第5章孔口管嘴管路流动(建环12).ppt

1,第5章 孔口、管嘴管路流动,5.1 孔口出流（orifice）,5.2 管嘴出流,5.3 简单管路,5.4 管路的串联与并联,5.5 有压管路中的水击,,管路流动,,孔口出流的分类,孔口自由出流：,孔口淹没出流：,液体经孔口流入大气液体经孔口流入液体；气体经孔口流入气体流体经容器壁上孔口流出的现象孔口出流：,5.1.1 孔口出流及其分类,孔口出流的分类,孔口自由出流：,孔口淹没出流：,液体经孔口流入大气液体经孔口流入液体；气体经孔口流入气体薄壁孔口：,厚壁孔口：出流流股与孔口壁有一定范围的接触面出流流股与孔口壁仅一条周线接触小孔口：,大孔口：,,,孔口恒定出流：出流情况不随时间变化,孔口非恒定出流：出流情况随时间变化,孔口出流计算时只考虑局部能量损失，沿程损失忽略不计5.1.2 孔口自由出流的计算,设一薄壁小孔口自由出流：,列能量方程：,令,为作用水头，是促使出流的全部能量关于自由出流的作用水头H 0：,上游为自由液面：,上游为有压容器：,,则,令收缩断面面积：,孔口自由出流基本公式,圆形薄壁孔口：,根据四周的流线是否全部发生弯曲分为: 全部收缩孔口和非全部收缩孔口.,μ—全部收缩时孔口的流量系数； S—未收缩部分周长； X—孔口全部周长； C—系数，圆孔时取0.13，方孔时取0.15,全部收缩孔口和非全部收缩孔口,,,,,,,I,II,III,IV,V,a,b,l13a,l13a,l23b,l23b,l23b,l13a,全部收缩的水股根据边壁对流线弯曲有无影响分为：完善收缩和不完善收缩.,II:孔的周边离侧壁的距离大于3倍孔口在该 方向的尺寸，即l13a, l23b.此时出流流线弯曲率最大，收缩的最充分，为全部完善收缩。

I，III：不满足上述条件时，孔口将减弱流线的弯曲，减弱收缩，使ε和μ的值增大不完善收缩的μ ''的计算公式为,μ—全部完善收缩时孔口的流量系数； A—孔口面积； A0—孔口所在壁的全部面积；,适用条件：孔口处在壁面的中心位置各方向上影响不完善收缩的程度趋于一致,完善收缩和不完善收缩,5.1.3 孔口淹没出流的计算,列断面1和断面2的伯努利方程：,ζse：水流自收缩断面扩大至下游断面的局部阻力系数,,孔口淹没出流基本公式,圆形薄壁孔口：,孔口淹没出流与孔口自由出流的流量公式形式完全相同，在孔口相同的情况下流量系数也相等，区别仅在于作用水头H0的表达式不同关于淹没出流的作用水头H 0：,上下游为自由液面：,上游为有压容器：,气体出流一般为淹没出流，流量计算公式为：,孔板流量计,μo——孔板流量计系数，由实验测定例：房间顶部设置夹层，把处理过的清洁空气用风机送入夹层中，并使层 中保持300Pa的压强，清洁空气在此压强作用下，通过孔板向房间流出，这 就是孔板送风，如图所示求每个孔口的流量及速度孔的直径为1cm解：从手册中查孔板的流量系数、速度系数和空气密度:,Δp=300Pa,14,第5章 孔口、管嘴管路流动,5.1 孔口出流,5.2 管嘴出流（nozzle）,5.3 简单管路,5.4 管路的串联与并联,5.5 有压管路中的水击,,在孔口上对接长度为(3～4)d的圆管，流体通过短管在出口断面满管流出的现象称为圆柱形外管嘴出流。

管嘴出流的能量损失只考虑局部损失，沿程损失可忽略5.2.1 圆柱形外管嘴出流,列 A-A 和 B-B 断面伯努利方程,令,为作用水头,,管嘴自由出流基本公式,圆柱形外管嘴：,孔口与管嘴计算公式具有相同的形式，作用水头相同时，圆柱形管嘴的流量是圆形孔口流量的1.32倍，原因在于收缩断面形成了真空列 C-C 和 B-B 断面伯努利方程,根据连续性方程,根据圆管突然扩大阻力系数计算式：,圆柱形外管嘴的真空值,整理伯努利方程式得,代入得,管嘴收缩断面处的真空相当于把孔口的作用水头增大了75％②,圆柱形外管嘴正常工作条件,流线形管嘴,适应于要求流量大， 水头损失小，出口 断面上速度分布均 匀的情况收缩圆锥形管嘴,扩大圆锥形管嘴,适应于要求加大喷 射速度的情况适应于要求将部分 动能恢复为压能的 情况5.2.2 其他类型管嘴出流,其他类型管嘴出流，速度、流量计算公式与圆柱形外管嘴相同，但流量系数不同5-4 液体从密封的立式容器中经管嘴流入开口水池，如图所示，管嘴直 径8cm，h=3m,要求流量为5 ×10-2m3/s求作用于容器内液面的压强是 多少？,解：按管嘴出流流量公式,取μn=0.82,在图中所给的条件下，忽略上下游液面的速度，则,0,0,p0,h,H1,H2,pa,22,第5章 孔口、管嘴管路流动,5.1 孔口出流,5.2 管嘴出流,5.3 简单管路,5.4 管路的串联与并联,5.5 有压管路中的水击,,管路流动,管路流动——有压管流,简单管路,管路的串联与并联,管网,有压管路中的水击,——复杂管路的基本单元，计算基础,——有压管路中的特殊水力现象,,,,5.3 简单管路 （pipe flow）,,,,,,,,,,,,,,,1,1,2,2,,,0,0,v,,,,H,将,代入上式:,列1-2断面能量方程,自由出流：,令,则,称为管路阻抗,淹没出流：,,,淹没出流：,淹没出流与自由出流的基本公式相同，管路阻抗表达式略有差异：,自由出流：,管路阻抗,,管路阻抗,对于气体管路（例如空调、通风管）：,习惯上，将自由出流中的 并入 中，将自由出流和淹没出流的公式统一写成：,管路阻抗,对于给定的管路，管路阻抗是一个常数，综合反映了管路上沿程阻力和局部阻力情况。

简单管路中，总阻力损失与流量的平方成正比说明水泵的水头（扬程）不仅用来克服流动阻力，还用来提高液体的位置水头和压强水头，使之流到高位压力水箱中例1 水泵向高位压力水箱送水,虹吸管是一种压力管路，顶部弯曲且其高程高于上游供水水面其优点在于能跨越高地，减少挖方例2 虹吸管（siphon）,问题一：虹吸管的流量计算,列 1-2 断面伯努利方程:,令：,,为虹吸管的总长度,为管路阻抗,令：,虹吸管流量计算公式,若：,则：,,由于虹吸管部分管段高于自由液面，因此部分管段存在真空；,真空度过大造成部分管段中液体发生汽化，阻碍液体运动或造成断流因此为保证虹吸管正常工作，工程上限制管内最大真空度不能超过允许值,最大真空度发生在虹吸管的最高点断面，虹吸管最高点高出上游水面的距离称为安装高度hmax：,,,问题二：虹吸管的最大安装高度,若输送的液体为水：,整理后得,列 1-C 断面伯努利方程,为保证虹吸管能正常工作，对安装时的最大安装高度和工作水头都提出了限制要求求最高点断面的真空值,水泵吸水管水力计算的目的主要是为确定泵的安装高度，即泵轴线在吸水池水面以上的高度Hs为防止水泵发生气蚀破坏，水泵进口断面的真空度是有限制的，由此决定了水泵的安装高度必须满足一定的限制条件。

为水泵进口断面的真空高度,例3 水泵吸水管的水力计算,水泵进口断面的真空高度不能超高允许值（允许吸水真空高度）：,因此水泵允许的最大安装高度：,水泵的允许吸水真空高度 是水泵的主要性能指标之一，通常在水泵出厂时由水泵厂根据实验给出，据此可确定水泵允许的最大安装高度35,第5章 孔口、管嘴管路流动,5.1 孔口出流,5.2 管嘴出流,5.3 简单管路,5.4 管路的串联与并联,5.5 有压管路中的水击,,节点流量平衡：,阻力损失叠加：,,,串联管路：多个简单管路首尾相接而成的管路系统管段连接之点称为节点记通过各管段的流量分别为 Q1、Q2……,5.4.1 串联管路（pipes in series）,无中途分流或合流时：,无中途分流或合流的串联管路，各管段流量相等，总的阻力损失等于各管段损失叠加，总管路阻抗等于各管段阻抗之和为串联管路的总阻抗,,5.4.2 并联管路（pipes in parallel ）,并联管路：两节点之间首尾并接两根以上的管路系统节点流量平衡：,并联的各管段阻力损失相等：,,并联管路流量分配关系：,并联管路总阻抗与各管段阻抗的关系：,或,S表示并联管道的总阻抗，Q为A到B的总流量。

上式反映了并联管道中各支管流量与总流量间的关系例：某两层楼的供暖立管，管段1的直径为20mm，总长为20m，Σζ1=15管道 2的直径为20mm，总长为10m， Σζ2=15，管路的λ=0.025，干路中的流量 QV=1 ×10-3m3/s，求QV1 和QV2解：对于并联管路:,求S1, S2,1,2,QV,QV,a,b,,41,第5章 孔口、管嘴管路流动,5.1 孔口出流,5.2 管嘴出流,5.3 简单管路,5.4 管路的串联与并联,5.5 有压管路中的水击,,,,,,,5.5.1 水击现象,在有压管道中运动的液体，由于某种原因（例如阀门或水泵突然关闭），流速突然发生变化，引起压强骤然变化的现象，称为水击，又叫水锤c,以水管末端阀门突然关闭为例阀门关闭前，水流以 v0 在管道中流动时, 忽略流速水头与能量损失, 各断面的压强均为 p0.,,,阀门突然关闭时，最靠近阀门处的水速度由v0 变成 0,根据质点系动量定理，动量变化等于外力的冲量,水流的压强增至 p0 +Δp, Δp 称为水击压强.,水击以波的形式传播，又称为水击波.,,以水管末端阀门突然关闭为例分析水击波的传播过程,m点,原状,初始时刻 （t=0）,v0,,,,,,,,,,,,,,,H,第一阶段,M,m,减速增压,压缩,,v=0,,n,m点,压缩,,,,,,,,,,,,,,,,H,第一阶段末,M,m,,v=0,,,,,,,,,,,,,,,,H,第二阶段,M,m,,v=0,减速减压,恢复原状,,,,,,,,,,,,,,,H,第二阶段末,M,m,v0,,M点,原状,v0,,,,,,,,,,,,,H,第三阶段,M,m,,v=0,,增速减压,膨胀,m点,膨胀,,,,,,,,,,,,,,,H,第三阶段末,M,m,,v=0,增速增压,恢复原状,,,,,,,,,,,,,,,H,第四阶段,M,m,,v=0,,,,,第四阶段末管道中的状态与初始时刻阀门突然关闭瞬时的流动状态相同，此后液体在可压缩性及惯性作用下，重复上述过程。

M点,原状,,,,,,,,,,,,,,H,第四阶段末,B,A,v0,,水击演示,上述四个阶段称为水击波的一个传播周期一个周期中，水击波在全管长上来回传播两次水击波将按上述周期传递、反射，水流方向来回变动，周而复始水流的阻力损失、管壁和水因变形做功逐渐消耗水击能量，水击波逐渐衰减，经若干次传播后能量耗尽，水击现象方才停止水击波的传播速度与水的压缩性和管壁的弹性变形有关：,5.5.2 水击波的传播速度,①,阀门开始关闭时发出的水击波的反射波回到阀门以前，阀门已经完全关闭，这种水击称为直接水击儒科夫斯基公式,以上分析水击传播过程时假定阀门在瞬间突然关闭但实际上阀门关闭有一个过程，记阀门关闭时间为Ts，TS与水击波在全管长度上来回传递一次所需时间相比，存在以下两种关系：,直接水击压强最大值：,5.5.3 水击压强的计算,阀门开始关闭时发出的水击波的反射波，在阀门完全关闭之前，已经返回阀门断面，随之变为负的水击波向管道进口传播该负的水击波与阀门继续关闭所产生的正水击波相叠加，使水击压强减小，这种水击称为间接水击②,②限制流速:,例如给水管网中，限制流速,①控制阀门关闭或开启时间，避免产生直接水击，同时也可降低间接水击压强；,③缩短管道长度、采用弹模较小的管道,④设置安全阀或调压井，这样在水击发生瞬间可以将部分液体从安全阀放出，或把部分空气引入管路中，防止管路中的压强升高太多或减小太多。

水击危害较大，当压强增加时，容易将管道胀破发生爆管，当压强降低时，管道容易被大气压扁5.5.4 防止水击危害的措施,。