流体力学第七章.pptx

《流体力学第七章.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《流体力学第七章.pptx（81页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、有压管流：有压管流：水流沿管道满管流动的水力现象。水流沿管道满管流动的水力现象。有压管道断面上各点的压强，一般不等于大气压强。有压管道断面上各点的压强，一般不等于大气压强。液 体管 壁有压管道液体自由面 管 壁无压管道第1页/共81页2023/3/262恒定流动：运动要素不随时间变化的流动。有压管道恒定流的水力计算问题：孔口、管嘴、短 管、长管、离心水泵等的水力计算问题。第2页/共81页2023/3/2637.1 液体经簿壁孔口的恒定出流孔口出流：容器壁上开孔，水经孔口流出的水力现象。薄壁孔口：容器壁的厚度对水流现象没有影响，孔壁与水流仅在一条周线上接触的孔口。第3页/共81页2023/3/2

2、64孔口分类孔口分类小孔口小孔口 大孔口大孔口 出流出流自由出流自由出流 淹没出流淹没出流 直接进入空气中流入下游水体中 第4页/共81页2023/3/265恒定出流：当孔口出流时，水箱中水量如能得到源源不断的补充，从而使孔口的水头不变，此时的出流称为恒定出流。非恒定出流：当孔口出流时，水箱中水量得不到补充，则孔口的水头不断变化，此时的出流称为非恒定出流。第5页/共81页2023/3/2661.1.小孔口的自由出流小孔口的自由出流孔口出流的水力要素关系式推导要点：孔口出流的水力要素关系式推导要点：应用Bernoulli方程，在渐变流断面O-O 与收缩断面C-C之间建立能量方程水箱的微小水头损失

3、可以忽略，故h 只是 水流经孔口的局部水头损失，即第6页/共81页故令得 流速系数 实验测得孔口流速系数 =0.970.98 0孔口的局部阻力系数孔口的局部阻力系数第7页/共81页2023/3/268设孔口断面的面积为，收缩断面的面积为 c，则 称为收缩系数，于是孔口的出流量为薄壁小孔口自由出流的水力基本关系式薄壁小孔口自由出流的水力基本关系式式中=为孔口出流的流量系数第8页/共81页2023/3/2692.大孔口的自由出流大孔口可当作由许多小孔口组成大孔口可当作由许多小孔口组成小孔口的流量计算公式也适用于大孔口小孔口的流量计算公式也适用于大孔口式中：=大孔口的流量系数 =大孔口的过水断面面积

4、 H0=大孔口的形心的水头淹没出流？第9页/共81页2023/3/2610在孔口处接一长L(34)d的短管，水流通过短管的出流称为管嘴出流。7.2 液体经管嘴的恒定出流1.圆柱形外管嘴的恒定出流圆柱形外管嘴的恒定出流应用Bernoulli方程，在渐变流断面O-O 与收缩断面b-b之间建立能量方程第10页/共81页令管嘴出口速度管嘴出口流量式中：式中：管嘴阻力系数管嘴阻力系数 n=0.5 管嘴流速系数管嘴流速系数 管嘴流量系数，因出口无收缩管嘴流量系数，因出口无收缩n=n=0.82 显然显然n/=(0.82/0.62)=1.32。可见在相同条件，管嘴的。可见在相同条件，管嘴的过流能力是孔口的过流

5、能力是孔口的1.32倍。倍。第11页/共81页 孔口、管嘴若作用水头和直径d相同时，下列哪些是正确的：A.Q孔Q嘴，u孔u嘴；B.Q孔u嘴；C.Q孔Q嘴，u孔u嘴；D.Q孔Q嘴，u孔u嘴。练练 习习 题题正确答案：B第12页/共81页2.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，但是流量反而增加Why？由于管嘴水流的收缩断面处出现了真空由于管嘴水流的收缩断面处出现了真空第13页/共81页2023/3/2614应用Bernoulli方程，在收缩断面c-c与收缩断面b-b间建立能量方程得第14页/共81页得对圆柱形外管嘴：=1，=0.64，=0.82圆柱形外管嘴水流收缩断面

6、处真空度表达式：孔口自由出流收缩断面在大气中，而管嘴出流收缩断孔口自由出流收缩断面在大气中，而管嘴出流收缩断面为真空区，真空度达作用水头的面为真空区，真空度达作用水头的0.756倍，真空对液倍，真空对液体起抽吸的作用，相当于把孔口的作用水头增大体起抽吸的作用，相当于把孔口的作用水头增大75.6，这就是管嘴出流比孔口出流增大的原因。，这就是管嘴出流比孔口出流增大的原因。第15页/共81页2023/3/2616增加管嘴的作用水头，能提高真空度，所以对于管嘴的出流能力，作用水头越大越好。判判 断断 题题正确答案：错第16页/共81页2023/3/2617水水流流流流态态判判别别标标准准备备注注薄薄壁

7、壁孔孔口口小孔口小孔口小孔口出流收缩断面可选作计算小孔口出流收缩断面可选作计算断面。断面上流速近似相等，相断面。断面上流速近似相等，相对压强近似为大气压强。对压强近似为大气压强。大孔口大孔口大孔口出流收缩断面上流速、压大孔口出流收缩断面上流速、压强沿孔高互不相等。强沿孔高互不相等。用小孔口流量公式估算大孔口用小孔口流量公式估算大孔口出流流量时，误差不大。出流流量时，误差不大。管管嘴嘴出出流流管嘴里的收缩断面和出口断面可管嘴里的收缩断面和出口断面可选作计算断面。选作计算断面。当管嘴里的真空被破坏，其出当管嘴里的真空被破坏，其出流应作为孔口出流来计算。流应作为孔口出流来计算。孔口出流与管嘴出流孔口

8、出流与管嘴出流第17页/共81页2023/3/2618思考思考 有压管道和无压管道的区别？(1)孔口处流时，如何区分自由出孔口处流时，如何区分自由出流和淹没出流？淹没出流为什流和淹没出流？淹没出流为什么没有么没有“大大”“小小”孔口之分孔口之分？(2)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是什么？是什么？(3)在推导不同流动现象的局部水头损失系数时，主要依据什么方法？(4)第18页/共81页2023/3/26191.无压管道和有压管道的区别？无压管道即水流没有充满管道，有自由水面，按明渠水流计算；有压管道就是水流充满整个管道，没有自由水面。减小管径节省投资出口水流出口水流出口水流

9、出口水流状状状状态态管道布置情管道布置情管道布置情管道布置情况况况况水水水水头损头损失失失失有有有有压压管道管道管道管道简简单单管管道道长长管管复复杂杂管管道道淹淹没没出出流流自自由由出出流流短短管管并并联串串联管管网网第19页/共81页2023/3/2620伯努利方程伯努利方程l5.在推导不同流动现象的局部水头损失系数时，主要依据什么方法？第20页/共81页2023/3/2621第21页/共81页2023/3/26227.3 短管的水力计算根据沿程水头损失与局部水头损失在总水头损失根据沿程水头损失与局部水头损失在总水头损失中所占比重的大小，将有压管道分为：中所占比重的大小，将有压管道分为：有

10、压管道有压管道短管短管 长管长管 第22页/共81页2023/3/2623短管 在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，水力计算时不可忽略的管路 长管管流的流速水头和局部水头损失的总和与沿程水头损失比较起来很小，因而计算时常常按沿程水头损失的某一百分数来估算之或忽略之的管路第23页/共81页2023/3/2624 长管和短管不是按管道绝对长度判断 当管道存在较大局部损失的管件，如，部分开启闸门、喷嘴、底阀等。即使管道很 长，局部损失不能略去，必须按短管计算。注意第24页/共81页2023/3/2625 对于长管 忽略局部水头损失和流速水头（沿程损失不能略去），计算工作大大

11、简化，其对结果又没有多大影响。第25页/共81页一个简单短管系统，在恒定流条件下自由出流 1.短管水力计算的基本公式13110v000v022gvv2H0221223第26页/共81页对断面1-1和断面2-2间建立伯努利方程H0作用水头作用水头13110v000v022gvv2H0221223第27页/共81页13110v000v022gvv2H0221223可得而水头损失为第28页/共81页13110v000v022gvv2H0221223所以取1，得短管短管水力水力计算计算基本基本公式公式淹没出流？第29页/共81页2023/3/26302.短管水力计算的问题可以解算如下三类问题：1)已知

12、流量Q、管路直径d和局部阻力的组成，计算作用水头H0。2)已知水头H0、管路直径d和局部阻力的组成，计算流量Q。3)已知流量Q、水头H0和局部阻力的组成，设计计算管路直径d。第30页/共81页例例 7-17-1 用虹吸管自钻井输水至集水池，如图5-4所示。虹吸管长LLAB+LBC=30m+40m=70 m，直径d200 mm。钻井至集水池间的恒定水位高差H1.60 m。又已知沿程阻力系数0.03，管路进口、120弯头、90弯头及出口处的局部阻力系数分别为 1=0.5，2=0.2，3=0.5，4=1。试求：(1)流经虹吸管的流量Q；(2)如虹吸管顶部B点安装高度hB4.5m，校核其真空度(真空度

13、的允许值hv7m水柱)。第31页/共81页l解：（1）计算流量1-1与3-3断面间列出Bernoulli方程：解得将沿程阻力系数=0.03，局部阻力系数代入上式得第32页/共81页（2）计算管顶2-2断面的真空度：1-1与2-2断面间列出Bernoulli方程：忽略行进流速，取 2=1.0，上式成其中代入上式，得解毕第33页/共81页例例 7-27-2 一离心水泵安装如图5-5所示。泵的抽水量Q=8.3 l/s，吸水管（由取水点至水泵进口的管道）长L=7.5 m，直径d100 mm，管道沿程阻力系数0.03，局部阻力系数有带底阀的滤水管 1=7.0，弯道 2=0.5。如水泵入口的允许真空度（即

14、允许吸水真空高度）hv5.8m。试求决定该水泵的最大安装高度Hs。第34页/共81页l解：以水面1-1 为基准面，在1-1与2-2断面间列出Bernoulli方程（忽略吸水池水面流速）：移项后得式中代入上式，得解毕第35页/共81页设计计算管路的直径d=?自学(Fig.7-11/p.183)例例 7-37-3试算法借助计算机第36页/共81页2023/3/2637 管路按照布置可分管路按照布置可分 简单管路简单管路复杂管路复杂管路串联管路串联管路 并联管路并联管路 管管 网网 7.4 长管的水力计算第37页/共81页简单管路：管径沿程不变、流量也不变的管路简单管路：管径沿程不变、流量也不变的管

15、路1.简单管路一简单管路由水池引出，如图所示。管路长度为l，直径为d，水箱水面距管道出口高度为H。在断面1-1 与2-2间建立伯努利方程式在长管计算中，局部水头损失hw与流速水头忽略不计，则上式表明，长管全部作用水头都消耗于沿程水头损失。长管的流速水头可以忽略，总水头线与测压管水头线重合。第38页/共81页2023/3/2639水力学中的水力学中的Q、H、D计算问题计算问题将v=(4Q)/(d2)代入上式，可得：式中 A管路的比阻，指单位流量通过单位长度管道所需水头，它决定于管路沿程阻力系数 和管径d的大小。第39页/共81页计算比阻的常用公式 将旧钢管、铸铁管的沿程阻力系数 计算公式（舍维列

16、夫公式）代入比阻公式，可得：紊流阻力平方区 v 1.2 m/s紊流过渡区 v 400mm,取ve=1.0 1.4m/s。计算各管段的计算各管段的水头损失水头损失 确定控制点确定控制点 计算水塔高度计算水塔高度Ht=hf +HG+ZG Zt式中：HG=控制点的自由水头;ZG=控制点的标高;Zt=水塔处标高第60页/共81页已知沿线地形，水塔高度Ht，各管段长度li和通过的流量Qi以及各分支末端要求的自由水头HG,求各段管径di？枝状管路枝状管路水力计算2)扩建已有的给水系统的水力计算问题扩建已有的给水系统的水力计算问题l解决方法：l1)计算各条线的平均水力坡度 J；l2)选择Jmin的支线作为控

17、制干线,推算比阻；l3)由比阻反算各段管径di;l4)计算控制干线各节点的水头，并依此为准继续设计各支线管路。第61页/共81页例例 7-97-9P83:新建给水系统，设计计算水塔高度？l解：l1)按经济流速ve确定管径d;l2)计算各管段的水头损失 hfi=AiliQi2 ;l3)确定控制点(Hmax=hf +HG+ZG)；l4)计算水塔高度：l Ht=hf +HG+ZG Zt第62页/共81页2023/3/26637.5离心水泵的水力计算1)1)水泵工作原理2)2)基本工作参数-若干概念3)3)泵的性能曲线与工作点的确定4)4)例子7-107-10第63页/共81页离心水泵的组成离心水泵的

18、组成(1)工作叶轮、(2)叶片、(3)泵壳、(4)吸水管、(5)压水管、(6)泵轴等第64页/共81页水泵工作原理水泵工作原理离心水泵启动之前，通过顶上注水漏斗将泵体和吸水管内注满水。启动后，叶轮高速转动，在泵的叶轮入口处形成真空，吸水池的水在大气压强作用下沿吸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。启动前灌液启动后第65页/共81页水泵基本工作参数1)流量Q(m3/s):单位时间通过水泵的液体体积。2)扬程 H(m H2O):水泵供给单位重量液体的能量。在1-1(吸水池自由面)与2-2(压水池自由面)上应用Bernulli方程由于v1=v2=0,p1

19、=p2=pa,上式可写成式中，Hg=水泵抽水的几何给水高度第66页/共81页3)功率：分为轴功率Na和有效功率Ne 轴功率Na:电动机传递给水泵的功率，即输入功率，单位为瓦（W）或千瓦（kW）。有效功率Ne:单位时间内液体从水泵中实际得到的能量。Ne=QH (5-27)4)效率：有效功率与轴功率之比泵Na 第67页/共81页2023/3/26685)转速n(r/min):水泵工作叶轮每分钟的转数。6)允许吸水真空度hv(m H2O):为了防止水泵内发生气蚀现象，由实验确定的水泵进口的允许真空度。7)气蚀现象：为避免汽蚀现象，安装高度必须加以限制，即存在最大安装高度ZS,max。叶片表面产生蜂窝

20、状腐蚀；泵体震动，并发出噪音；流量、压头、效率都明显下降；严重时甚至吸不上液体。第68页/共81页泵的性能曲线与工作点的确定泵的性能曲线与工作点的确定1)水泵性能曲线：在转速n 一定的情况下，水泵的扬程H、轴功率Na、效率与流量Q的关系曲线称为水泵性能曲线。第69页/共81页泵的性能曲线与工作点的确定泵的性能曲线与工作点的确定2)管路特性曲线 H=Hg+hw=Hg+SQ2lH=f(Q)的曲线称为管路特性曲线第70页/共81页泵的性能曲线与工作点的确定泵的性能曲线与工作点的确定3)工作点的确定水泵性能曲线H-Q 和管路特性曲线H-Q2 按同一比例画在一张图上，这两条曲线有一个交点A，称为水泵工作

21、点。管路特性曲线第71页/共81页例7-10：水泵选型问题由集水池向水塔供水，已知水塔高度10m，水塔水箱容量50m3，水箱水深2.5m，水塔地面标高101m，集水池水面标高94.5m，管路（吸、压水管）为铸铁管，直径100 mm，总长200 m，要求水泵每次运转2h（2h使水箱贮满水），试选择水泵。第72页/共81页2)计算扬程:hw=kAlQ2=1.04365.3 200(0.00694)2=3.66 m H=Hg+hw=(101+10+2.5-94.5)+3.66=22.7ml1)计算流量:Q=V/t=50/2=25m3/hl解：分4步l3)选择水泵及确定工作点:l由Q=25m3/h,H

22、=22.7m,查表5-5,选用一台2BA-6型泵；绘出管路特性曲线H-Q2 和水泵性能曲线H-Q、-Q曲线(fig5-20)；确定A点为工作点：Q=8.2l/s,H=24.2m,=64%.第73页/共81页2023/3/2674l4)电动机选择：l 计算水泵的轴功率l选用电动机功率时，要考虑电动机过载的安全系数，因此本例题选用电动机功率为4.5 kW。第74页/共81页2023/3/2675 计算实例1 1 离心泵管路系统的水力计算zz2112233 水泵最大真空度不超过6ml2l1水泵允许安装高度 水泵扬程 流量Q，吸水管长l1，压水管长l2，管径d，提水高度z，各局部水头损失系数，沿程水头

23、损失系数要求要求确定确定计算计算已知已知第75页/共81页2023/3/2676zz2112233l2l1Q，dv第76页/共81页2023/3/2677zz2112233l2l1 水泵扬程=提水高度+全部水头损失第77页/共81页2023/3/26787.6 7.6 有压管中的水击(单独)水击现象（又名水锤现象）：水击现象（又名水锤现象）：在在有有压压管管道道中中的的流流速速发发生生急急剧剧变变化化时时，引引起起压压强强的的剧剧烈烈波波动，并在整个管长范围内传播的现象。动，并在整个管长范围内传播的现象。第78页/共81页2023/3/2679谢谢 谢谢欢欢 迎迎 提提 问问第79页/共81页2023/3/2680习 题P P200200 7.9 7.9，7.147.14 ，7.207.20，7.277.27第80页/共81页2023/3/26第7章 有压管道的恒定流动 81感谢您的观看！第81页/共81页