第六章-孔口、管嘴出流及有压管流

第6章孔口、管嘴及有压管流工程实例高压管嘴喷嘴主要内容孔口出流管嘴恒定出流短管的水力计算长管的水力计算离心式水泵及其水力计算知识点与难点★本章所用知识点连续性方程能量方程沿程水头损失局部水头损失★重点掌握孔口、管嘴恒定出流的水力计算有压管路恒定流动的水力计算离心式水泵的水力计算概述Hld0dl孔口10Hd10Hd小孔口大孔口4~3dl管嘴4dl管路10004dl短管1000dl长管简单管路复杂管路※复杂管路串联管路并联管路管网枝状管网环状管网孔口的分类及其与管嘴、管流的关系小孔口出流、大孔口出流（按H/d是否大于10来判定）恒定出流、非恒定出流淹没出流、非淹没出流薄壁出流、厚壁出流如果壁厚达到3～4d，孔口就可以称为管嘴，收缩断面将会在管嘴内形成，而后再扩展成满流流出管嘴。管嘴出流的能量损失只考虑局部损失。如果管嘴再长，以致必须考虑沿程损失时就是短管了。液体从孔口以射流状态流出，流线不能在孔口处急剧改变方向，而会在流出孔口后在孔口附近形成收缩断面，此断面可视为处在渐变流段中，其上压强均匀。§6—1孔口出流HH0OOCAACDCvCv0gv2200116P一.孔口出流的计算计算特点：0fh出流特点：收缩现象1.自由式出流从1→C建立伯努利方程，有0011ccHdlgvgvHccc220000202gHgHvcc221001c式中：为孔口流速系数，对于小孔口，97.0gHAgHAvAQcc22AAc式中：、分别为孔口收缩系数和流量系数0011ccHdl由于边壁的整流作用，它的存在会影响收缩系数，故有完全收缩与非完全收缩之分，视孔口边缘与容器边壁距离与孔口尺寸之比的大小而定，大于3则可认为完全收缩。AAC/流量系数是流速系数与小孔口断面收缩系数的乘积bl32al311l2lab完全收缩非完全收缩无收缩64.063.0AAAAc孔口面积断面流束直径为最小的收缩62.060.02.小孔口淹没式出流1HH2Hdl002211从1→2建立伯努利方程，有gvgvHHcsec22000022021gHHHgvsec221210（与自由式出流公式完全相同）2101HHHsegHAvAQcc2（与自由式出流公式完全相同）大孔口出流的流量公式形式不变，只是相应的水头应近似取为孔口形心处的值，具体的流量系数也与小孔口出流不同。由于孔口各点的作用水头差异很大，如果把这种孔口分成若干个小孔口，对每个小孔口出流可近似用小孔口出流公式，然后再把这些小孔口的流量加起来作为大孔口的出流流量3.大孔口恒定出流02gHAQ大孔口出流的流量系数，可查表大孔口形心的水头0HF4.孔口非恒定出流孔口非恒定出流一般应考虑液面高度对孔口出流速度的影响。然而当孔口面积远小于容器面积时，液体在dt时段内的升降或压强的变化缓慢，惯性力可忽略不计，此时可把整个变速的流动过程划分为许多小区间，在每个小区间仍可按恒定流处理。经孔口流出的液体体积容器内减少的液体体积hgAFdhdt2FdhdtghA2FdhdVdtghAQdtdV2hgAFdhdt2对上式积分若H2=0,）（2122221HHgAFhgAFdhtHHmax1222QVHgAFtQmax—开始出流的最大流量变水头出流的放空时间，等于在起始水头作用下流出同体积的液体所需时间的两倍。§6—2管嘴恒定出流在容器孔口上连接一段断面与孔口形状相似，长度为(3-4)d的短管，这样的短管称为管嘴，液流流经管嘴且在出口断面满管流出的现象称为管嘴出流。119P一、管嘴出流的计算110c220cHddl)4~3(计算特点:0fh出流特点:在C-C断面形成收缩，然后再扩大，逐步充满整个断面。从1→2建立伯努利方程，有gvgvHn22000022gHgHvnn221nn1式中：为管咀流速系数，n82.0n110c220cHddl)4~3(gHAAvQn2★管嘴正常工作条件dl4~3mH9式中：为管咀流量系数，n82.0nn例题1一.圆柱形外伸管嘴出流02gHvn0022gHAgHAQnn管嘴出流的局部损失由两部分组成，即孔口的局部水头损失及收缩断面后扩展产生的局部损失，水头损失大于孔口出流。但管嘴出流为满流，因此流量系数仍比孔口大，其出流公式为gvaHH2200082.0nn82.05.0111an5.0nn圆柱形外管嘴的流量系数圆柱形外管嘴的流速系数圆柱形外管嘴的局部阻力系数管嘴出流流量系数的加大也可以从管嘴收缩断面处存在的真空来解释，由于收缩断面在管嘴内，压强要比孔口出流时的零压低，必然会提高吸出流量的能力。D3～4DvCvcC圆柱形外管嘴的真空度列c-c和2-2断面的能量方程222(1)2wccAvhAgvvAAvcc102gHvn22222acccwcppavavhggg22222cccawcpavpavhgggg又2rch按突扩计算0222])11([Haagpphncavc对圆柱形外管嘴：由实验得：;82.064.0n；取a=1.0,则得：075.0Hgpphcavc圆柱形外管嘴收缩断面的真空度可达作用水头的75%，管嘴的作用相当于将孔口自由出流的作用水头增加了0.75倍，这样就提高了管嘴的出流能力。mmH975.070管嘴长度为(3-4)d圆柱形外管嘴的正常工作条件有压管道恒定流动水力计算主要解决以下几方面问题：§6—3有压管道恒定流动的水力计算①计算管道输水能力；②确定作用水头；③计算沿程压强分布。22111222121222wpvpvzzhgggg实际流体恒定总流能量方程1212fwjhhh沿程损失局部损失已能定量分析，原则上解决了恒定总流能量方程中的粘性损失项。管道中的满流121P管道水力计算的基本公式连续性方程伯努利方程式中E为外界（泵、风机等）加给单位重量流体的机械能。能量损失111222mqgVAgVA常数w2222211122hgVgpzEgVgpzjfwhhhgVdlh22fgVh22j一、管道系统分类1．按能量损失大小长管：凡局部阻力和出口速度水头在总的阻力损失中，其比例不足5％的管道系统，称为水力长管，也就是说只考虑沿程损失。短管：在水力计算中，同时考虑沿程损失和局部损失的管道系统，称为短管。2．按管道系统结构简单管道：管径和粗糙度均相同的一根或数根管子串联在一起的管道。复杂管道：除简单管道以外的管道系统，称为复杂管道，又可分成：1）串联管道：不同管径或不同粗糙度的数段管子串联联接所组成的管道系统。2）并联管道：是指数段管道并列联接所组成的管道系统。枝状管道：各不相同的出口管段在不同位置分流，形状如树枝。网状管道：通过多路系统相互连接组成一些环形回路，而节点的流量来自几个回路的管道。管道系统分类有压管道的进口是淹没的，出口分自由和淹没两种情况，它们的作用水头是不同的。二.短管的水力计算自由出流vOO1122H上游总水头和下游测管水头之差，用于支付出口速度水头和全部水头损失（包括沿程损失及所有局部损失）。2211122212w1222pvpvzzhgggg221112221212j0()()22fpvpvzzhhHgggg改写作用水头H0gvdl22gv22221112221212j()()22fpvpvzzhhgggg=H0=0gv2)(2==vOO1122HgHdlv211gHAvAQc2dlc11管系流量系数作用水头HvOO112233淹没出流Hh221112221212j()()22fpvpvzzhhgggg=H+h0=gvdl22gv22gv2)(2==h作用水头HvOO112233Hh用3-3断面作下游断面2233311113121223()()22frrpvpvzzhhhgggg=H+h0=gvdl22gv2)(2==0hgvgvv22)(2232=出口水头损失按突扩计算vOO112233HhgHdlv211gHAvAQc2dlc11管系流量系数淹没与自由出流相比，作用水头不同，管系流量系数相同，局部损失中不包含2-2断面出口损失。简单管道水力计算特例——虹吸管及水泵ZZs虹吸管是一种压力管，顶部弯曲且其高程高于上游供水水面。其顶部的真空值一般不大于7~8m水柱高。虹吸管安装高度Zs越大，顶部真空值越大。虹吸管的优点在于能跨越高地，减少挖方。虹吸管长度一般不长，故按短管计算。1122通过水泵转轮转动的作用，在水泵进口端形成真空，使水流在池面大气压作用下沿吸水管上升，流经水泵时从水泵获得新的能量，从而输入压力管，再流入水塔。安装高度提水高度安装高度ZZs吸水管压水管水泵向单位重量液体所提供的机械能，称为水泵的扬程twwHZhh吸水管压水管返回1水泵的水力计算zz241235112233水泵最大真空度不超过6ml2l1水泵允许安装高度水泵扬程流量Q，吸水管长l1，压水管长l2，管径d，提水高度z，各局部水头损失系数，沿程水头损失系数要求确定计算已知zz241235112233l2l122212120[()]22pvlvzggdg0.15212212[1.0()]62lpvzdgggvdlz2)](0.1[622112Q，dv水泵允许安装高度zz241235112233l2l10.15水泵扬程=提水高度+全部水头损失gvdllzHm2)](0.1[2432121水泵吸水管的水力计算计算内容：已知，求水泵安装高度。sHvhldQ、、、、、、弯进吸例题22.虹吸水力计算虹吸灌溉真空输水：世界上最大直径的虹吸管(右侧直径1520毫米、左侧600毫米),虹吸高度均为八米，犹如一条巨龙伴游一条小龙匐卧在浙江杭州萧山区黄石垅水库大坝上，尤为壮观，已获吉尼斯世界纪录。我国最大的倒虹吸管例题3如果作用水头的95%以上用于沿程水头损失，我们就可以略去局部损失及出口速度水头，认为全部作用水头消耗在沿程，这样的管道流动称为水力长管。否则为水力短管。三、长管的水力计算对水力长管，总水头线就是测压管水头线简单管路126P流量模数与流量具有相同的量纲对水力长管，根据连续方程和谢才公式（P107)可知lhKJKRJACvAQfHhQKlf22RACK长管:作用水头全部用于支付沿程损失压强的沿程分布220000022iiiilipvpvzzhgggg2200000()22iiiilippvvzzhgggg入口断面0-0，任意断面i-i通过有压管道定常流动的水力计算，容易确定沿程压强的分布，得到测压管水头线。测压管水头线低于管轴线，为负压。工程中有时需要避免压力的低值，为此找出管道中的压力最低点，检验其是否满足要求。如压力过低，可采取调整管道位置高程、降低流速等措施解决。1、管道水力计算主要任务管道水力计算的主要任务是：(1)根据给定的流量和允许的压强损失确定管道直径和管道布置；(2)根据给定的管道直径、管道布置和流量来验算压强损失；(3)根据给定的管道直径、管道布置和允许的压强损失，校核流量。管道水力计算的基本公式有连续性方程、伯努利方程和能量损失公式等