水力学第五章 工程应用

'有压管流第五章工程应用§5.1有压管流一、有压管流的概念●有压管流水沿管道满管流动的水力现象。特点：工程中的典型流动，是输送液体和气体的主要方式；液体充满管道过水断面，不存在自由表面；管壁各点压强一般不等于大气压强；水头损失包括沿程、局部两类水头损失。●长管和短管为简化计算，工程上按两类水头损失占总①长管：在管路中沿程水头损失为主，局部损失很小，计算中可忽略不计。②短管：两类水头损失均占有相当比重，计算中两者都不可忽略。③判别：一般情况下，用L/d的比值同1000比较加以判别。水头损失的比例的不同，将管道划分为长管和短管。为长管，否则为短管 短管的自由出流二、短管的水力计算●自由出流H2121OO根据短管自由出流示意图，取1—1和2—2的过水断面，应用能量方程：水头损失为沿程、局部损失之和：令得：∴取，代入上式并整理得：为短管的流量系数考虑行进流速一般很小，∴故有简写公式： 短管的淹没出流●淹没出流2121HOO根据短管淹没出流示意图，取1—1和2—2的过水断面，应用能量方程：令得：水头损失为沿程、局部损失之和：因为：∴∴∴∴取：（行进流速很小）∴ 短管水力计算问题●短管水力计算问题①已知管道长度，管径，沿程阻力系数，局部水头损失的组成和作用水头，求管路通过的流量。求解过程：能量方程流量流速损失的组成，求作用水头。②已知管路流量，管长，管径，沿程阻力系数，以及局部水头求解过程：流量流速水头损失作用水头③已知管路流量，作用水头，沿程阻力系数，局部水头损失的组成，设计管道直径。求解出管径。求解过程：根据短管流量方程，将相应物理量以管径为参数，代入，得到关于得高次方程，运用数值计算的方法，可以④虹吸管和水泵装置的水力计算求解过程：根据流量方程，计算流量；根据流量方程，确定跨越高度或最高点真空度（<7m）；计算水泵功率，确定电机功率。 长管中的简单管路三、长管的水力计算●简单管路简单管路是指管道直径和流量沿程不变且没有分支的管路。1212OOH根据简图，在过水断面1—1和2—2运用能量方程：长管的局部水头损失和出口流速水头忽略不计，即行进流速很小，也忽略不计，则：令：得：为管道比阻，指单位流量通过单位长度管道的水头损失。令：则：通过某管道的水头损失。为管道摩阻，指单位流量工程计算中，长管的水头损失通常采用经验公式，即根据流速，确定，再计算。 串联管路●并联管路●串联管路由流量不同或直径不同的几根简单管段一次连接的管路。若管路中没有分支，则：∴管路中的总水头损失为：若管路中在简单管段连接处（节点）有流量进出，根据连续方程有：两根或两根以上简单管段的起点和终点相同的管路或在两个节点之间连接两根或两根以上的管段。其水力特征是所有并联管段的水头损失相等。即：设并联管路中的总流量为，摩阻为，则有：∴ 明渠的几何特性§5.2明渠恒定流动一、明渠的几何形状●明渠流动：水流在人工修建或自然形成的沟槽或河渠中的流动。明渠流动具有与大气相接的自由表面，相对压强为零，也称为无压流动。●几何形状①明渠的底坡将明渠渠底线在单位长度内的高程差称为明渠的底坡，代表了渠底的倾斜程度。顺坡：逆坡：平坡：②横断面横断面有：梯形、矩形、半圆形、圆形等③过水断面几何要素导出量：边坡系数：底宽：水深：水面宽：过水断面面积：湿周：水力半径： 明渠均匀流特征二、明渠均匀流●明渠均匀流的特征过水断面形状和大小沿程不变过水断面水深、流速分布沿程不变流动中的水头损失只有沿程水头损失总水头线、测压管水头线（水面线）、取底坡线三线平行，即：●形成条件明渠为直的棱柱形渠道，且底坡为顺坡。即>0，也被称为重力流。水流恒定，流量保持不变，沿程无支流汇入和分出。渠道边界的粗糙程度沿程不变，且没有其它建筑物引起的局部干扰。●明渠均匀流基本公式计算中常采用经验公式计算舍齐系数C。当渠道断面、底坡及渠中流量确定后，在渠道中形成均匀流的水深称为正常水深，用表示。 水力最优断面和允许流速●水力最优断面当渠道流量（输水能力）一定时，过水断面面积最小的形状为水力最优断面。对于面积确定的过水断面，湿周最小的形状为水力最优断面。实际工程中，钢筋混凝土或钢丝网水泥槽常采用的断面形状底部为半圆形的U形断面。而土方工程中常采用矩形或梯形断面。对于土方工程中的断面，当边坡系数确定后，宽深比与过流能力有关，由此可以确定水力最优断面参数的关系：考虑土质、施工及其它条件，“水力最优”并不等于“技术经济最优”，工程实际中采用的断面形状通常为后者。●允许流速为确保渠道长期稳定地通水，应设计渠道流速在一定的范围内，即：为渠道不被淤积的最小流速，即不淤允许流速。为渠道不被冲刷的最大流速，即不冲允许流速。 明渠非均匀流的流态三、明渠非均匀流●明渠的流动状态水流为缓流干扰波可向上、下游传播水流为临界流干扰波在上游形成驻点，干扰波为驻波水流为急流干扰波只能向下游传播●临界水深在渠道断面形状、尺寸和流量一定的条件下，明渠水流为临界流状态时对应的水深为临界水深。用表示。设渠道中的实际水深为：则有：水流为缓流水流为急流水流为临界流 临界底坡●临界底坡有明渠均匀流可知，正常水深与流量、断面形状及尺寸、底坡和糙率有关，若只改变底坡，则也随之变化，曲线如图所示。当时，对应的底坡称为临界底坡。缓坡陡坡实际底坡与临界底坡的关系：为缓坡为陡坡为临界坡当水流处于均匀流状态时，若：则：水流为缓流则：水流为急流则：水流为临界流需要说明的是，对于同一条渠道，当流量发生变化后，也随之变化，从而引起的变化，导致缓坡或陡坡也相应变化。 水跃和水跌●水跃明渠水流由急流过渡到缓流，水面骤然跃起，在较短的渠段内水深从小于临界水深急剧地跃到大于临界水深的局部水力现象。在闸门、坝及陡槽等泄水建筑物的下游常有水跃发生。利用水跃发生时会消耗大量机械能的特性，工程中常利用水跃消除泄水建筑物下游高速水流的巨大动能。●水跌明渠水流从缓流过渡到激流，水深由大于临界水深变为小于临界水深，水面急剧降落的局部水力现象。水跌常发生在渠道底坡由缓坡突然变为陡坡，或缓坡渠道末端有跌坎，或水库水流进入陡坡渠道及坝顶溢流处。'