12140.446m/sQvd20.7m/sv 对对1，2列伯努利方程列伯努利方程211(1)2svfvblvzhdg60.095.91m280.4466(1 0.0254.40.2)0.252 9.8Hszsd1d2l1l2水水泵泵阀阀门门逆逆止

22、止阀阀底阀底阀113322112212(1)()22gtfvbvsvblvlvHHdgdg对对1，3列伯努利方程列伯努利方程tpgQHN31.89mptNHgQ2500.731.890.09(0.0250.55.50.2)0.22 9.831.49m水击水击：在有压管路中流动的液体，由于某种在有压管路中流动的液体，由于某种外界原因外界原因（如阀门突然关闭、水泵或水轮机组突然停车等），使（如阀门突然关闭、水泵或水轮机组突然停车等），使得液体得液体流速发生突然变化流速发生突然变化，并由于液体的惯性作用，引，并由于液体的惯性作用，引起起压强急剧升高和降低的交替变化压强急剧升高和降低的交替变化，这种现

23、象称为水击。，这种现象称为水击。升压和降压交替进行时，对于管壁和阀门的作用如同锤升压和降压交替进行时，对于管壁和阀门的作用如同锤击一样，因此击一样，因此水击也称为水锤水击也称为水锤。水击现象是一种典型的有压管道非恒定流问题，水击现象是一种典型的有压管道非恒定流问题，在水击现象中，由于压强变化急剧，必须考虑流在水击现象中，由于压强变化急剧，必须考虑流体的压缩性及管道的弹性。体的压缩性及管道的弹性。第五节第五节 水击现象及其预防水击现象及其预防水击的危害水击的危害：轻微时引起轻微时引起噪声和管路振动噪声和管路振动；严；严重时则造成重时则造成阀门损坏阀门损坏，管路接头断开，甚至引起，管路接头断开，甚

24、至引起管路的管路的爆裂爆裂。 水击引起的压强降低，使管内形水击引起的压强降低，使管内形成真空，有可能使成真空，有可能使管路扁缩管路扁缩而损坏而损坏。 有压管道有压管道流动的流流动的流量突变量突变流速突变流速突变由于流动的惯由于流动的惯性，造成压强性，造成压强大幅波动大幅波动 水击现象的大致描述：流体的压缩性和管道的弹性使波流体的压缩性和管道的弹性使波动在管道中以有限的速度传播动在管道中以有限的速度传播p以阀门突然关闭为例，将有一个以阀门突然关闭为例，将有一个增压、增密度、增压、增密度、增管道断面积、减流速增管道断面积、减流速的过程从阀门向上游传播，的过程从阀门向上游传播，压强、流速、密度、管道

25、断面积的间断面在管道压强、流速、密度、管道断面积的间断面在管道中运动，这就是水击波。中运动，这就是水击波。水击危害的预防水击危害的预防（1 1）延长阀门关闭）延长阀门关闭时间时间；（2 2）缩短管路）缩短管路长度长度；（3 3）在管路系统的适当位置装设）在管路系统的适当位置装设蓄能器蓄能器（空气罐或安全阀）；（空气罐或安全阀）；（4 4）在管路上装设）在管路上装设调压塔调压塔。 水击的利用水击的利用 例如，例如，水击泵水击泵便是利用水击原理设计的一种便是利用水击原理设计的一种无动力扬水无动力扬水 设备设备，这种设备对于无动力和电源的地方是很方便的。，这种设备对于无动力和电源的地方是很方便的。本

26、章作业本章作业习题习题 5.2，习题习题 5.4，习题习题 5.10，习题习题 5.16第五章习题解答第五章习题解答5.2 薄壁孔口出流，直径薄壁孔口出流，直径d=2cm，水箱水位恒定，水箱水位恒定H=2m。求。求 1、孔口流量孔口流量Q；2、此孔口外接圆柱形管嘴的流量、此孔口外接圆柱形管嘴的流量Qn; 3、管嘴收缩断面的真空。、管嘴收缩断面的真空。解：解：2 2、3 3、1 1、slggHAQ219. 122402. 062. 022 slggHAQnn612. 122402. 082. 022mHgpv5 . 1275. 075. 0kPaPapv7 .1414700解：解：5.4 如图所

27、示水箱用隔板分为左右两个水箱，隔板如图所示水箱用隔板分为左右两个水箱，隔板上开一直径上开一直径d1=40mm的薄壁小孔口，水箱底接一直的薄壁小孔口，水箱底接一直径径d 2=30mm的外管嘴，管嘴长的外管嘴，管嘴长l=0.1m,H1=3m。试求。试求在恒定出流时的水深在恒定出流时的水深H2和水箱出流流量和水箱出流流量Q1，Q2。1 . 08 . 9203. 0482. 023204. 0460. 0222222222111HlHgAQHgHHgAQn解：解：5.10 如图所示虹吸管，上下游水池的水位差如图所示虹吸管，上下游水池的水位差H=2.5mH=2.5m，管长，管长L LACAC=15m,L

28、=15m,LCBCB=25m=25m，管径，管径d=200mm,d=200mm,沿程阻力系数沿程阻力系数=0.025=0.025，入口局部阻力系数入口局部阻力系数c=1.0c=1.0，各弯头局部阻力系数，各弯头局部阻力系数0.20.2，管，管顶允许真空度顶允许真空度7m7m，求通过流量及最大允许超高，求通过流量及最大允许超高h hs s。最大允许超高：最大允许超高： smgHdlvbeAB/5392. 22131smvAQ/0798. 03 mhgpvv7mgvdlgphACACvs5938. 56 .195392. 2)22 . 012 . 015025. 01 (72)(25.16 如图已

29、知水泵的功率如图已知水泵的功率N=25kWN=25kW，流量，流量Q=60L/sQ=60L/s，水泵的，水泵的效率效率p p=75%,L=75%,L1 1=8m,L=8m,L2 2=50m,d=50m,d1 1=250mm,d=250mm,d2 2=200mm,=200mm,=0.025,=0.025,底阀底阀=4.4=4.4，一个弯头，一个弯头=0.2=0.2，阀门，阀门=0.5=0.5，逆止阀逆止阀=5.5=5.5，水泵的允许真空度，水泵的允许真空度hhv v=6m,=6m,求：求： 1 1、水泵的安装高度、水泵的安装高度z zs s; ; 2 2、水泵的提水高度、水泵的提水高度H Hg

30、g. .解：解：smAQv/22. 125. 0785. 006. 0211smAQv/91. 120. 0785. 006. 0222以水池水面为基准面以水池水面为基准面0 00 0，先对，先对0 00 0与水泵进口前与水泵进口前1 11 1列能量方程：列能量方程：仍以水池水面为基准面仍以水池水面为基准面0 00 0，对，对0 00 0与水塔水面与水塔水面2 22 2列能量方程：列能量方程：10211200wsahgvgpzgpmgvdlhhgvgppzbfvvwas51. 52)1 (22111102112000000wgthHH20wtghHHptgQHNmgQNHpt89.3106. 0980010002575. 0mgvdlgvdlhbsvvbfvw91. 25 . 241. 02)(2)(22220211120mHg98.2891. 289.31