工程流体力学：第五章_有压管道的恒定流.ppt

第五章 有压管道的恒定流,51 液体经薄壁孔口的恒定出流 52 液体经管嘴的恒定出流 53 短管的水力计算 54 长管的水力计算,有压管流 ： 水沿管道 满管流动 的水力现象 在有压管流中，整个过水断面均被水流所充满，管内水流没有自由液面，管道边壁处处受到液体压强的作用，且压强的大小一般不等于当地大气压强 有压管流分 恒定流与 非恒定流51 液体经薄壁 孔口的恒定出流,薄壁孔口 在容器壁上开一孔口，壁的厚度对水流现象没有影响，孔壁与水流仅在一条周线上接触 若dH10，这种孔口称为 小孔口，可认为孔口断面上各点的水头都相等 若dH/10，则称为 大孔口流线不能成折角地改变方向，只能逐渐光滑、连续地弯曲，因此在孔口断面上各流线互不平行，而使水流在出口后继续形成收缩，直至距孔口约为d2处收缩完毕，流线在此趋于平行，这一断面称为 收缩断面1小孔口的自由出流,自由出流 孔口流出的水流 进入空气中能量方程(伯努利方程)： 选择通过孔口形心的水平面为 基准面； 取水箱内符合渐变流条件的 断面0-0 与 收缩断面C-C ；,式中 Ho作用水头； o水流经孔口的局部阻力系数； 流速系数若不计水头损失，则,：收缩断面的实际液体流速vc对理想液体流速 的比值。

水流经孔口的局部阻力系数 c/=称 侧收缩系数上式为薄壁小孔口自由出流的水力基本关系式 薄壁小孔口，在全部，完善收缩时 流量系数：,实验得孔口流速系数,适用上式， Ho为大孔口中心的水头， 中较大 在水利工程中，闸孔出流可按大孔口出流计算，其流量系数列于表51中2大孔口的自由出流,52 液体经管嘴的恒定出流,收缩断面C-C处水流与管壁分离，形成漩涡区；在管嘴出口断面上，水流已完全充满整个断面1圆柱形外管嘴的恒定出流,圆柱形外管嘴： 在孔口断面处接一直径与孔口直径完全相同的圆柱形短管，其长度L=(34)d列 管嘴为自由出流时的 伯努利方程以通过管嘴断面形心的水平面为 基准面；对 断面0-0 和 管嘴出口断面 b-b列方程式中 hw 为管嘴的水头损失，等于进口损失与收缩断面后的 扩大损失之和(管嘴沿程水头损失忽略)，也就是相 当于管道锐缘进口的损失情况 n管嘴阻力系数，即管道锐缘进口局部阻力系数， 一股取n =05； 管嘴流速系数,n管嘴流量系数，因出口无收缩，故,则,两式形式完全相同，但 n /=(082062)132 即：在相同水头作用下，同样断面大小的 管嘴，其出流能力是孔口 出流能力的132倍。

在实践中常把管嘴作为泄水管小孔口的自由出流:,圆柱形外管嘴的恒定出流:,比 较,选择通过管嘴断面形心的水平面为 基准面； 对收缩断面C-C与出口断面b-b间列出能量方程 (注：各断面的压强以绝对压强表示)：,2圆柱形外管嘴的真空 孔口外面加接管嘴后，增加了阻力，但是流量反而增加的原因是什么? 由于 管嘴水流的收缩断面处其相对压强出现了负值，即出现了真空值的作用所致即,上式表明： 圆柱形外管嘴收缩断面处的真空度(mH2O)可达到作用水头(mH2O)的0756倍， 相当于把管嘴的作用水头增大了75.6 这就是在相同直径、相向作用水头下的圆柱形外管嘴的出流流量比孔口大的原因5-3 短管的水力计算,根据 沿程水头损失 与 局部水头损失 在总水头损失中所占比重的大小，而将有压管道分为 短管 及 长管 两类 短管： 管路的总水头损失中， 沿程水头损失 和 局部水头损失均占相当比重，计算时都不可忽视的管路长管： 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，计算时常常将其 按沿程水头损失某一百分数估算或完全忽略不计的管路，使计算简化，且一般不影响计算精确度通过管路出口断面2-2形心的水平面作 基准面， 对断面1-1和断面2-2间建立 伯努利方程。

1短管水力计算的基本公式,例：短管自由出流，设管长为l，管径为d，管路中装有两个相向的弯头和一个闸门Ho除了用克服水流而引起的能量损失(包括局部和沿程两种水头损失)外，还有一部分变成动能被水流带到大气中去vo水池中的流速，称为 行近流速； Ho包括行近流速水头在内的水头，称作用水头管系阻力系数：,局部阻力系数的总和：,在进行管流的水力计算前，管道的长度、管道的材料(管壁粗糙情况)，局部阻力的组成一般都已确定，直接列能量方程式可解算以下三类问题：,2短管水力计算的问题,(1)已知 流量Q、管路直径 d 和局部阻力的组成，计算水头Ho(2)已知 水头Ho、管径 d 和 局部阻力的组成，计算流量 Q3) 已知通过管路的流量Q、水头Ho和局部阻力的组成，设计管径d,例5-1：虹吸管，L=LAB+LBC=30+40=70m ,直径d=200mm ,恒定水位差H=1.6m ，阻力系数 =0.03，j=0.5， 120wt= 0.2， 90wt=0.5， chu=1，试求：（1）管中流量 Q；（2）当安装高程hB =4.5m时， 校核其真空度 (真空度允许值 hv=7m水柱)解：（1）列1-1与2-2的能量方程，以下游水面为基准面：,能量方程式中只有一个未知数，即管中速度v，解方程可得，进而可求Q。

注意：同样管材，同样管径的相同2)以上游水面为基准面，列1-1与3-3的能量方程断面3-3不能选在转弯处 （急变流处），比较两个能量方程：3右断面的压强更小，即需校核此断面的真空度54 长管的水力计算,长管系统的水力计算可以分为 简单管路、串联管路、并联管路、管网等计算例：管路长度为l，直径为d，水箱水面距管道出口高度为H 管路出口断面22形心的水平面为基准面1简单管路 沿程直径不变，流量也不变的管路为简单管路长管全部作用水头都消耗于沿程水头损失从水池的自由表面与管路进口断面的铅直线交点a到断面22形心C作一条倾斜直线，便得到简管路的 测压管水头线 长管的流速水头可以忽略，所以它的总水头线与测压水头线重合,三类问题：即Q、H、d的求解问题其具体方法如下：,A管路的比阻 比阻是指单位流量通过单位长度管道所需水头，它决定于管路沿程阻力系数和管径d的大小各种流速下的k值计算，其结果见表52 为了计算方便，编制出各种管材、各种管径的比阻A的计算表钢管的A见表53、铸铁管的A见表5-4土木工程中经常用舍维列夫公式（旧钢管、旧铸铁管）：,紊流过渡区(v12ms)为：,紊流阻力平方区(一般认为v1，2ms)为：,由直径不同的几段管路依次连接而成的管路，称为串联管路。

串联管路各管段通过的流量可能相同，也可能不同2串联管路,根据能量方程得（各管段的流量Q、直径d，流速v不同，整个串联管路的水头损失应等于各管段水头损失之和）：,还应满足连续性方程（将有分流的两管段的交点称为节点，则流向节点的流量等于流出节点的流量）：,3并联管路 为了提高供水的可靠性，在两节点之间并设两条以上的管路称为并联管路A，B两点的测压管水头差就是AB间的单位重量液体的能量损失即水头损失 每个单独管段都是简单管路，用比阻表示可写成,并联管段一般按长管计算 流体通过所并联的任何管段时其水头损失皆相等各管段流量分配应满足节点流量平衡条件(即连续性方程要求)，即流向节点的流量等于由节点流出的流量：对节点A：Q1=q1+Q2+Q3+Q4对节点B：Q2+Q3+Q4=Q5+q2 (5-23),。