水力学第8章课件.ppt

'8孔口、管嘴出流和有压管流工程中：给水处理、建筑物的输水配水、通航船闸闸室的充水和泄水、水利工程中的泄水闸的泄水都属于孔口出流问题。如果孔壁较厚或在孔口上外接一当长度的短管，这时的出流即为管嘴出流。有压管流是管道被液体充满，无自由表面，断面上各点的压强一般大于大气压强（个别情况也小于大气压强）。按水流随时间变化的状况分：为恒定管流和非恒定管流。 有压管中的恒定流简单管道复杂管道长管短管自由出流淹没出流简单管道串联管道并联管道水头损失以沿程水头损失为主，局部水头损失和流速水头在总损失中所占比重很小，计算时可以忽略的管道。局部损失及流速水头在总损失中占有相当的比重，计算时不能忽略的管道。管流：即有压流。明渠水流：无压流。 一、根据d/H的比值大小分：大孔口、小孔口大孔口（bigorifice）：当d/H>0.1时，水头、压强、速度沿孔口高度变化。小孔口（smallorifice）：当d/H<0.1时，各点流速相等，且各点水头亦相等。二、根据出流条件分：自由出流、淹没出流自由出流（freedischarge）：自由出流流出的水流直接进入空气中，此时收缩断面的压强可认为是大气压强，即pc=pa，则该出流称为自由出流。paHd 淹没出流（submergeddischarge）：流出的水流不是进入空气，而是流入下游水体中，致使出口淹没在下游水面之下，这种情况称为淹没出流。三、根据孔口水头变化情况分：恒定出流、非恒定出流恒定出流（steadydischarge）：孔口的水头不变，此时的出流称为恒定出流。非恒定出流（unsteadydischarge）：孔口的水头不断变化，此时的出流称为非恒定出流。 管嘴出流：在孔口上连接长为3~4倍孔径的短管，水经过短管并在出口断面满管流出的水力现象。按管嘴的形状和装置情况分圆柱形外管嘴：先收缩后扩大到整满管(图a)。流线形外管嘴：无收缩扩大，阻力系数最小(图b)。圆锥形扩张管嘴：较大过流能力，较低出口流速。引射器，水轮机尾水管，人工降雨设备(图d)。圆锥形收缩管嘴：较大出口流速。水力挖土机喷嘴，消防用喷嘴(图c)。 8.1孔口出流8.1.1薄壁小孔口恒定出流当孔口具有锐缘，出流的水股与孔口只有周线上的接触，且孔口直径d＜0.1H，称为薄壁小孔口。当孔口泄流后，容器内的液体得到不断的补充，保持水头H不变，称为恒定出流。一、小孔口自由出流 ——流经孔口的局部阻力系数。令，称为流速系数。称为收缩系数。 二、孔口淹没出流令Ho=则Ho=hw 三、影响流量系数的因素对于全部完善收缩，其系数见下表： 表8.1薄壁小孔口各项系数表收缩系数阻力系数流速系数流量系0.63~0.640.05~0.060.97~0.980.60~0.628.1.2孔口变水头出流设时刻t时孔口的水头为h，在微小的时段内流经孔口的体积为dV=Qdt=在相同的时段内，容器内液面降落dh，由此减少的体积为 若H2=0，即容器放空，所用的时间为8.2管嘴出流8.2.1圆柱形外管嘴恒定出流管嘴出流的特点是在距管道入口约为Lc=0.8d处有一收缩断面c-c，经c-c后逐渐扩张并充满全管泄出。分析时可只考虑管道进口的局部损失。 以O′-O′为基准面，列0-0和1-1的能量方程 式中——管嘴阻力系数，相当于管道锐缘进口的情况，=0.5；——管嘴的流速系数，≈0.82；——管嘴出口处的流速；——管嘴的流量系数，因出口无收缩，=1，为0.62，而，=1.32，即 8.2.2管嘴内的真空度c-c和1-1断面列能量方程由c-c扩大到满管的水头损失系数 8.2.3管嘴的使用条件 8.3短、长管的水力计算所谓“短管”，是指局部水头损失与流速水头之和所占的比重较大，即＞5%hf，计算中不能忽略。如果＜5%hf，，即局部水头损失与流速水头之和占的比重较小，在计算中可以忽略，这种管称为长管。8.3.1短管的水力计算一、自由出流 称为管道的流量系数。二、淹没出流：H——上下游的水位差。 水力计算问题1、已知H、l、d、n、ζ，求Q。2、已知Q、l、d、n、ζ，求H。3、已知Q、H、l、n、ζ，求d。8.3.2虹吸管的水力计算以0-0为基准面，写出1-1和2-2断面的能量方程 为管中c点的真空高度。应小于或等于管中的最大允许真空高度。[例题8.1]如图8.9所示的虹吸管，上、下游水位差，,管径，进口的阻力系数=1.0，转弯的阻力系数=0.2，沿程阻力系数，管顶c总的允许真空度=7m。求通过的流量Q和量大允许安装高度。 8.3.3水泵吸水管的计算一、安装高度Hs以水池水面为基准面，写出1-1和2-2断面的能量方程:为水泵进口的真空度=6~7m。二、管径的确定 [例题8.2]如上图所示的抽水装置，实际抽水量吸水管长，直径，弯头一个，，进口有滤水网并附有底阀，，沿程阻力系数，水泵进口处=6m。求水泵的安装高度。解：，安装高度为 Hυ0≈011测压管、总水头线的定性分析oo总水头线测压管头线（1）分别确定测压管、总水头线两端（2）找局部水头损失位置，大致画两条线（3）根据流速调整测压管和总水头线的关系 1、定性绘出图示短管道的总水头线和测压管水头线，并标明符号。（作业题） 2．定性绘出图示短管道的总水头线和测压管水头线，并标明符号。（作业题） 8.3.4长管的水力计算一、简单管道以0-0作为基准面，写1-1和2-2断面的能量方程：——比阻。 （水流在阻力平方区）（水流在过渡粗糙区）——修正系数。 工程上一般选用曼宁公式，即和谢才公式，所以[例题8.3]由水塔向厂区供水（见图），水管采用铸铁管，管长l=2500m,管径d=400mm，水塔处地面标高▽1=61m，水塔高度H1=18m，厂区地面标高▽2=45m,管路末端需要的自由水头H2=25m，求通过管路的流量。 [解]作用水头为HH=（H+▽1)-(H2+▽2)=(18+61)-(25+45)=9m查得d=400mm时，比阻A=0.2232s2/m6，验算：＜1.2m/s属于过渡区，比阻需修正。查表8.4，当1.01m/s时，修正系数k=1.0285， 一、离心泵的构造二、离心泵的工作原理三、离心泵的基本参数8.3.5离心泵的原理和选用 基本参数如下：（1）流量Q，单位为L/S、m3/s、m3/h。（2）扬程H，单位为mH2O或简写m。以0-0为基准面写出1-1和2-2断面的能量方程式：扬程即是水泵克服了管路的所有损失后所能把水送上的几何高度。（3）轴功率、有效功率和效率有效功率是指水从水泵实际获得的能量，用Ne表示 轴功率是指电动机输给水泵的总功率，即输入功率，用N表示。效率是有效功率与轴功率之比，用表示，小型泵=70%，大中型泵=70%～90%。（4）转速转速即叶轮转动的速度，以n表示，单位r/min。（5）允许吸水真空度四、水泵的特性曲线上述六个参数Q、H、N、n、和z中，常选择转速n为常数，将这些参数与流量之间的关系用曲线H-Q、N-Q、n-Q和z-Q来表示，这些曲线称为特性曲线。 五、管路的特性曲线hw——管路中总水头损失；Al——管路总阻力系数。管路在克服所有损失后，还需抬高一个几何高度z， 水泵出水量Q与扬程H必须同时落在水泵的特性曲线和管路的特性曲线上，此时水泵才能有稳定的出水量和稳定的扬程，这样水泵才能有相对稳定的功率和效率值，这个稳定的工作状态，在特性曲线上反映出来是一个点（如图中的M点），我们称之为水泵的工作点或工况点。六、水泵工作点 [例题]由吸水池向水塔供水（见图），水池水面与水塔水面的高差z=19m，水泵的吸水管和压水管均为铸铁管，总长l=200m，直径d=100mm，当Q=6.95L/s时，试选择水泵。[解]（1）选型参数的计数查表得（2）初选水泵的型号以、查水泵产品目录，初选2BA-6型泵。（3）校核工作点绘出管道特性曲线图，交点为，，，满足供水要求。 （4）配套电动机的传动效率和超载系数，可选稍大功率的电动机。 8.4管网计算基础8.4.1串联管道由直径不同的几段简单管道依次连接而成，这种管道称为串联管路。 若各管末端无流量分出，则 [例题]一串联管道如图8.21，管材为钢管，水由水池A流入大气中，已知，，，，。求通过流量时所需的水头H。解：， 8.4.2并联管路 [例题]并联管路系统（如上图），已知通过的总流量s，各管均为铸铁管，直径，管长为，求各支管的流量及A、B间的水头损失。[解]根据管径查表得 8.4.3管网分类一、枝状管网（或称为树枝状）二、环状管网 8.5.1水击现象水击发生的原因8.5有压管道中的水击 第一阶段，阀门突然关闭，在A处产生一干扰波，紧靠A处的微分段内的水体，流速由变为零，相应的压强升高，此时，段内液体被压缩，以容纳后面由惯性而来的液体，使得该微分段内密度增加，管壁被迫膨胀，并以波速向进口B传播。当传至B（即）时，整个管道的流速变为零，压强升高，管壁膨胀，液体压缩，密度增加。一、水击的传播过程 第二阶段，当时，断面B处存在压差，使该处截面的作用力不能维持平衡，故B处产生一反射波并由B往A传播，称为顺波，使水流以一向水池倒流，压力下降，液体膨胀，管壁收缩。至时，反射波传至阀门A处，此时全管的流速为一υ0，压力和管径均恢复原状。 第三阶段，当时，全管由于有一存在，水流脱离阀门A，与要求的条件不符，此时开始了水击波第三阶段的传播。此时A处产生一反射波，并由A往B传播，紧靠A处液体由一变为零，导致压力由变为，液体膨胀，管壁收缩，又一层一层地以波速向B传播。在时到达进口B，此时整个管道压力下降，流速，管壁收缩。 第四阶段，时，降压逆波传至B端，该端存在一压差-，为了维持压力的平衡，此时B又反射一升压波，并由B传至A，水流又以的速度向A流动，膨胀的液体及收缩的管壁也恢复原状，至时，增压顺波传至阀门A处，压强、流速和管道状况都恢复到水击发生前的状况。 8.5.2水击压强计算相长一、直接水击 水击发生前的动量为水击发生后的动量为在△t内的动量变化为展去并略去高阶微量得在段水体两端的压力差为故略去，略去二阶微量，得冲量由动量定理得 二、间接水击（）三、水击波的传播速度8.5.3防止水击危害的措施（1）延长阀门的关闭时间；（2）缩短管长； （3）减小管内流速υ0；（4）管路上设安全阀。[例题]某压力引水钢管，上游与水池相联，下游管末端设阀门控制流量。已知管长l=600m，管径d=2400m，管壁厚，水头。阀门全开时管中流速。阀门在内全部关完，此时管内发生水击。求阀门处的水击压强值。 ＜T=1.24s管道发生直接水击[例题]题同上。若阀门在2s内全部关完，此时管内发生水击，求阀门处的水击压强值。[解]由上例有2s＞T=1.24s，管中发生间接水击。'