水力学第六章ppt课件.ppt

'第六章恒定有压管流§6-1概述§6-2短管的水力计算§6-3长管的水力计算 §6-1概述有压管流：如果水流充满整个管路的断面而没有自由水面，这种管路称为有压管路，有压管路中的水流称为有压管流。无压管流：如果管内存在自由水面，管内表面压强为零的管路称为无压管路，无压管路中的水流称为无压管流。无压管流属于明渠水流。 恒定有压管流水力计算的三个主要问题确定管道的输水能力。已知管线布置、断面尺寸和必要输送的流量，确定相应的水头。确定流量及相应的作用水头及管径后，计算沿管线各断面的压强。恒定有压管流计算根据：能量方程，连续方程以及水头损失的计算公式。 按沿程水头损失和局部水头损失在总水头损失中所占的比重将管路分为长管和短管。长管：指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，计算时流速水头和局部水头损失均可忽略。短管：指管流的流速水头和局部水头损失的总和与沿程水头损失相比占相当比例，计算时流速水头和局部水头损失均不能忽略。管路的分类 说明：管流分为长管和短管，不是简单地按管路的长度来区分而是为了简化水力计算。当不能明确判断是长管还是短管时，按短管计算。根据管路的布置，可分为简单管路和复杂管路。简单管路：指单一直径没有分支的管路。复杂管路：指由两根或两根以上不同特性的管路组成的管系。 §6-2短管的水力计算短管的水力计算可分为自由出流与淹没出流。如果管路出口水流直接流入大气，这种管流称为自由出流。 以通过管路出口断面中心线的水平面为基准面。选取上游水池的渐变流断面为1-1断面，管路出口断面为2-2断面。V0:水池中的流速，称为行近流速； 流量系数短管自由出流流量公式 如果管路出口淹没在水面以下则称为淹没出流。取下游水池水面为基准面，列1-1断面和2-2断面的能量方程 忽略令说明：管路的全部水头都消耗于沿程水头损失及局部水头损失。 短管淹没出流流量公式 短管自由出流与淹没出流流量计算公式形式上相同：流量系数的表达式形式上虽然不同，淹没出流的Σζ项却比自由出流的Σζ项多了一个出口局部水头损失系数ξ出，在淹没出流情况下，若下游水池较大，出口局部水头损失系数ζ出=1.0。几点讨论 两者的作用水头不同。 总水头线与测压管水头线总水头线是管路各个断面的总水头的连线。测压管水头线是各个断面的测压管水头的连线。1.总水头线不是一条直线，而是由几条折线组成，在有局部损失的地方，总水头线出现集中跌落。跌落的距离等于局部水头损失。关于总水头线和测压管水头线几点规律： 2.在管路管径不变的情况下，测压管水头线就是总水头线平行下移一个管路流速水头的距离。3.当管路中某点出现真空时，即该点的绝对压强小于大气压强时，那么该点的测压管水头线在该点管轴线之下。 自由出流与淹没出流的总水头线、测压管水头线在淹没出流的出口处，总水头等于测压管水头，都等于位置水头。在自由出流的出口处，总水头不等于测压管水头，测压管水头等于位置水头; （一）虹吸管虹吸管一部分管线高于上游自由水面。若在虹吸管内造成真空，使作用在上游水面的大气压强与虹吸管内的压强之间产生压差，则水流即能通过虹吸管最高点流向下游。只要虹吸管内真空不被破坏，就能持续输水。 最大允许真空度：虹吸管顶部的真空值不能太大，当虹吸管内压强低于液体温度相应的汽化压强时，液体将产生汽化，产生空化现象。安装高度：虹吸管管轴线的最高点到上游水面的高差称虹吸管的安装高度。工程上虹吸管的最大允许真空度为7～8米水柱。 例6.3.1某渠道用直径d为0.5m的钢筋混凝土管从河道引水灌溉。上下游水位差H为1.5m。虹吸管全长为30m，其中第二个弯管至出口的管长为15m。进口装滤水阀,管的顶部有600折角弯管两个。又已知该管的粗糙系数n为0.0138，最大允许真空度为7m，试求：(1)虹吸管通过的流量;(2)虹吸管最大的安装高度。 （1）计算虹吸管流量淹没出流计算沿程水头损失系数 局部水头损失系数无底阀的滤水阀600折角弯管出口淹没 （2）计算虹吸管最大安装高度hs虹吸管最大真空度发生在管轴线位置最高且水头损失相对最大的断面。以上游水面为基准面，列1-1断面和2-2断面的能量方程式 说明：超过这个高度,最大真空度就要超过允许值,水流的连续条件就受到破坏。 （二）离心水泵管路系统由吸水管和压水管组成。取水点到水泵进口断面2-2之间的管路称为吸水管；水泵出口断面3-3到水塔之间的管路称为压水管。水泵工作时，必须在它的进口处形成一定真空，水池的水在大气压力作用下流向吸水管，流经水泵时从水泵获得新的能量，然后沿压力水管流入水塔。 水泵安装高度：水泵进口断面2-2的形心点到蓄水池水面的高差称为水泵的安装高度hs。水泵的扬程：单位重量的水体通过水泵所获的能量称为水泵的扬程,以H表示。水泵的装机容量：即电动机输入功率,单位为W(瓦特)也常采用马力，1马力=735W=0.735kw。η为电动机和水泵的总机械效率。 例6.3.2吸水管和压水管均为铸铁管,粗糙系数n为0.011，吸水管管径为200mm，吸水管长10m，进口有滤水网并附有底阀,有一个900弯头，进口局部水头损失系数为5.2，弯管处局部水头损失系数为1.10。压水管管径为150mm，长度为500m，设有二个600弯头，每个弯头局部损失系数为0.55；水塔水面与蓄水池水面高差z为20m，水泵流量为30L/s，水泵最大允许真空值为6m，电动机效率为0.9，水泵效率为0.75。试确定：（1）水泵安装高度hs；（2）水泵扬程H；（3）水泵的装机容量N。 (1)确定水泵安装高度hs选取水池水面为基准面,列1-1断面和2-2断面的能量方程 (2)计算水泵扬程H选取水塔水面为4-4断面,列1-1断面和4-4断面的能量方程,忽略蓄水池的行近流速和水塔内的流速z为水泵的提水高度。 吸水管水头损失计算压水管水头损失计算 (3)水泵的装机容量 （三）倒虹吸管倒虹吸管是穿过道路或者河渠等障阻物的一种输水管道。倒虹吸管中一般不产生真空，只是由于它的外形象倒置的虹吸管。倒虹吸管的本质：短管淹没出流。 例6.3.3某道路与一河渠相交,采用钢筋混凝土倒虹吸管横穿路基,使水流通过该涵管流向下游。管长为50m,河道上下游水位差H为3m,流量Q为3m3/s,沿程水头损失系数为0.03,局部水头损失系数ζ进=0.5,ζ弯=0.65,ζ出=1.0。试确定管径。 由插值法确定管径d=1.015m §6-3长管的水力计算长管按管路布置可分为简单管路和复杂管路。简单管路是指管径d、粗糙系数n（或沿程水头损失系数λ）沿管长不变且无分支的管路。 列1-1断面和2-2断面的能量方程式v1为行近流速，相对管中流速，水池断面较大，可以忽略。因为是长管，不计流速水头，水头损失仅考虑沿程水头损失。长管的全部水头都消耗于沿程水头损失上。 简单管路的总水头线和测压管水头线自由出流的总水头线为进口断面处的自由水面到出口2-2断面的形心作一直线。淹没出流的总水头线为进口处的自由水面与出口处的自由水面的连线。长管的流速水头可以忽略，长管的总水头线与测压管水头线重合。 沿程水头损失的计算K具有与流量相同的量纲。综合反映管道断面形状、尺寸及边壁粗糙对输水能力的影响。不同直径不同糙率输水管所相应的流量模数值见表6.3.1。流量模数 对于给水工程中的旧钢管和旧铸铁管，常选用舍维列夫公式计算沿程水头损失系数λ1．紊流过渡区2.水力粗糙管区比阻 比阻S0的计算公式比阻S0可以按舍维列夫公式计算，也可以按曼宁公式计算 简单管路水力计算类型输水能力计算已知管路长度l、管径d或流量粗糙系数n及总水头H，确定管路通过的流量。确定总水头已知管路长度l，管径d和粗糙系数n，为保证通过一定流量Q，确定所需要的总水头H。确定管路直径管路长度l已确定，已知总水头H和通过的流量Q，确定管路的直径d。 例6.3.1由水塔向某工厂供水。采用旧铸铁管，管长l为900m，管径d为250mm，管路末端所需要的剩余水头H2为25m，水塔水面距地面高度H1为18m，水塔处地面标高为61m，工厂地面标高为45m，即zt为16m，求通过管路的流量Q。 以工厂地面高程为基准线，列水塔水面与管路末端的能量方程查表6.3.1，当d为250mm时，正常管的流量模数K为618.5L/s。 若采用比阻计算，先假设管中水流v≥1.2m/s，查表6.3.2，得S0=2.752。采用流量模数法计算所得结果是很接近的。 复杂管路的水力计算复杂管路是由多条简单管路组成的。按管路布置的不同串联管路并联管路分叉管路管网等假定流动均在阻力平方区。 串联管路由直径不同的管路依次连接而组成的管路。串联管路常用于供水，经过一段距离就有一定的流量分出。随着流量的减少，所采用管径也相应减小。 串联管路水力计算的基本公式（1）总水头损失等于各管段水头损失之和。各管段的管径、流量、流速各不相同，应分段计算其沿程水头损失。或（2）串联管路的流量计算应满足连续方程 串联管路的测压管水头线与总水头线串联管路的测压管水头线与总水头线是重合的。由于各管段流速不同。所以水力坡度不相同，因此整个管路的总水头线呈折线形。 例6.3.2某工厂管路系统如图所示。若水塔向工厂供水的流量为40L/s，水塔水面距地面的高度H1为44m，水塔与工厂地面标高差zt为16m，管路末端剩余水头H2为25m，管线全长l为2500m。为了充分利用水塔的水头和节省钢材，决定采用管径d为300mm和d为200mm的两种管道串联，求每根管道的长度l1和l2。 当d=300mm时当d=200mm时 并联管路两条或两条以上管段从一点分叉又在另一点汇合的管路称为并联管路，管段分叉或汇合点称为节点。 并联管路水力计算的基本公式（1）并联管路中的每一管段两端的水头差都是相等的。或 并联管路水力计算的基本公式（2）并联管路各管段虽然水头损失相同，但通过的流量一般是不同的，各管段的流量与总流量应满足连续方程。 例6.3.3三根并联铸铁管路由节点A分出，在节点B汇合，如图所示。已知Q=280L/s，d1=300mm，l1=500m，d2=250mm，l2=800m，d3=200mm，l3=1000m，各管段的粗糙系数n均为0.0125。试求：并联管路各管段的流量Q1，Q2，Q3及水头损失hfAB。 由公式计算或查表6.3.1得流量模数为当d1=300mm时当d2=250mm时当d3=200mm时 分叉管路由主干管段分出两条及两条以上支管，分叉后不再汇合的管路称为分叉管路。AB：主干管路；BC、BD分别为支管。 分叉管路水力计算的基本公式（1）ABC管路和ABD管路均为串连管路。分叉管路的水力计算可按串联管路计算。对ABC管路：对ABD管路： 分叉管路水力计算的基本公式（2）满足连续方程。 例6.3.4水电站引水钢管在点B分出两个支管，供两台水轮机用水，如图所示。干管长l为40m，直径d为400mm，支管长l1为55m，直径d1为200mm；支管长l2为60m，直径d2为200mm，粗糙系数按清洁管考虑取n为0.011。求各台机组所通过的流量Q1及Q2。 沿程均匀泄流管路管路单位长度上泄出的流量相等。距管末端为x的断面M处的流量管路末端流出的流量称为转输流量Qt;单位长度均匀泄出的流量为q。 沿程均匀泄流管路水力计算的基本公式流量沿程变化，管中水流是非均匀流，不能直接用均匀流公式计算水头损失。 折算流量若转输流量Qt=0（流量全部沿程均匀泄出）此时，均匀泄流管路的沿程水头损失，等于全部泄出的流量集中在末端泄出时的沿程水头损失的三分之一。 沿程均匀泄流管路的总水头线沿程均匀泄流管路流量沿程减少，流速沿程减小，总水头线是一条坡度逐渐变缓的曲线。 例6.3.5由水塔供水的输水管路,如图所示。全管路包括三段,中间AB为沿程均匀泄流管路,每米长度上连续分泄的流量q=0.1L/s,第一段和第二段管接头处要求泄出流量Q1=15L/s,第三段管末端的流量Qt=10L/s,各管段的长度和直径分别为l1=300m,l2=200m,l3=100m,d1=200mm,d2=150mm,d3=100mm,管路均为铸铁管,试求需要的水头H。 由公式计算或查表6.3.1得流量模数为d1=200mm,d2=150mm,d3=100mm,'