水力学教案——有压管道流动和孔口、管嘴出流(中职教育)

'第五章有压管道流动和孔口、管嘴出流第一节概述一、有压管道水流1、有压管道：液体充满整个管道断面，管道周界上的各点均受到液体压强的作用。2、冇压管道分类(1)根据管道布置的不同>简单管道>复杂管道：乂分为串联管道、并联管道及分义管道>管网(2)根据管道出口水流状态>自由出流>淹没出流(3)按水头损失分◊长管：水头损失以沿程水头损失为主，其局部损失和流速水头占的比重较小,忽略不计。◊短管：局部损失和流速水头与沿程水头损失占的比重均较大。二、孔口、管嘴出流1、孔口出流：在贮液容器侧壁上开孔，液体经孔口泄流的水力现象。2、管嘴出流:在孔口上连接(3-4)孔径的短管,水流经过短管并在出口断面满管出流的水力现彖。 第二节简单管道短管的水力计算一、简单短管自由出流的基本公式以(T—(V为基准而>列0-0和2-2断而能量方程:Aa(y}令：H()二H+亠卫_2g091人r+羽"圧+工V2v=11叫^=7^0+以Q=VA=A1+鲁+工§式中——为管道系统的流量系数。如不计行近流速水头，贝hQ=p(A近丽二.简单短管淹没出流的基本公式以下游水面为棊准面，列1-1和2-2断而的能量方程:诉_叩2,|h2gZ+2gwIV22+DT話+工总od2g 令：Z厂Z+也一土令：A=TTV式中从.——管道系统的流量系数。则：Q=“/j2gZ°如不计行近流速水头及下游水头，贝|」：Q=^icA^Z注意：占由出流与淹没出流的流量系数，虽形式不同，但数值是相等的。三、简单短管水力计算的基本类型1、已知流量0和管道直径也计算管道的作用水头根据具体流态选丿IJ相应的沿程阻力系数公式，解出沿程阻力系数后，应川流量计算公式计算作用水头。2、已知水头H和管道直径也计算通过的流量0假设一个最可能的流态并计算2,得到结果后，校核流态是否与假设的流态相符合。若符合则计算结束，否则应另外假设流态重新计算。3、已知通过管道流量Q,确定管道直径d（1）管道的作用水头日确定，管道的直径由流最公式计算。（2）确定所需的管道直径d及相应的作用水头H根据管道类型选定管道允许流速，计算出管道直径/通过已知流量计算H。4、已知管道直径，作用水头H和流量Q,确定管道各断面压强的大小（1）绘制步骤1）计算各项局部水头损失和各管段的沿程水头损失。2）从管道进口断而的总水头依次减去各项损失，得各断面的总水头值，连结成总水头线（逐渐绘制从进口到出口的总水头线）。假定弘均匀分布在整个管段上（直线）， 假定人“集中发生在边界改变处。3）总水头线减去速度水头得测压竹水头线。（2）注意事项1）进口：注意总水头线的起点。2）出口：注意测压管水头线的终点四、简单短管水力计算的实例1、水泵装置的水力计算（1）T作原理首先向涡室灌水，电动机帯动叶伦旋转，山于离心力作用，水被抛出去进入压水管，室内空气随Z带走，使水泵进口处形成真空，通过吸水管将水吸进涡室。（2）吸水管的水力计算任务：求管径d和最大允许安装高程佥A、确定d吸水管的允许流速％=0.8~1.25m/sQ=丄加S—>d4B、确定心Pi/5/2g収5y2gdSg以0-0为基准而建立1-1和2-2断而的能量方程Pa-P2为水泵进口断面真空度，不能大于水泵允许真空度［仏］ 2乙、W[hv]-（＜7+A—+严d2g当压强低至该温度下的蒸汽压强时，液体在常温下发生汽化，汽泡随水流进入泵内高压部位受压缩而突然溃灭，周围的水便以极人的速度向汽泡溃灭点冲击，在该点造成高达数百大气压以上的压强，发生气蚀。3、压力水管的水力计算（1）确定铮径：rti经济流速确定经济管径J=x（2042,x=0.8〜1.2,2—m3/s（2）提水高度一定时，计算所需水泵的扬程，以便选泵。以0-0为基准而建立1-1和3-3断而的能量方程式屮H「为水泵的扬程（水泵向单位重最液体所提供的机械能）。2、虹吸管的水力计算原理：利用顶部出现真空，使上游水面与管屮形成压差，将水流引向高处。按短管计算，一般计算管道的输水能力及安装高程（以控制管道中的允许真空值）。自学五、气体管路的计算厂空气=/a=ll.82N/m3由于管内气体的重度为外界空气的重度是相同的数量级，在用相对压强进行计算时，必须考虑外界大气压在不同高程上的差值，若两边用绝对压强时，其方程式形式不变。以0-0为基准面建立1-1和2-2断面的能量方程（绝对压强形0-T-1£式的能量方程）气体管路中常写为:y,2为压强形式的能最损失）如以相对压强表示：p"l=Pl+几刃2=血+几—人（。―Zj 代入上式得:刃+几+阪+血"）少+・川2-小了+几气体管路压强形式能量方程：卩|+/—+（/fl一丫）（乙2-Z|）=几+/-^-+pw2g~2g当Y^Ya时,22片V9卩+今=z+k+2g2gV2六、串联管路1、定义：由几段直径不等的管子依次联接的管路叫串联管路。2、基本公式建立水池断而和出口断面的能量方程由连续性方程=vicoiT卩一出口流速所以Q=比e』2gH°同理可得淹没岀流情况。 第三节长管的水力计算一、简单管路1、水头线的绘制：总水头线和测压管水头线重合，起点为上游水面点，终点为出口小心点。2、计算公式0’以0"-0‘为基准而建立0-0和1-1断而的能量方程H=hf=Z—-—（dig长悸的水力计算问题与短悸一样，仍为Q、H、d,知其二求其一。具体方法如下（-）按流最模数计算Q2或q=kJ?=k4jk——为流最模数，它综合反应管道断面形状、人小和边壁粗糙等特性对管道输水能力的影响。可以在表5-2由d查K。Q2当vv1.2/n/s时，H=h『=k^-rl/K2K——修正系数，可查表5・3（二）按比阻计算由Q=丄加v=4=47U12H=』1弩4=8］、◎,令S=—（A叫比阻），贝0（12g7T2dAg7T2d5g7V2d5H=SIQ2S与兄有关，将有关兄的计算公式代入得：1、旧钢管、旧铸铁管 g0.001736d53过度区3<1.2加/$)2、混凝土管0.867>().3〔0.001736)V)〔d53)5=0.8521+10.3/?2J533二、串联管路1、定义：由儿段总径不等的管段依次联接而成的管路。(节点：三根或三根以上管段的交点,或有分流的两管段的交点)2、计算原则:(1)损失条件：H=hf[+hf2+hf3(2)流量条件：Qt=Q2+Q]，02=2+92三、并联管路1、定义：在两节点Z间并设两条或两条以上的管路。2、计算原则：(1)损失条件：hf2=hf3=hf4=h阳H=hf[+hfAB+hf5(2)流量条件：Qi=Qi+2+20+。3+a=2+纟2四、分叉管路1、定义：分叉后不再汇合。作长管计算。2、基本公式H{=hf+hf[；H2=hf+hf2,且：Q=Q{+02则:Q訥萇哼+枫爭)¥ 第四节管网的水力计算1、枝状管网：呈树状向供水区延伸，i般是管径随所供给用户的减少而变小。优点：长度短、构造简单、投资省。缺点：-•段管路停水检修时，其后续管路均要断水。2、环状管网：将管网布置成封闭环状，用于大型的重要给水工程。优点：任一管线检修时，不影响其余管线供水。缺点：长度人，造价高。一、枝状管网的水力计算已知沿线地形，各管段长度/及通过的流量。和各分支端点要求的自由水头Hz，求各段管径和水塔高乩。说明设计步骤（1）按经济流速确定管径注意：从水塔到管网小任意一支的末端点实际上均为串联管路。CD=100-400mmve=0.6—lm/sLD>400mmve=1.0—1.4m/s先选定v~*t7讣〜d标准■**—是否在经济流速范围内。（2）计算各管段的水头损失hf=AIQ2（3）确定控制点：水塔至该点的水头损失+该点的地形标高+该点要求的自由水头二最人值。（4）计算水塔高耳：Ht=7控+H曲+弘朋~控一▽塔2、扩建已冇给水系统的设计已知沿线地形，水塔高厲，管路长/,用水点白由水头忠及流量Q，计算管径d。计算步骤：（1）计算各条线（从水塔到某一分支端点或某一节点，当节点处无口由水头要求T1.地形较平时，通常到某一分支端点）的平均水力玻度 了二（▽塔+//,）_（▽末末）（2）选择了斷的那条线作为控制十线。假定控制十线上的水头损失均匀分配，即各段水力坡度相等，计算各段的4=-4如A®Qi（3）Ajldi,若仏不是标准直径，可采用串联方法。（4）计算控制干线各节点的水头，并以此为准继续设计各支管。二、环状管网的水力计算已知沿线布置，管长/及各节点流量，求各管段0、d、hf1、计算原则（1）流量条件：节点处满足连续性方程：工Q流入=工Q流出。（2）损失条件：在任何一个封闭环路内，若顺时针方向水流引起的水头损失为正，逆时针水流引起的水头损失为负，则工/?何=0。2、计算步骤（1）根据流量条件（工Q流入节点=工0流出节点）第一次拟定各管段的流量和流向。（2）按经济流速确定管径。（3）计算各管段的水头损失（注意正、负），并求环路闭合差工力何。计算校正流最△Q=-2^1—h£2刀厘（证明略）。若40为正，说明顺时针流动，若为负则在环路內逆时针流动。（每一个闭合环路计算一个核正流量）（5）Q第次+AQ-Q第二次，重复上述步骤，直至满足精度耍求为止。 第五节有压管道中的水击一、水击现象（一）水击1、水击：在有压管路小，由于某种外界原因（阀门突闭、启等）使得水的流速发牛突然变化，从而引起压强急剧升高和降低的交替变化，这种水力现象叫水击。2、水击产生的原因外因:（1）外因：阀门突启、闭，水泵突然停转等。nmAnm（2）内因：水流木身具有惯性和压缩性。研究水击问题时，水头损失和速度水头川•忽略不计，静水头线和测压管水头线重合。压强的升高以弹性波的形式向进口传播。3.水击波：山于水击而产牛的弹性波叫水击波，速度为c（二）水击的传播过程以阀门突然关闭为例分析mV第一阶段:流动停止，液休被床缩,密度增加，压强升高，增压逆波。BA第三阶段:流动停止,密度减小,压强降低,降压逆波。司ABA第二阶段：反向流速巾,密度、压强恢复原状，降压顺波。IBA第四阶段：正向流速巾,密度、压强恢复原状，增压顺波。(b)-f——£11BA 水击波在全管段来回传递一次所需的时间t=2Uc为一个相。两个相长的时间4Uc为水击波传递的一个周期T。3、水击过程的运动特性4、阀门、进口处的水击压强0%吃3%吆喘冷吐t阀门处：压强最先升高、降低，持继时间长,变幅人。八f--1I1——尸化嘯啜%统说—先进口处 二、水击压强的计算2L1、总接水击：当阀门关闭时间小于一个相长人V——（包括阀门突闭），阀门处的水击C压强不受阀门关闭时间长短的蹈响。用动量定理计算直接水击压强A"o水击前：0）、p、p。、Vo水击后：（①+血）、（/?+△/?）、（/?（）+A/7）>沿管轴方向动量变化:mv一mv｛）=（Q+Ap）（69+A2Uc小于直接水击压强。三、击波的传播速度四、停泵水击止常操作时停泵前先关闭出口阀门，不会出现水击。当违背操作规程时，在水泵停止的最初瞬间，压水管内的水流由于惯性作用继续以逐渐减慢的速度流动，而水泵此时失去动力,转速突降，供水量骤减。于是压水管在靠近水泵处出现压强降低或真空，当压水管小流速减至零，山于压差和重力作用，水自压水池向水泵倒流，并冲动逆止阀突然关闭，导致压强升高发生水击。分析：停泵水击特点：首先压强降低，后因逆止阀关闭使压强升高，水击波开始由此向压水管出口传播。五、水击危害的预防1、安装具有安全阀性质的水击消除阀；2、水电站冇压管道上设冇调压塔；3、延长阀门关闭或开启时间，缩短有压管路长度。 第六节孔口、管嘴恒定出流1、孔口出流：容器壁上开口，水经孔口流出。2、管嘴出流：在孔II上连接（3-4）d的短管，水经短管并在出I」断面满管出流。D——丿（一、液体经薄壁孔口的恒定出流薄壁孔口：孔壁与水流仅在一条周线上接触。dQ）WH/W,小孔口，认为断面上各点水头相等。d（R>H/10,大孔口。恒定出流：水位不变（-）小孔口的自由出流自山出流：总接流入人气水流流经孔口时，由于惯性作用，流线收缩，出口后继续收缩，约在距孔口d/2处收缩完毕，流线在此趋于平行，称为收缩断面。以0’-0’为基准面建立0-0和c-c断面的能量方程H「）一孔口出流的局部阻力系数2g令coj0)=£COc=ECOQ=vccoc=q即j2g//（）=式中，“叫流量系数，由实验确定（二入小孔口的淹没出流孔口出流的水流进入另一部分液体中叫淹没出流，以（）-0为基准而建立1-1和2-2断面 的能量方程问题：当。相等时，自由和淹没出流两种情况下，“是否相等？作用水头是否相等?二液体经管嘴的恒定出流1、圆柱形外管嘴的恒定出流在孔口断而处接一直径与孔口直径完全相同的圆柱形短管，长度/=（3〜4）d,称圆柱形外管嘴。水流进入管嘴后，先收缩，然后扩人，在出II断___面为满管出流。以0"-0’为基准面建立0-0和b-b断面的能量方程：992仆騒二竺*二（＜„=0.5）2g2g»2g0v2Ho=（a+^n）~—2gv=厂「j2gH（）=久j2gH（）L—=0.82---管嘴出流的流速系数Vl+0.5Q=^=比（“”=（pn=0.82）,-一管嘴出流的流量系数-孔口Q=M）』2gHo比较y管嘴Q=p辟頑？2、圆柱形外管嘴的真空管嘴出流流量加大是由于收缩断面的真空作用。 以0-0为基准而，建立0-0和c・c断面的能量方程997H+Z+込二厶+空+G比丫2gy2g2gh°+zz虽=(咳.+厶¥Y2g"7^好扣”勺严Q=vca)c=c(pcol2g(HQ+YV/由c・c和儿方的能量方程Pc,_PaY2gav2++Y2g(冬_*)2=企+#_2叫+/Y2g2g2gv2vvc故为收缩断面处的真空度/O.82qT^o=0.62彳2g(肌+Pa~Pc)=0.75仏，相当于把管嘴的作用水头增大了75%o/若收缩断面的真空达到7m以上，由于液体在低于饱和蒸汽压时发生汽化，以及空气将会自管嘴处吸入，从而收缩断血处的真空被破坏，所以W7m即HoW9mPa~Pl=0.75H管嘴工作条件｛y/=(3—4)d'