水力学第6章管道.ppt

第第6压压本章研究内容：本章研究内容：1. 有有压管道恒定流：管道恒定流： 短管水力短管水力计算算: 流量，流量，测压管管线绘制制 长管水力管水力计算算：：并并联，串，串联2. 有有压管道非恒定流：管道非恒定流： 水水击现象及象及简单水力水力计算算  6.1 概概 述述1. 有有压管道管道：：整个断面均被液体充整个断面均被液体充满没有自由液面没有自由液面、、 管壁管壁处处受到水受到水压力作用、管中力作用、管中 液体的液体的动水相水相对压强不不为零的管道零的管道 管中水流称管中水流称为有有压管流管流2. 管流管流: 无无压管流管流→→明渠明渠 有有压管流管流→→满管液流，无自由液面管液流，无自由液面3. 短管、短管、长管管 短管短管: hj 和和 与与 hf 相比不能忽略，相比不能忽略， 须同同时考考虑 的管道。

的管道 长管：管： hf 起主要作用起主要作用，， hj和和 可以忽可以忽 略的管道略的管道,(<5% hf).4.自由出流、淹没出流自由出流、淹没出流 自由出流自由出流: 液流出口流入大气的出流液流出口流入大气的出流 淹没出流：液流出口淹没在下游水面以淹没出流：液流出口淹没在下游水面以 下的出流下的出流 自由出流自由出流淹没出流淹没出流5. 孔口、管嘴出流孔口、管嘴出流 孔口出流：在盛有液体的容器孔口出流：在盛有液体的容器侧壁或底部壁或底部 开一孔口，液体开一孔口，液体经孔口流出，孔口流出， 称称为孔口出流孔口出流 管嘴出流：管嘴出流：w在孔口上装一段在孔口上装一段长度度为3～～4倍孔径的短管，倍孔径的短管，称称为管嘴管嘴w液体液体经过管嘴并在出管嘴并在出口断面口断面满管流出管流出，称，称管嘴出流管嘴出流  w孔口、管嘴出流的特点：孔口、管嘴出流的特点：w局部水局部水头损失起主要作用，沿程水失起主要作用，沿程水头损失失可以忽略不可以忽略不计。

6.2.1 总水头线和测管水头线的绘制总水头线和测管水头线的绘制6.2 6.2 短管的水力计算短管的水力计算总水头线和测管水头线的绘制总水头线和测管水头线的绘制w测压管水头线测压管水头线w总水头线总水头线w原则：原则：w总水头线总水头线总是沿程下降的，而总是沿程下降的，而测压管水头线测压管水头线沿程沿程可升可降可升可降w局部水头损失局部水头损失:集中图示在边界突然变化的断面上集中图示在边界突然变化的断面上 在在绘制制总水水头线和和测管水管水头线时，有以下几种，有以下几种 情况可以作情况可以作为控制条件：控制条件： (1) 上、下游水面上、下游水面线是是测管水管水头线的起始、的起始、终止止 线 (2) 进口口处有局部有局部损失，集中失，集中绘在在进口口处，即，即总 水水头线在此降落在此降落 (3) 出口出口为自由出流自由出流时，管道出口断面的，管道出口断面的压强为 零，零，测管水管水头线终止于出口断面中心止于出口断面中心 (4) 出口若出口若为淹没出流淹没出流，下游水面是，下游水面是测管水管水头线 的的终止止线  w 自由出流自由出流 w 淹没出流淹没出流淹没出流淹没出流淹没出流淹没出流 v v0202 不为零测压管线的位置分析不为零测压管线的位置分析列列X X方向的动量方程式方向的动量方程式( (参见第四章参见第四章) )化简整理得：化简整理得：测压管线不变测压管线不变测压管线上升测压管线上升淹没出流淹没出流 w 若绘制虹吸管的总水头线和测管水头线，其测管水头线位于管轴线以下的区域，为真空发生区。

6.2.2 出流公式出流公式 –流量流量1. 自由出流自由出流 总水头总水头H0则其中，其中， 为管道流量系数，管道流量系数，（管径不变）2. 淹没出流淹没出流则其中，其中， 为管道流量系数管道流量系数6.2.3 短管的水力短管的水力计算算举例例 1 . 虹吸管的水力虹吸管的水力计算算 虹吸管虹吸管是指有一段管道高出上游液面，而出口低于是指有一段管道高出上游液面，而出口低于上游液面的管道上游液面的管道虹吸管的水力计算虹吸管的水力计算主要是：确定虹吸主要是：确定虹吸管的流量以及确定管的流量以及确定虹吸管顶部的允许虹吸管顶部的允许安装高度安装高度 w例例6.1 某渠道用直径某渠道用直径d = 0．．5m的的钢筋混凝土虹吸管筋混凝土虹吸管从河道引水灌从河道引水灌溉，如，如图所示河道水位所示河道水位为120.0 m，，渠道水位渠道水位为119.0 m虹吸管各段虹吸管各段长度度为10m，，6m，，12m沿程水头损失系数均失系数均为0.027.进口装口装滤水网，水网，无底无底阀，，ζ=2．．5，管的，管的顶部有部有60度的折角度的折角转弯两个，弯两个，每个弯每个弯头ζ=0.55。

求：求：(1)虹吸管的流量；虹吸管的流量；(2)当虹吸管内最大允当虹吸管内最大允许真空真空值为7.0m时，虹吸管的最大安装高度，虹吸管的最大安装高度. (1)计算虹吸管的流量算虹吸管的流量 列断面列断面1，，3的能量的能量方程或采用淹没出流方程或采用淹没出流(2)最大安装高度最大安装高度 列断面列断面1，，2的能的能量方程：量方程：为确保虹吸管正常工作，工程上常限制管为确保虹吸管正常工作，工程上常限制管中的最大真空高度，不超过中的最大真空高度，不超过7m水柱 2. 水水泵的水力的水力计算算 水水泵的作用是增加水流能量，把水从低的作用是增加水流能量，把水从低处引引向高向高处，，图所示所示为装有水装有水泵的供水系的供水系统 例例 6.2 水水泵的水力的水力计算算 有一水有一水泵将水抽至水塔，如将水抽至水塔，如图所示已知，水所示已知，水泵的流量的流量为Q Q=0.03 ,z=20m,=0.03 ,z=20m,吸水管吸水管长 =12m=12m，管径，管径d1d1=15cm=15cm，，压水管水管长 =100m=100m，管径，管径d2d2=15cm=15cm，管的沿，管的沿程水程水头损失系数失系数λλ=0.024=0.024，水，水泵允允许真空真空值为6.0m6.0m水水柱高，局部水柱高，局部水头损失系数分失系数分别为：：ζζ进口口=6.0=6.0，， ζζ弯弯头=0.8,=0.8, ζ ζ阀阀=0.1=0.1。

求（求（1 1）水）水泵的的扬程程h hp p；；(2(2 ）水）水泵的最大安装高度的最大安装高度h hs s解：解：解：解：6.3 长管的水力计算长管的水力计算6.3.1 简单管道的水力计算简单管道的水力计算w 直径不变没有分支的管道称为直径不变没有分支的管道称为简单管道简单管道是（长管）（长管）中最基本的情形中最基本的情形 长管的水头长管的水头H全部消耗于沿程水头损失全部消耗于沿程水头损失hf上谢才公式谢才公式简单管道的水力计算简单管道的水力计算给水工程中给水工程中 ，，α称为比阻比阻的物理意义是：单位流量称为比阻比阻的物理意义是：单位流量( (Q Q=1)=1)，，通过单位管长通过单位管长( (l l=1)=1)所需要的水头所需要的水头S S 称为水管摩阻称为水管摩阻6.3.2 串串联管道管道串串联管道管道: 由直径不同的由直径不同的简单管道串管道串联而成的管道而成的管道 水水头等于各段水等于各段水头损失之和失之和   6.3.3 并联管道并联管道并联管道并联管道: 由直径不同的简单管道并联而成的管道。

由直径不同的简单管道并联而成的管道 每段管道的水头差是相等每段管道的水头差是相等  6.3.4 沿程泄流管道沿程泄流管道w 在工程中常有在工程中常有这样的情况，水在沿管的情况，水在沿管轴方向方向流流动的同的同时，，还从管从管侧壁上壁上连续地有流量泄地有流量泄出，出，这种管道称种管道称为沿程泄流管道沿程泄流管道如灌如灌溉工程中的工程中的人工降雨管道人工降雨管道或或给水工程中水工程中的的滤池冲洗管池冲洗管 滴灌节水技术滴灌节水技术C C点流量点流量 Q D D点流量点流量CDCD段泄流量段泄流量dx距离内水距离内水头降落降落值为 若若QT =0，则可可见，在，在连续均匀泄流均匀泄流时，所需水，所需水头只有管只有管道道 末端通末端通过相同流量相同流量时所需水所需水头的三分之一的三分之一 6.4　有压管道非恒定流简介　有压管道非恒定流简介w水水击（水（水锤））：在有：在有压管路中，由于某种外界原因使管路中，由于某种外界原因使得流速得流速发生突然生突然变化，从而引起化，从而引起压强急急剧升高和降低的升高和降低的交替交替变化，化，这种水力种水力现象成象成为水水击（水（水锤）。

w需要考需要考虑：水的：水的压缩性、管壁的性、管壁的弹性性产生原因产生原因：（输水、输气管道）：（输水、输气管道）1 1 阀门突然关闭阀门突然关闭2 2 水泵突然启闭水泵突然启闭蜗壳轴流式水力发电机蜗壳轴流式水力发电机研究内容：研究内容：6.4.1 6.4.1 水击现象传播过程水击现象传播过程6.4.2 6.4.2 水击分类水击分类w6.4.1　水　水击现象象传播播过程程增压逆波，减压顺波，减压逆波，增压顺波Δp 以以阀阀门门突突然然关关闭闭为为例例，，将将有有一一个个增增压压、、增增密密度度、、增增管管道道断断面面积积、、减减流流速速的的过过程程从从阀阀门门向向上上游游传传播播，，压压强强、、流流速速、、密密度度、、管管道道断断面面积积的的间间断断面面在在管管道道中中运运动动，，这这就就是是水击波6.4.16.4.1　水击现象传播过程　水击现象传播过程阶段时段速度变化流速方向 压强变化水击波传播方向运动状态 液体状态0

在在减减压压波波传传播播过过程程中中，，管管壁壁和和液液体体密密度复原，提供流向水库的水量度复原，提供流向水库的水量时刻t=L/c阶段时段速度变化流速方向 压强变化水击波传播方向运动状态 液体状态BALv0cH Hv=0L/c

在在增增压压波波传传播播过过程程中中，，管管壁壁和和液液体体密度复原，吸纳从水库进入的水量密度复原，吸纳从水库进入的水量阶段时段速度变化流速方向 压强变化水击波传播方向运动状态 液体状态BALv0cH Hv=03L/c

阀门全开时，管中初始流速阀门全开时，管中初始流速v0=1.83m/s水击波波速波速c=1000m/s，试分别计算阀门完全关闭时间，试分别计算阀门完全关闭时间TS1=2.5s和和TS2=8.0s时，在阀门处产生的最大水击压强值时，在阀门处产生的最大水击压强值 解：解： 水击波的相长水击波的相长 为直接水击为直接水击由直接水击压强公式由直接水击压强公式 为间接水击为间接水击w由间接水击压强公式由间接水击压强公式 水锤应用水锤应用水锤泵（）水锤泵工作原理水锤泵工作原理 w水水锤泵工作原理工作原理 水水锤泵工作前，排水工作前，排水阀在磁隙在磁隙弹簧作用下簧作用下处于开启状于开启状态，，输水水阀在磁隙在磁隙弹簧和自身重量作用下簧和自身重量作用下处于关于关闭状状态开机时人人为控制排水控制排水阀进行开启行开启→关关闭→开启开启→关关闭往复运作几次后，往复运作几次后，水水泵就能自就能自动运行。

开机后，有一定落差的水通运行开机后，有一定落差的水通过进水管水管经打打开的排水开的排水阀向外流出，当排水向外流出，当排水阀内内侧的的压力增加至大于排水力增加至大于排水阀磁隙磁隙弹簧簧压力力时，流，流动着的水就推着的水就推动排水排水阀迅速关迅速关闭，即，即发生生水水锤现象此时泵内的水内的水压力急力急剧上升，迫使上升，迫使输水水阀开，部分开，部分水被水被压入入缓冲筒排水冲筒排水阀内内侧压力迅速下降，排水力迅速下降，排水阀在磁隙在磁隙弹簧和簧和负压作用下重新打开，作用下重新打开，输水水阀在自身重量、磁隙在自身重量、磁隙弹簧簧压力力及及缓冲筒空气室内水冲筒空气室内水压力的作用下重新关力的作用下重新关闭在水流的作用下，在水流的作用下，上述上述动作周而复始地自作周而复始地自动运行当缓冲筒内的水冲筒内的水压强增加到大增加到大于于扬水管内的水管内的压力力时，水就从出水口流出来水就从出水口流出来 w孔口、管嘴出流的特点：孔口、管嘴出流的特点： 局部水局部水头损失起主要作用失起主要作用，沿程水，沿程水头损失可失可以忽略不以忽略不计 w薄壁小孔口的自由出流薄壁小孔口的自由出流 收缩系数收缩系数 流量系数流量系数 w由实验测定，对于完善收缩的薄壁圆形小孔口，由实验测定，对于完善收缩的薄壁圆形小孔口，  w完善收完善收缩:w凡孔口与相凡孔口与相邻壁面或液面的距离壁面或液面的距离w 大于或等于同方向孔口尺寸的大于或等于同方向孔口尺寸的w3倍倍(l≥3a及及l≥3b) w 孔口淹没出流孔口淹没出流 w和自由出流比较：形式一样和自由出流比较：形式一样管嘴的恒定出流管嘴的恒定出流管嘴的恒定出流管嘴的恒定出流管嘴的基本型式：管嘴的基本型式：圆柱形外管嘴、柱形外管嘴、圆柱形内管嘴、柱形内管嘴、 圆锥形收形收敛管嘴、管嘴、圆锥形形扩张管嘴管嘴 流流线形管嘴形管嘴。

w  w圆柱形外管嘴的恒定出流圆柱形外管嘴的恒定出流 w w 流量系数流量系数 圆柱形外管嘴的真空现象圆柱形外管嘴的真空现象 以以0—0为基准面，对收缩断面为基准面，对收缩断面c-c和出口断面和出口断面2-2列能量方程列能量方程其中：借用突然扩大局部损失公式其中：借用突然扩大局部损失公式则则 孔口和管嘴的流量系数各为孔口和管嘴的流量系数各为0.62和和0.82，可见在同，可见在同样的水头和直径条件下，管嘴的流量大，是孔样的水头和直径条件下，管嘴的流量大，是孔 口口的的1.33倍 这是由于收缩断面处真空的作用相当于这是由于收缩断面处真空的作用相当于 把管嘴的作用水头增加了把管嘴的作用水头增加了75％％ 真空高度不能太大，须真空高度不能太大，须≤7m水柱水柱。