第五章 压力管路和孔口、管嘴水力计算

1工程流体力学第五章压力管路和孔口、管嘴水力计算单位：机械工程学院机械电子教研室2本章将讨论使用静力学和动力学、阻力损失计算等知识，对实际工程管路进行水力计算，总结出实用的计算方法前言3第一节概述管道—管路—管线在工程流体力学中可以认为是同义词。压力管道：液流充满整个有效截面，并在一定压差下流动。管内压力可以高于大气压，也可以低于大气压（例如泵的吸入管道）接下来先介绍几个概念4一、管路的规格主要参数是直径。见表5-1如果同一种外径管路，有几种不同的壁厚，规格用外径乘以壁厚来表示。5二、管路的分类长管和短管—根据沿程阻力损失和局部阻力损失在总水头损失中所占份额来划分.–长管：输送距离较远，两段压差大，局部阻力损失和速度头之和，与沿程阻力损失比较而言可以忽略。或按照沿程阻力损失的5%-10%来折算。–短管：又称水力短管。局部阻力损失和速度水头不可忽略。分支较多，压差较小，并有大量管道联接部件的管路系统常属于短管。简单管道和复杂管道：等径无分支的管道称为简单管道，除此之外都可以称为复杂管道。6三、管路特性曲线管道中，在不同流量情况下流速不同，水头损失也不同。绘制二维图形Q-hL图，或Hm-hL图，称为管路特性曲线。2252222282162QQDLggDQDLgvDLhL随值变化而变化QLhQmH7第二节简单长管的水力计算简单长管是工程中常见的一种管路。短途无中继泵站的输油管线、长途两泵站间管路都属于简单长管。1122测压管水头线总水头线H8简单长管的能量方程对1-1截面到2-2截面建立伯努利方程212222211122Lhgvgpzgvgpz对于长管，速度头和局部损失忽略1122测压管水头线总水头线Hfhgpzgpz2211简单长管的能量方程9续前设2-2截面与大气相通，则p2=0能量方程可以简化为：即长管中，提供的能量主要用于克服沿程阻力损失。1122测压管水头线总水头线H21fhH10二、沿程水头损失的基本计算公式将达西公式进行整理：将雷诺数计算公式也划成关于流量的函数再根据不同区域值不同，使用经验公式。最终推出：gvdLhf22252520826.08QdLQdLghfmmmfdLQh5211达西综合式：水力坡度为：流量表示为：mmmfmmmLDhQDQi2552流态m层流4.151紊流水力光滑区0.02460.25混合摩擦区0.08020.123水力粗糙管0.08260mmmfdLQh5212三、简单长管水力计算根据能量方程、达西公式综合式和管路特性曲线，可以解决以下三方面的问题：–已知管径、管长和纵断面图，已知流量，求管道中的压力降，或确定所需的供液水头；–已知管径、管长和纵断面图，已知压力降，求最大输送能力；–已知管长、地形及输送的流量，要求设计最经济的管道直径。（优化算法）13例5-1某长输油管直径为260mm，长度50km，起点高度45m，终点高度84m，油的相对密度0.8，粘度系数27.6*10-6m2/s，设计输油量200t/h，管壁绝对粗糙度。确定管路的压降。解题思路：根据雷诺数判断流态。根据管壁粗糙度决定的紊流划分判据划分区域，再根据达西公式综合式计算：15.07817.59Re4ReDQfmmmfhzzgppdLQh12215214第五节短管的水力计算室内管路、泵的吸入管路等，由于局部装置较多，均属于短管本节介绍使用简化的经验公式计算短管系统的流量、阻力损失等参数。15短管的实用计算公式图示管段，由两种不同直径的直管、各种管件组成。1-大闸门；2、3、6、7、8-弯头；4-孔板流量计；5、大小接头；9-小闸门16为便于计算，将各个截面处的速度，都整合成出口处流速v2将阻力损失进行折算，简化：jfLLhhhhgvH2220cccLgHAQQgAQHgvh11221202220217例5-7两水箱用两段直径不同的水管连接，管道长度都是10m。粗管直径200mm，细管直径100mm。求管路中的流量。H5.016.021.0312.0416019.01018.026.05解题思路：将各段的沿程阻力损失、局部阻力损失的总和，折算为一个简单长管的阻力损失。这个阻力损失后与当量速度水头成正比。18gvgvDLgvDLhhhcLLL22222226543222212111121H5.016.021.0312.0416019.01018.026.0519第六节定水头孔口和管嘴泄流本节主要研究液体自孔口和管嘴出流的问题。出流过程中，若作用水头不随时间变化，称为定水头出流。如果变化，则称为变水头出流。若流入大气，称为自由出流。若流入充满液体的空间，称为淹没出流。不加外来能源，靠自然位差获得能量输送或派出液体的管道，称为自流管路。20一、定水头孔口泄流小孔口和大孔口划分依据：薄壁孔口和厚壁孔口薄壁孔口出流，不计算沿程损失。只有局部能量损失。断面收缩系数：HD1.02)(ddc21取液面和截面c，列伯努利方程，并化简：00002022221121gHAgHAAvQgHgHvgvHcccc孔孔注意：这几个系数的物理意义！22二、定水头喷嘴出流长度L=（3-4）d，称为标准圆柱管嘴。管嘴内先收缩，再扩大充满管道，均匀流出。液流通过管嘴的阻力包括收缩阻力、扩大阻力和微小段沿程阻力。将其全部折算为总的阻力系数2332.015.064.0106.0)1(06.0)()(2244扩孔扩孔cccdddLdd81.01153.006.032.015.006.0ccdL0282.0gHAQ24总结管嘴出流的流量比孔口出流的流量增大约1/3。淹没出流的水力计算公式，与自由出流公式类似。只不过出口处的相对压力不再是0淹没出流的各个系数，与自由出流的相等注意两者间微小的区别25其余形式的管嘴圆柱形管嘴内伸管嘴收缩管嘴扩张管嘴流线形管嘴各种管嘴的出流系数，见表5-426第八节压力管路中的水击当某些原因引起管路中流速突然变化时，会引起管内压力突然变化，造成水击。急剧变化的压力波波面通过管路时，会产生一种声音，犹如锤子敲击管路。因此又称为水锤效应。27一、水击产生和水击波的传递发生水击现象的物理原因，是由于液体具有惯性的压缩性。28二、水击的分类直接水击与间接水击若阀门关闭时间，阀门处的水击压力不会受降压波的影响，可能产生的水击压力很大，称为直接水击。否则为间接水击正水击与负水击管路上的阀门突然关闭，或流速突然减小的情况，称为正水击。阀门突然打开，或流速突然增大的情况称为负水击。CLTM229三、水击压力的计算阀门附近一段液体，直径为D，密度已知，在无限小时间内，靠近阀门处的液体流速由v0变为0.根据动量方程，有：tpp0v0p0S0Cvp30液体内压力波传递的速度00011eEDECeEDEECMMTTCvpCLTT02当31液压冲击及危害在液压系统中，发生的水击现象，称为液压冲击。液压冲击的危害冲击压力可高达正常工作压力的3~4倍，使液压系统中的元件、管道、仪表等遭到破坏；液压冲击使压力继电器误发信号，干扰液压系统的正常工作，影响液压系统的工作稳定性和可靠性；液压冲击引起震动和噪声、连接件松动，造成漏油、压力阀调节压力改变。32防止水击现象的一般方法减慢换向阀的关闭速度，即延长换向时间T。增大管径，减小流速，避免不必要的弯曲；采用软管也可获得良好效果在滑阀完全关闭前减缓液体的流速。采用橡胶软管吸收水流冲击能量。在易产生水击的管路上，设置蓄能器，以吸收冲击压力。33液压设备中，对运动部件液压冲击预防措施在油缸的行程终点采用减速阀，油缸端部设置缓冲装置装置（如单向节流阀）控制油缸端部的排油速度，缓解了液压冲击；在油缸回油控制油路中设置平衡阀和背压阀，以控制快速下降或水平运动的前冲冲击，并适当调高背压压力；重新选配活塞或更换活塞密封圈，并适当降低工作压力，可减轻或消除液压冲击现象34例5-8用的钢管输水，水击压力传播速度将为多少？若管内流速v0=1m/s，可能产生的最大水击压力为多少？若输水管总长2km，确定避免直接水击的关阀门时间tM解：由查表得，E=2.06*109pa,E0=2.06*1011paD=100mm,e=4mm4108smeEDECCsmEC/12801/143510001006.2009035最大水击压力：sCLTMpaCvp125.312804000228.1112801000036液压冲击的应用事物都是一分为二的。有时可以应用水击效应，得到放大了的冲击力。液压冲击破碎器就是应用了这个原理观看视频