有压管道中的水流运动ppt课件.ppt

第五章第五章 有压管道中的水流运动有压管道中的水流运动水力学水力学水力学水力学 以上各章中讨论了液体运动的根本规律，导出了水力学的根本方程——延续方程、能量方程及动量方程，并论述了水头损失的计算方法，运用这些根本原理即可研讨处理工程中常见的水力计算问题，如有压管道中的恒定流、明渠恒定流及水工建筑物的水力计算等本章讨论的重点是有压管中恒定流的水力计算即短管〔水泵安装、虹吸管、倒虹吸管〕、长管的水力计算和测压管水头线和总水头线的绘制 有压管道：管道周界上的各点均遭到液有压管道：管道周界上的各点均遭到液体压强的作用有压管中的恒定流：有压管体压强的作用有压管中的恒定流：有压管中液体的运动要素不随时间而变中液体的运动要素不随时间而变1.1.简单管道和复杂管道简单管道和复杂管道 根据管道的组成情况我们把它分为简单根据管道的组成情况我们把它分为简单管道和复杂管道简单管道是指管道直径不管道和复杂管道简单管道是指管道直径不变且无分支的管道；复杂管道是指由两根以变且无分支的管道；复杂管道是指由两根以上管道组成管道系统。

复杂管道又可以分为上管道组成管道系统复杂管道又可以分为串联管道、并联管道、分叉管道、沿程泄流串联管道、并联管道、分叉管道、沿程泄流管和管网管和管网 一一. . 概述概述水力学水力学水力学水力学2.2.短管和长管短管和长管 短短管管是是指指管管路路中中水水流流的的流流速速水水头头和和部部分分水水头头损损失都不能忽略不计的管道；失都不能忽略不计的管道； 长长管管是是指指流流速速水水头头与与部部分分水水头头损损失失之之和和远远小小于于沿沿程程水水头头损损失失，，在在计计算算中中可可以以忽忽略略的的管管道道为为，，普普通通以以为为〔〔部部分分水水头头损损失失+ +流流速速水水头头〕〕＜＜5%5%的的烟烟程程水水头头损损失失，，可以按长管计算可以按长管计算 需需求求留留意意的的是是：：长长管管和和长长管管不不是是完完全全按按管管道道的的长长短短来来区区分分的的将将有有压压管管道道按按长长管管计计算算，，可可以以简简化化计计算算过程但在不能判别流速水头与部分水头损失之和远过程但在不能判别流速水头与部分水头损失之和远 水力学水力学 二二. .简单管道短管的水力管道短管的水力计算算小于沿程水头损失之前，按短管计算不会产生小于沿程水头损失之前，按短管计算不会产生较大的误差。

较大的误差 简单管道的水力计算可分为自在出流简单管道的水力计算可分为自在出流和淹没出流两种情况和淹没出流两种情况 1.1.自在出流自在出流 管道出口水流流入大气，水股周围都受大气压管道出口水流流入大气，水股周围都受大气压强的作用，称为自在出流管道强的作用，称为自在出流管道 水力学水力学 图图5-1 图图4 4－－1 1中，列断面中，列断面1 1－－1 1、、2 2－－2 2的能量方程的能量方程 管管道道出出口口中中心心到到上上游游水水位位的的高高差差，，全全部部耗耗费于于管管道的水道的水头损失和失和坚持出口的持出口的动能水力学水力学管道自管道自在出流在出流的流量的流量系数系数 2.淹没出流水力学水力学管道出口淹没在水下，称淹没出流管道出口淹没在水下，称淹没出流图图5-2在图在图5-25-2中，列断面１中，列断面１－１与２－２的能量－１与２－２的能量方程：方程： 假设不计上游流速水头，那么假设不计上游流速水头，那么水力学水力学 阐明：简单管道在淹没出流的情况下，其作用水头阐明：简单管道在淹没出流的情况下，其作用水头完全被耗费于抑制管道由于沿程阻力、部分阻力所作负完全被耗费于抑制管道由于沿程阻力、部分阻力所作负功所产生的水头损失上。

功所产生的水头损失上管中流速：管中流速： 毕业争辩毕业争辩水力学水力学经过管道的流量：经过管道的流量：管道淹没出流管道淹没出流的流量系数的流量系数请特特别留意：短管自在出流和淹没出流的留意：短管自在出流和淹没出流的计算关算关键在于正确在于正确计算流量系数我算流量系数我们比比较短短管自在出流和淹没出流的流量系数公式，可管自在出流和淹没出流的流量系数公式，可以看到两式在分母中多一以看到两式在分母中多一项“1“1〞，但是〞，但是计算算淹没出流的流量系数淹没出流的流量系数μcμc时，部分水，部分水头损失系失系数数水力学水力学三三. .长管的水力计算长管的水力计算 假假设设作作用用水水头头的的95%95%以以上上用用于于沿沿程程水水头头损损失失，，我我们们就就可可以以略略去去部部分分损损失失及及出出口口速速度度水水头头，，以以为为全全部部作作用用水水头头耗耗费费在在沿沿程程，，这这样样的的管管道道流流动动称称为为水水力力长长管管否否那那么么为水力短管为水力短管中比自在出流多一中比自在出流多一项管道出口部分水管道出口部分水头损失系数失系数“1“1〞，在〞，在计算中不要算中不要遗忘。

忘  水力学水力学对水力长管，根据延续方程和谢才公式可知对水力长管，根据延续方程和谢才公式可知长管：作用水头全部长管：作用水头全部用于支付沿程水头损失用于支付沿程水头损失流量模数流量模数综合反映管道的外形、尺寸和综合反映管道的外形、尺寸和边壁粗糙性对输水才干的影响边壁粗糙性对输水才干的影响水力学水力学1.1.输水才干计算输水才干计算 当管道布置、断面尺寸及作用水头知时，要当管道布置、断面尺寸及作用水头知时，要求确定管道经过得流量对于短管和长管都可以求确定管道经过得流量对于短管和长管都可以用公式直接求解用公式直接求解 2.2.知管道尺寸和输水流量知管道尺寸和输水流量Q Q ，求保证输水流量的，求保证输水流量的作用水头作用水头H H 实践是求经过流量实践是求经过流量Q Q时管道的水头损失，可时管道的水头损失，可以直接计算，但对于长管需求先计算管内流速，以直接计算，但对于长管需求先计算管内流速，以判别能否要进展修正以判别能否要进展修正3.3.知管线布置和输水流量，求输水管径知管线布置和输水流量，求输水管径d d 四四. .简单管道水力计算的根本类型简单管道水力计算的根本类型水力学水力学对于短管对于短管 对于长管对于长管 按求得的流量模数，即可由按求得的流量模数，即可由5 5－－1 1确定所需的管确定所需的管道直径。

道直径4.4.知流量和管长，求管径知流量和管长，求管径d d和水头和水头H H；；上式中上式中 与管径与管径 有关，所以需求试算有关，所以需求试算水力学水力学 这是工程中常见的实践问题通常是这是工程中常见的实践问题通常是从技术和经济两方面综合思索，确定满足从技术和经济两方面综合思索，确定满足技术要求的经济流速有了经济流速就可技术要求的经济流速有了经济流速就可以求出管径，这样求水头以求出管径，这样求水头H H即转化为第二类即转化为第二类问题5.5.对于一个知管道尺寸、水头和流量的管对于一个知管道尺寸、水头和流量的管道，要求确定管道各断面压强的大小道，要求确定管道各断面压强的大小水力学水力学 即管路中恣意断面即管路中恣意断面i i处的测压管水头等于总水头处的测压管水头等于总水头H0H0减减去该断面以前的沿程水头损失与部分水头损失，再减去去该断面以前的沿程水头损失与部分水头损失，再减去该断面的流速水头把各断面的测压管水头衔接起来，该断面的流速水头把各断面的测压管水头衔接起来，就得到整个管路的测压管水头线就得到整个管路的测压管水头线〔〔1 1〕根据能量方程，管路中恣意断面处〕根据能量方程，管路中恣意断面处的测压管水头为：的测压管水头为：〔〔2 2〕测压管水头线和总水头线的绘制步骤：〕测压管水头线和总水头线的绘制步骤：水力学水力学a.a.根据各管的流量根据各管的流量 ，计算相应的流速，计算相应的流速 ，，沿程水头损失沿程水头损失 和部分水头损失和部分水头损失b.b.自管道进口到出口，计算每一管段两端的自管道进口到出口，计算每一管段两端的总水头值，并绘出总水头线。

总水头值，并绘出总水头线c.c.自总水头线铅直向下量取管道各个断面的自总水头线铅直向下量取管道各个断面的流速水头值，即得测压管水头线流速水头值，即得测压管水头线〔〔3 3〕绘制总水头线和测压管水头线的原那么〕绘制总水头线和测压管水头线的原那么水力学水力学a.绘制总水头线和测压管水头线时，绘制总水头线和测压管水头线时， 沿管长沿管长均匀分布；均匀分布； 发生在部分的管段上，那么在该发生在部分的管段上，那么在该断面上有两个总水头，一个是部分损失前的，断面上有两个总水头，一个是部分损失前的，一个是部分损失后的一个是部分损失后的 b.在绘制总水头线时，应留意进口的边境条件在绘制总水头线时，应留意进口的边境条件图图5-3 管道的进口边境管道的进口边境水力学水力学3〕在等直径管段中，测压管水头线与总水头线是〕在等直径管段中，测压管水头线与总水头线是平行的4〕在绘制总水头线时，应留意出口的边境条件〕在绘制总水头线时，应留意出口的边境条件图图5-4 管道出口的边境管道出口的边境水力学水力学五五. .简单管道水力计算运用举例简单管道水力计算运用举例 虹吸管是一种压力输水管道，〔如图〕顶部弯曲虹吸管是一种压力输水管道，〔如图〕顶部弯曲且其高程高于上游供水水面。

假设在虹吸管内呵斥真且其高程高于上游供水水面假设在虹吸管内呵斥真空，使作用在上游水面的大气压强和虹吸管内压强之空，使作用在上游水面的大气压强和虹吸管内压强之间产生压差，水流即能超越虹吸管最高处流向低处间产生压差，水流即能超越虹吸管最高处流向低处虹吸管顶部的真空实际上不能大于最大真空值，即虹吸管顶部的真空实际上不能大于最大真空值，即1010米高水柱实践上当虹吸管内压强接近该温度下的汽米高水柱实践上当虹吸管内压强接近该温度下的汽化压强时，液体将产生汽化，破坏水流的延续性化压强时，液体将产生汽化，破坏水流的延续性1.1.虹吸管的水力计算虹吸管的水力计算水力学水力学 故普通不使虹吸管中的真空值大于故普通不使虹吸管中的真空值大于7 7－－8 8米虹吸管的长度普通不大，故应按短管计算吸管的长度普通不大，故应按短管计算 图图5-5虹吸管的任务原理虹吸管的任务原理例题例题1 1图示用直径图示用直径d = 0.4md = 0.4m的钢筋混凝的钢筋混凝土虹吸管从河道向灌溉渠道引水，河道土虹吸管从河道向灌溉渠道引水，河道水位为水位为120m120m，灌溉渠道水位，灌溉渠道水位118m118m，，水力学水力学虹吸管各段虹吸管各段长度度为l1 = 10ml1 = 10m，，l2 =5ml2 =5m，， l3 l3 =12m=12m，虹吸管，虹吸管进口安装无底口安装无底阀的的滤网〔网〔ζ= ζ= 2.52.5〕〕, ,管道有两个管道有两个60o60o的折角弯管〔的折角弯管〔ζ=0.55ζ=0.55〕。

求：〔〕求：〔1 1〕〕经过虹吸管的流量虹吸管的流量 〔〔2 2〕当虹吸管内最大允〕当虹吸管内最大允许真空真空值hv =7.0mhv =7.0m时，，虹吸管的最大安装高度虹吸管的最大安装高度 图图5-6解解：：〔〔1〕〕计计算算经经过过虹吸管的流量虹吸管的流量 水力学水力学水力学水力学〔〔2 2〕计算虹吸管的最大安装高度〕计算虹吸管的最大安装高度列列河河道道水水面面和和虹虹吸吸管管下下游游转转弯弯前前过过水水断断面面的的能量方程能量方程所以所以水力学水力学〔〔1 1〕吸水管的水力计算吸水管的计算在于确定吸〕吸水管的水力计算吸水管的计算在于确定吸水管的管径及水泵的最大允许安装高程水管的管径及水泵的最大允许安装高程〔〔2 2〕压力水管的水力计算压力水管的计算在于决〕压力水管的水力计算压力水管的计算在于决议必需的管径及水泵的装机容量议必需的管径及水泵的装机容量2.2.水泵安装的水力计算水泵安装的水力计算 例例题2 2流流量量Q Q，，吸吸水水管管长l1l1，，压水水管管长l2l2，，管管径径d d，，提提水水高高度度z z ，，各各部部分分水水头损失失系系数数，，沿沿程水程水头损失系数要求水失系数要求水泵最大真空度不超越最大真空度不超越6m6m，，确确定定水水泵泵允允许许安安装装高高度度，，计计算水泵的扬程。

算水泵的扬程水力学水力学zz2112233图图5-7 水水泵扬程程 = 提水高度提水高度 + 全部水全部水头损失失例例题3 3 一横穿河道的一横穿河道的钢筋混凝土倒虹吸管，如筋混凝土倒虹吸管，如下下图知经过流量流量Q Q为3m3/s3m3/s，倒虹吸管上下游，倒虹吸管上下游渠中水位差渠中水位差z z为3m3m，倒虹吸管，倒虹吸管长l l为50m50m，其中，其中经过两个两个300300的折角的折角转弯，其部分水弯，其部分水头损失系数失系数ξbξb为0.200.20；；进口部分水口部分水头损失系数失系数ξeξe为0.50.5，，出口部分水出口部分水头损失系数失系数ξ0ξ0为1.01.0，上下游渠中，上下游渠中流速流速v1 v1 及及v2v2为1.5m/s1.5m/s，管壁粗糙系数，管壁粗糙系数n n＝＝0.0140.014试确定倒虹吸管直径确定倒虹吸管直径d d 水力学水力学水力学水力学解：倒虹吸管普通作短管计算此题管道出解：倒虹吸管普通作短管计算此题管道出口淹没在水下；而且上下游渠道中流速一样，口淹没在水下；而且上下游渠道中流速一样，流速水头消去流速水头消去水力学水力学 由于沿程阻力系数由于沿程阻力系数λλ或或谢才系数才系数C C都是都是d d 的复的复杂函数，因此需用函数，因此需用试算法。

算法先假设先假设d d＝＝0.8m0.8m，计算沿程阻力系数：，计算沿程阻力系数：水力学水力学水力学水力学与假设与假设不符不符故再假设故再假设d=0.95md=0.95m，重新计算，重新计算那么采那么采用管径用管径d d为为0.950.95米米水力学水力学六六. .复杂管道的水力计算复杂管道的水力计算图图5-81.1.串联管道串联管道 以沿程损以沿程损失为主，水失为主，水头线中不画头线中不画部分损失和部分损失和速度水头速度水头 由直径不同的几段管段依次衔接而由直径不同的几段管段依次衔接而成的管道成的管道2.2.并联管道并联管道 由两条或两条以上的管道同在一处分出，又在由两条或两条以上的管道同在一处分出，又在另一处集合，这种组合而成的管道另一处集合，这种组合而成的管道水力学水力学并联管道的特点为：并联管道的特点为： 〔〔1 1〕各条管路在分叉点和集合点之间的水〕各条管路在分叉点和集合点之间的水头损失相等头损失相等 〔〔2 2〕管路中的总流量等于各并联管路上的〕管路中的总流量等于各并联管路上的流量之和流量之和并联管路普通按长管计算，其计算公式为：并联管路普通按长管计算，其计算公式为：a.a.各支管的流量与总流量间应满足延续方程：各支管的流量与总流量间应满足延续方程：水力学水力学b.b.单位分量流体经过所并联的任何管段时单位分量流体经过所并联的任何管段时水头损失皆相等。

即：水头损失皆相等即： 七七. .有压管道中的水击简介有压管道中的水击简介1.1.水击景象水击景象 水击是有压管道中的非恒定流景象水击是有压管道中的非恒定流景象当有压管道中的阀门忽然开启、封锁或水当有压管道中的阀门忽然开启、封锁或水泵因故忽然停顿任务，使水流流速急剧泵因故忽然停顿任务，使水流流速急剧水力学水力学变变化化，，引引起起管管内内压压强强发发生生大大幅幅度度交交替替升升降降这这种种变变化化以以一一定定的的速速度度向向上上游游或或下下游游传传播播，，并并且且在在边边境境上上发发生生反反射射，，这这种种水水流流景景象象叫叫作作水击，交替升降的压强称为水击压强水击，交替升降的压强称为水击压强 产产生生水水击击景景象象的的缘缘由由是是由由于于液液体体存存在在惯惯性性和和可可紧紧缩缩性性水水击击景景象象的的本本质质上上是是由由于于管管道道内内水水体体流流速速的的改改动动，，导导致致水水体体的的动动量量发发生生急急剧剧改改动动而而引引起起作作用用力力变化的结果变化的结果水力学水力学 根根据据闸闸门门封封锁锁〔〔或或开开启启〕〕的的时时间间TsTs与与相相长长T T的的比比值值，，我我们把水击分为两类：们把水击分为两类： 〔〔1 1〕〕直直接接水水击击：：闸闸门门封封锁锁〔〔或或开开启启〕〕的的时时间间TsTs＜＜T T〔相长〕。

〔相长〕 〔〔2 2〕〕间间接接水水击击：：指指闸闸门门封封锁锁〔〔或或开开启启〕〕的的时时间间TsTs＞＞T T〔相长〕〔相长〕 2.水击的分类水击的分类 由于直接水击压强远大于间接水击压强，破坏由于直接水击压强远大于间接水击压强，破坏性较强，在实践工程中应尽能够采取措施，防止产性较强，在实践工程中应尽能够采取措施，防止产生直接水击破坏生直接水击破坏3.3.直接水击压强的计算直接水击压强的计算用水柱表示用水柱表示 水力学水力学式式中中：： 是是水水击击波波速速，， 是是管管内内原原来来流流速，速， 是阀门启闭后的流速是阀门启闭后的流速4.防止产生直接水击破坏的措施防止产生直接水击破坏的措施〔〔1〕缩短压力管道的长度；〕缩短压力管道的长度；〔〔2〕延伸阀门封锁的时间〕延伸阀门封锁的时间Ts；；〔〔3〕减小压力管道中的水流流速；〕减小压力管道中的水流流速；〔〔4〕安装水击消除阀；〕安装水击消除阀；〔〔5〕设置调压室〕设置调压室 水力学水力学例例题4：：有有一一水水电站站引引水水钢管管，，管管长l = 2000 m，，管管径径D = 500 mm，，管管壁壁厚厚度度δ= 10 mm，， 水水的的弹性性系系数数为K = 19.6×10 8 N /m2，，钢管管的的弹性性系系数数为E = 19.6×1010 N/m2 。

试求求：：在在3秒秒内内阀门全部封全部封锁时的水的水击压强解：水击波的波速为解：水击波的波速为水力学水力学相长为相长为 ∵ Ts= 2 s∵ Ts= 2 s＜＜T= 3.41sT= 3.41s∴∴水水击为直接水直接水击水击压强为水击压强为 水力学水力学。