水力学 教学课件 作者 裴国霞 唐朝春7，8，9章第七章 孔口、管嘴出流和有压管流(一).ppt

'第七章孔口、管嘴出流和有压管流7.1薄壁孔口恒定出流7.2管嘴恒定出流7.3孔口的变水头出流7.4短管水力计算7.5长管水力计算7.6复杂管道水力计算7.7管网水力计算基础7.8有压管道中的水击7.9紊动射流及紊动扩散 工程中的有压管流问题 有压管道：管道周界上的各点均受到液体压强的作用。短管:是指管路中水流的流速水头和局部水头损失都不能忽略不计的管道；有压管中的恒定流：有压管中液体的运动要素不随时间而变。 长管:是指流速水头与局部水头损失之和远小于沿程水头损失，在计算中可以忽略的管道为，一般认为（局部水头损失+流速水头）＜10%的沿程水头损失，可以按长管计算。注意：长管和长管不是完全按管道的长短来区分的。将有压管道按长管计算，可以简化计算过程。但在不能判断流速水头与局部水头损失之和远小于沿程水头损失之前，按短管计算不会产生较大的误差。根据管道组成简单管道复杂管道串联管道并联管道分叉管道沿程泄流管管网 7.1薄壁孔口恒定出流孔口出流:在容器侧壁或底部上开一孔口，容器中的液体经孔口的出流。淹没出流小孔口H/d≥10孔口分类：大孔口H/d＜10流动分类：非恒定出流出流分类：恒定出流自由出流 7.1.1小孔口的自由出流容器中的液体自孔口出流到大气中，称为孔口自由出流。设孔口断面的面积为A，收缩断面的面积为，称为孔口收缩系数。孔口自由出流时，在出流流股距孔口处，流线断面收缩达到最小，流线趋于平行，成为渐变流，该断面称为收缩断面。收缩断面，即图右中的c-c断面。 基准面：孔口形心的水平面取断面0-0和收缩断面c-c，符合渐变流条件伯努利方程：沿程损失甚微整理 则作用总水头局部阻力系数圆形薄壁小孔口，由实验得可流速系数为：孔口出流的流量为令流速系数：孔口的流量系数对圆形薄壁小孔口。 7.1.2小孔口的淹没出流淹没出流：如果孔口流出的水股不是进入大气中，而是进入另一部分水中，即孔口淹没在下游水面之下的情况。取符合渐变流条件的断面1-1及2-2基准面：过孔口形心的水平面 其中列伯努利方程： 当孔口两侧均为敞口容器，水面为自由液面，当容积较大时可取，则此时，孔口的局部阻力系数收缩断面局部阻力系数 为淹没出流流速系数，与自由出流数值相等，但含义有所不同。自由出流时，淹没出流时孔口淹没出流流量为：孔口自由出流与淹没出流其公式形式相同，、在孔口相同条件下亦相等。但应注意，在自由出流情况下，孔口的水头H为水面至孔口形心的深度；而在淹没出流时，孔口的水头H为孔口上、下游的水面高差。因此，孔口淹没出流时不论大孔口出流还是小孔口出流，其计算方法相同。 7.1.3小孔口的收缩系数及流量系数在边界条件中，影响的因素有孔口形状、孔口边缘情况和孔口在壁面上的位置三个方面。不同形状孔口的流量系数差别不大，孔口边缘情况对收缩系数会有影响，薄壁孔口的收缩系数最小，圆边孔口收缩系数较大。孔口的全部边界不与相邻的容器底边和侧边重合时（如左图中孔口I、III、IV），水股在各方向都发生收缩，这种孔口称为全部收缩孔口。孔口在壁面上的位置，对收缩系数有直接影响。 II只有1、2边发生收缩，其它3、4边没有收缩称为非全部收缩孔口。根据器壁对流线弯曲有无影响而分为完善收缩与不完善收缩。在相同的作用水头下，非全部收缩时的收缩系数比全部收缩时的大，其流量系数值亦相应增大。图上孔口I，周边离侧壁的距离大于3倍孔口在该方向的尺寸，此时出收缩得最充分，为全部完善收缩。 7.1.4大孔口的流量系数实际计算表明，小孔口的流量计算公式也适用于大孔口，在估算大孔口流量时，应考虑上游流速水头，而且流量系数值因收缩系数比小孔口大，因而流量系数亦大。表7-1大孔口的流量系数 7.2管嘴恒定出流若孔口器壁厚度时，或在孔口处有长度的短管，液体经短管流出并在出口断面充满管口的流动现象称为管嘴出流。管嘴出流分为自由出流和淹没出流。0－0断面及b－b断面管嘴水头损失列伯诺里方程：以管嘴中心线为基准线。7.2.1圆柱形外管嘴恒定出流 代入伯努利方程，解得沿程水头损失很小可略去则： ——管嘴阻力系数，＝0.5；——管嘴流速系数，——管嘴流量系数孔口出流和管嘴流量公式形式完全相同，然而。可见在相同的水头作用下，同样断面管嘴的过流能力是孔口的1.32倍。因此，管嘴常用作泄水管。 7.2.2圆柱形外管嘴的真空孔口外面加管嘴后，增加了阻力，但是流量增加，这是由于收缩断面处真空作用的结果。对收缩断面c-c与出口断面b-b列伯努利方程在c-c断面与b-b断面之间，产生局部水头损失， 由连续性方程，，管嘴自由出流，整理得又由知，，取，，，代入上式，得表明圆柱形外管嘴水流在收缩断面处出现真空。 作用水头愈大，收缩断面处的真空度亦愈大。当真空值达到时时，常温下的水发生汽化而不断产生气泡，破坏了连续流动。因此为保证管嘴的正常出流，真空值必须控制在以下，从而决定了作用水头的极限值。这就是外管嘴正常工作的条件之一。真空度：圆柱形外管嘴收缩断面处真空度可达作用水头的0.75倍，这就是相同直径、相同作用水头下的圆柱形外管嘴的流量比孔口大的原因。说明： 7.2.3其他形式管嘴工程上为了增加孔口的泄水能力或为了增加（或减少）射流的速度，常用的管嘴有以下几种圆锥形扩张管嘴（图a），在收缩断面处形成真空，其真空值随圆锥角增大而加大，并具有较大的过流能力和较低的出口速度。适用于要求将部分动能恢复为压能的情况，如引射器、水轮机尾水管和人工降雨设备。 圆锥形收敛管嘴（图b），具有较大的出口流速，适用于水力机械化施工，如水力挖土机喷嘴以及消防用喷嘴等设备。流线形管嘴（图c），水流在管嘴内无收缩及扩大，阻力系数最小。适用于要求流量大，水头损失小，出口断面上速度分布均匀的情况，如水坝泄水管。 7.3孔口的变水头出流在孔口（或管嘴）出流过程中，如容器水面随时间变化，孔口的流量必亦随时间变化，这种情况称为变水头孔口（或管嘴）出流。变水头孔口（或管嘴）出流是非恒定流。假定容器内液面高度变化缓慢，在每一个微小时段内可近似认为水位不变，可应用孔口（或管嘴）恒定出流的公式。这样就把非恒定流问题转化为恒定流处理。 某时刻，孔口的水头为，在微小时段内，经孔口流出的液体体积为在同一时段内，容器内水面降落，于是液体所减少的体积为，由于从孔口流出的液体体积应该和容器中液体体积变化数量相等，即 ，则求得容器“泄空”（水面降到孔口处）所需时间上式表明，变水头出流时容器“泄空”所需要的时间等于在起始水头作用下恒定出流流出同体积水所需时间的二倍。容器泄空体积开始出流最大流量 7.4短管水力计算根据短管的出流情况，可将其分为自由出流和淹没出流加以分析。以过出口断面2－2形心的水平面为基准面，在水池中离管路进口某一距离处取断面1－1，对1－1和2－2断面列伯努利方程7.4.1自由出流 令由上式可知，短管水流在自由出流的情况下，它的作用水头除了用于克服水流阻力而引起的能量损失外，还有一部分变成出口动能。则 水头损失包括、、分别表示在管路进口、弯头及闸门处的局部阻力系数。——短管的总阻力系数，将水头损失代入，得取局部阻力系数 由连续性方程，得令短管的流量为短管自由出流的流量系数短管的过水断面面积 7.4.2淹没出流以下游自由表面0－0作为基准面，在断面1－1和断面2－2之间建立伯努利方程令 则说明短管水流在淹没出流的情况下，它的作用水头完全消耗在沿程水头损失和局部水头损失上。水头损失为式中的和的意义与式所表示的相同。其中，、、、分别表示在管道进口、弯头、阀门及管路出口处的局部阻力系数。 所以平均流速若管道的过水断面面积为A，则通过管道的流量式中，称为短管淹没出流的流量系数。短管在自由出流和淹没出流情况下，流量计算公式的形式及流量系数的数值是相同的，但作用水头的计算是不同的，自由出流时作用水头为出口断面形心点上的总水头，淹没出流时上下游自由表面总水头差。 7.4.3短管水力计算问题一、计算特点二、计算类型1.已知H、d，求Q（校核）2.已知Q、d，求H（设计）3.已知Q、H，求d（设计）4.计算管道过水断面压强 倒虹吸管 例某虹吸集水管如图所示，通过流量起点至管道最高点的长度最高点至出口的长度，沿程阻力系数，滤网、弯头、出口的局部阻力系数分别为，，，,允许的真空高度。求虹吸管管径、所需的水头及管道最高点距上游水面的高度。解（1）选择管径根据通过流量和虹吸管的允许流速来选择管径可按照虹吸管的用途在有关设计手册中查取。对水源井虹吸集水管，，取 采用接近的标准管径。根据选定的管径，断面平均流速为（2）所需水头，按短管淹没出流计算，忽略行近流速，由式得则所需水头 3）最高点距上游水面的高度。设最高点距上游水面高度为，以上游水面1－1为基准面，对上游水面1－1与断面2－2列伯努利方程忽略行近流速，取，上式写成为保证虹吸管正常工作，2－2断面的真空度应小于允许真空高度，即取代入上式，得 有压涵管当小的河流穿过公路或铁路路基时，常采用涵管。涵管随上游水位不同，可分为有压和无压两种。当上游水深（管径）时，管内充满液体，液体在水头差的作用下流动，可按有压短管计算；否则，为无压涵管，可按宽顶堰或明渠流计算。涵管计算的内容为根据流量、水头差确定管径和校核上游壅水高度，以判断路堤堤顶标高是否合适。水泵吸水管已知求水泵安装高度。 [解]从1→2建立伯努利方程，有进口断面真空高度实际的安装高度只要小于或等于，即可。 7.4.4气体管路在土建工程中，有时还会遇到气体管路的计算。这类气体管路一般都不很长，气流速度远小于音速，此时系统中气体的密度变化不大，依然作为不可压缩流体的流动问题处理。只是在对管路中高程相差较大的两个断面列能量方程时，应注意到，由于管内气体的密度与外界大气密度为相同的数量级，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，这在液体管道的计算中是忽略不计的。 如图7－14所示设恒定气流,气体密度，外部空气密度对断面1－1、2－2列能量方程、——断面1－1、2－2的相对压强，习惯上称为静压；、——它反映断面流速无能量损失地降低至零所转化的压强值，习惯上称为动压； ——重度差与高程差的乘积，称为位压，与水流的位置水头差相应；——压强损失。上式即是用相对压强表示的恒定气流能量方程式。方程与液体能量方程比较，除各项单位为压强，表示气体单位体积的平均能量外，对应项有基本相近的意义。'