第五章有压管流与孔口管嘴出流课件.ppt
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1、第5章 有压管流与孔口、管嘴出流 基本概念:1、压力管路:在一定压差下,液流充满全管的流动管路。管路中的压强可以大于大气压,eg:泵的压水管也可以小于大气压,eg:泵的吸水管 2、简单管路:是指管径、流速、流量沿程不变,且无分支的单线管道。d=C 复杂管路:是指由两根以上管道所组成的管路系统。3、长管:局部损失与速度水头的总和与沿程损失相比很小,以至于可以忽略不计的管道。(局部水头损失和流速水头所占比重小于5%-10%)短管:局部损失与速度水头的总和超过沿程损失或与沿程损失相差不大,计算水头损失时不能忽略的管道。4、管路的特性曲线:定义:水头损失与流量的关系曲线。S管道摩阻。l 5.1.1 短
2、管的水力计算 沿程损失、局部损失分别计算,不可忽略 5.1.2 长管的水力计算 如图,由水池接出一根管路,建立如图所示基准面,取11、22断面建立伯努利方程:对于长管,则有:Hhf,hf由蔡西公式确定:式中:K为流量模数或特性流量 水力坡度等于1时的流量。5.1 简单管路的水力计算 例5.1:水泵管路如图,铸铁管直径d=150mm,管长l=180m,管路上装有吸水网(无底阀)一个,全开截止阀一个,管半径与曲率半径之比为r/R=0.5的弯头三个,高程h=100m,流量Q=225m3/h,水温为20。试求水泵的输出功率。c值可按巴甫洛夫斯基公式计算:式中:R水力半径(米)。适用范围0.1R3 n粗
3、糙系数,视材料而定。y与n及R有关的指数。对于一般输水管道,常取 y1/6。曼宁公式:K可根据d、n查表选取。蔡西系数或 1)已知流量Q、管长l、管壁粗糙系数n、能量损失hf(或作用水头H)时,可通过特性流量K求出管道直径d。(d需规格化)2)已知流量Q、管长l和管径d时,可求出能量损失。3)已知管长l、管径d和能量损失,可求出流量Q。问题:图示两根完全相同的长管道,只是安装高度不同,两管道的流量关系为:A.Q1 Q2;C.Q1=Q2;D.不定。公式可用以解决下列三类问题:C例例5.25.2已知流量已知流量QQ250250升升/秒,管路长秒,管路长ll25002500米,作用米,作用水头水头H
4、H3030米。如用新的铸铁管,求此管径是多少?米。如用新的铸铁管,求此管径是多少?解:解:由由HHhhff,得,得取取nn0.01110.0111,查表,查表5.25.2,当,当KK22832283升秒时:升秒时:管径在管径在350mm350mm(KK17271727)和)和400mm400mm(KK24642464)之间)之间采用采用350mm350mm管:管:,流量不足,流量不足采用采用400mm400mm管:管:,流量满足,流量满足,水头有富余,管材消耗多。水头有富余,管材消耗多。理想方案:理想方案:350mm350mm和和400mm400mm各用一部分(串联)。各用一部分(串联)。5.
5、2.1 串联管路 由直径不同的数段管子串联在 一起组成的管路。流量:各段不一定相同,但每一段范围内不变。(可在每段末端分出)每一段都是简单管路 整个管路总水头损失:按长管计算 若无分出流量,各段流量相同,则:5.2 管网的水力计算基础 5.2.2 并联管路两条或两条以上的简单管道在同一点分出,又在另一点汇合的管路。如图,管段1、2、3为节点A、B间的并联管路,其在A、B间的水头损失相同。即:hfAB=hf1=hf2=hf3流量关系:Q=Q1+Q2+Q3注意:A、B间1、2、3管段的比能损失相等,各管段的总机械能损失不一定相等(流量不同)。例5.4:如图各并联管段的直径和长度分别为d1=150m
6、m,l1=500m,d2=150mm,l2=350m,d3=200mm,l3=1000m。管路总的流量Q=80L/s,所有管段均为正常管。试求并联管路各管段的流量是多少?并联管路的水头损失是多少?解:正常管 K1=K2=158.4L/s,K3=341.0L/s 根据并联管路水头损失hf1=hf2=hf3得:并联管路流量关系:Q=Q1+Q2+Q3=(1+1.195+1.522)Q1=3.717 Q1=80 Q1=21.52L/s Q2=25.72L/s Q3=32.76L/s 并联水头损失:【例】如图所示的具有并联、串连管路的虹吸管,已知H40m,l1200m,l2100m,l3500m,d10
7、.2m,d20.1m,d30.25m,各管段均为正常管。求总流量Q。【解】管1和管2并联,此并联管路又与管3串连,因此:Hhf2+hf3,查表得:K1341.0L/s,K253.72L/s,K3618.5L/s,总流量QQ1Q2,故Q20.1822Q 即400.002457Q,Q127.6升/秒123H5.2.3 连续均匀出流管路 连续出流管路:沿管长连续向外泄出流量Qp的管路。通过流量QT:某管段内通过的固定不变的流量。途泄流量Qp:沿管长连续向外泄出的流量。连续均匀出流管路:沿管段任一单位长度上连续分配的流量都一样。对连续均匀出流管路:近似式 比流量 实际计算时,引入计算流量:当QT0时:
8、结论:连续均匀出流管路的能量损失,仅为同一通过流量所损失能量的1/3。类型5.2.4 管网的类型及水力计算枝(树)状管网环状管网经济流速:d=100400mm:ve=0.60.9m/s d=4001000mm:ve=0.91.4m/s 例:枝状管网从水塔B沿B-1干线输送用水,已知每段的流量及管路长度,B处地形标高为28m,供水点末端点4和7处标高为14m,保留水头均为16m,管道用普通钢管。求每段直径、水塔高度。1、枝状网水力计算已知数值 计算所得数值管段管段长度l管段流量q(L/s)管道直径d(mm)流速v(m/s)水头损失hf(m)上侧支管3-42-31-2350350200 20030
9、03500.790.640.831.880.700.56下侧支管6-75-61-5500200300 1502002500.760.790.813.631.081.27水塔到分叉点B-1 400 400 0.96 1.2325458013.52540120 计算原则:(1)各节点流入流量等于流出流量。(流入为正,流出为负)(2)任一闭合环水头损失之和为零。(顺时针为正,逆时针为负)2、环状网水力计算Q1Q2 Q3Q4Q5 Q64 5 632 1p例题:环状网计算。按最高时用水量Qh=219.8L/s,计算如下图所示管网。5.3孔口出流 孔口分类:大孔口 H/d10 小孔口H/d10 5.3.1
10、薄壁小孔口定常出流 薄壁:出孔水流与孔壁仅在周线上接触,即孔壁厚度对出孔水流没有影响。1、小孔口的自由出流液体经容器壁上孔口流出的水力现象。列0-0和c-c的伯努利方程:整理后得:令:流速系数 作用水头忽略v0,则H0=H 小孔口自由出流流量:薄壁小孔口自由出流的基本公式 系数说明:流量系数,=0.580.62:孔口的收缩系数 0.600.64:流速系数,0.970.98 0:孔口局部阻力系数2、淹没出流 孔口出流淹没在下游水面之下。由伯努利方程:整理后得:得:孔口淹没出流的流速和流量均与孔口的淹没深度无关,也无“大”、“小”孔口的区别。淹没孔口局部阻力系数5.4管嘴出流 在孔口接一段长l=(
11、34)d的短管,液流经过短管并充满出口断面流出的水力现象。根据实际需要管嘴可设计成:1)圆柱形:内管嘴和外管嘴 2)非圆柱形:扩张管嘴和 收缩管嘴。1、圆柱形外管嘴定常出流 管嘴面积为A,管轴为基准面,列0-0,b-b伯努利方程 则:所以:若不考虑v0影响:=0.82 结论:管嘴可增大出流量,管嘴出流量为孔口的1.32倍。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。对圆柱形外管嘴:=1,=0.06,=0.64,=0.82 圆柱形外管嘴的正常工作条件 收缩断面的真空是有限制的,如长江中下游地区,当真空度达7米水柱以上时,由于液体的压强低于饱
12、和蒸汽压时会发生汽化。圆柱形外管嘴的正常工作条件是:(1)作用水头H09米;(2)管嘴长度l=(34)d。第五章 小结 1、长管:局部损失与速度水头的总和与沿程损失相比很小,以至于可以忽略不计。2、从水池引出长管,出口与水池液面高差为H,则有:Hhf。3、串联管路:由直径不同的数段管子串联在一起组成的管路。整个管路比能损失=各段管路比能损失之和 4、并联管路:两条或两条以上的管线在同一处分出,又在另一处汇合。各并联管段的比能损失相等。5、孔口出流:孔口淹没出流的流速和流量均与孔口的淹没深度无关,也无“大”、“小”孔口的区别。6、管嘴出流:管嘴可增大出流量,管嘴出流量为孔口的1.32倍。5.2:
13、水从高位水池流向低位水池,已知水面高差为H=12m,管长l=300m,水管直径为100mm的清洁钢管。求水管中流量为多少?当流量为Q=150m3/h时,水管的直径应该多大?5.4:如图,设输水管路的总作用水头H=12m,管路上各管段的管径和管长分别为:d1=250mm,l1=1000m,d2=200mm,l2=650m,d3=150mm,l3=750m。管子为清洁管,局部损失忽略不计。试求各管段中的损失水头,并作出测压管水头线。解:K1=703.5L/s,K2=388.0L/s,K3=180.2L/s 由题意:所以:各管段水头损失分别为:5.6:水由水塔A流出至B点后有三支管路,至C点又合三为
14、一,最后流入水池D,各管段尺寸分别为d1=300mm,l1=500m,d2=250mm,l2=300m,d3=400mm,l3=800m,dAB=500mm,lAB=800m,dCD=500mm,lCD=400m。管子为正常情况,流量在B点为250L/s,试求全段管路的损失水头。5.10:如图,两水池的水位H=24m,l1=l2=l3=l4=100m,d1=d2=d4=100mm,d3=200mm,沿程阻力系数1=2=4=0.025,3=0.02,除阀门外,其他局部阻力忽略。(1)阀门局部阻力系数=30,试求管路中的流量;(2)如果阀门关闭,求管路流量。明渠第六章 明渠均匀流与堰流 6.1明渠
15、流的概念 1、明渠(channel):人工渠道、天然河道以及不满流管道的统称。2、明渠流(channel flow):具有露在大气中的自由液面的槽内液体的流动,或称无压流(freeflow)。3、明渠流动的特点:具有自由液面,p0=0,为无压流(满管流为压力流)湿周是过流断面固体壁面与液体接触部分的周长,不等于过流断面的周长;4、明渠断面常见形状:5、明渠定常流:明渠中水力要素不随时间变化。6、明渠定常均匀流:渠槽断面形式不变,液流在固定水深下运动的明渠定常流。重力是流体流动的动力,为重力流(管流则是压力流)渠道的坡度影响水流的流速、水深。坡度增大,则流速增大,水深减小;边界突然变化时,影响范
16、围大。对明渠定常均匀流:A、各断面平均流速相等 B、水力坡度i、水面坡度ip(压力坡度)、渠底坡度ib相等,即i=ip=ib 即:总比能线、比压线、渠底坡面线是三条平行的直线。7、明渠定常均匀流的发生条件:流量Q常数;过流断面A、水深h、平均流速v沿程不变;渠底坡度固定不变,且ib=ip=i;渠槽粗糙系数n常数;没有局部摩阻。想一想:明渠流与满管流最大的区别在于前者是,而后者是。无压流 有压流6.2 明渠定常均匀流的水力计算 6.2.1 基本计算公式 明渠流受力:重力、槽壁摩擦力 明渠定常均匀流:平均流速 蔡西公式 流量:式中:K渠槽的流量模数,v2v1P20GABCDP1Ff蔡西系数c:单位
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