第5章-孔口、管嘴和有压管流

第1章流体及其主要物理性质第2章流体静力学第3章流体动力学基础第4章流动阻力和水头损失第5章孔口、管嘴和有压管流第6章明渠恒定流动第五章孔口、管嘴出流及有压管流第一节薄壁孔口出流第二节管嘴出流第三节有压管道恒定流计算第四节有压管中的水击教学内容、重点及难点基本内容本章在定量分析沿程水头损失和局部水头损失的基础上，对工程实际中最常见的有压管道恒定流动和孔口、管嘴出流进行水力计算。重、难点水头损失的分析和确认HH011CAACdCvCv0gv2200第一节薄壁孔口出流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。c-c为收缩断面，收缩系数：cAA——收缩断面面积——孔口断面面积pa对薄壁小孔口：ε=0.63~0.64孔口出流的分类101Hd——小孔口101Hd——大孔口HH011CAACdCvCv0gv2200pa射流断面上各点流速相等，水头相等射流断面上各点水头、压强、流速沿孔口高度变化(1)d/Hd为孔口直径或高度H为孔口形心以上水头高度孔口出流的分类自由出流：孔口水流直接进入空气，收缩断面压强为大气压强HH011CAACdCvCv0gv2200pa(2)出流条件淹没出流：孔口水流进入下游水体，孔口在下游水面以下恒定出流：水箱的水面高度保持恒定(3)孔口水头变化非恒定出流：水箱的水面高度变化wcchgvgvH222200对0-0，c-c列能量方程其中gvhhcjw220设gvHH22000000221gHgHvcc98.0~97.0则0022gHAgHAAvQcc——流速系数——流量系数62.0~60.0其中1.薄壁小孔口自由出流HH0OOCAACdCvCv0gv2200其中00111c则H0作用总水头孔口流速系数孔口流量系数）（）（gvaHgvaHH22222220010流经孔口的局部阻力系数0收缩断面突扩的局部阻力系数se98.097.062.060.02.薄壁小孔口淹没出流对1-1，2-2列能量方程gvgvHgvHc2)(222se02222200100se0221gHgHvc0022gHAgHAAvQccbl32al311l2lab完全收缩非完全收缩无收缩边壁的整流作用会影响收缩系数，故有完全收缩与非完全收缩之分，收缩系数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。3.流量系数的影响因素流量系数μ局部阻力系数收缩系数雷诺数边界条件第二节管嘴出流一.管嘴出流的水力现象(a)外管嘴内管嘴(b)(c)(d)外管嘴(a)直角型外管嘴(b)收缩型外管嘴(c)扩散型外管嘴(d)流线型外管嘴孔口周边接长度为3~4倍直径的短管，流体经短管流出二、管嘴恒定出流对1-1，2-2列能量方程whgvgvH222200忽略管嘴沿程损失，且令gvHH22000则管嘴出口速度00221gHgHvnn0022gHAgHAvAQnn其中ζn为管嘴的局部阻力系数，取0.5；则流量系数82.05.0111nn流速系数说明管嘴过流能力比孔口更强82.0nn62.0~60.0孔口＞98.0~97.0孔口＜孔口32.1nD3～4DvCvcC管嘴出流流量系数的加大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管嘴过流能力比孔口强的原因对B-B，c-c列能量方程wBccchgvgpgvgp2222取真空压强和真空高度值，得Bjcccchgvgvgp2222由02gHvn而hw按突扩计算，得022222se)11(2)1(2HgvAAgvhhncjw说明管嘴真空度可达作用水头的75％以代入1,82.0,64.0n则0222)11(-Hgpnc得0222Hgvn所以022212Hgvnc075.0Hgpc得AABBccv2HH0AABBccv2HH0vvAAvcc1又三、管嘴真空度形成真空时作用水头不可能无穷大，因为当真空度达到一定时，其压强小于汽化压强，出现汽蚀破坏，而且会将空气从管嘴处吸入，破坏真空，而成为孔口出流。实验测得，当液流为水流，管嘴长度l=(3~4)d时，管嘴正常工作的最大真空度为7.0m，则作用水头m975.0m70H说明圆柱形外管嘴正常工作条件是：l=(3~4)d[H0]≤9m21222222111122whgvpzgvpz实际流体恒定总流能量方程jfwhhh2121沿程损失局部损失第三节有压管道恒定流计算已能定量分析，原则上解决了恒定总流能量方程中的粘性损失项。短管：长管：hf与hj均较大，不能忽略不计（hj＞5％hf）hf很大，不能忽略，而hj可忽略不计（hj≤5％hf）jfhhgvpzgvpz2122222211112)()2(=H0=0gvdl22gv22gv2)(2==管系流量系数作用水头H一、短管的水力计算gHdlv211gHAvAQc2dlc11vOO1122H自由出流vOO112233Hhjfhhgvpzgvpz2122222211112)()2(=H+h0=gvdl22gv22gv2)(2==h作用水头H淹没出流vOO112233Hh32212123333211112)()2(jjfhhhgvpzgvpz=H+h0=gvdl22gv2)(2==用3-3断面作下游断面0hgvgvv22)(2232=出口水头损失按突扩计算vOO112233Hh管系流量系数淹没出流与自由出流相比，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。dlc11gHAvAQc2gHdlv211zz241235112233l2l1要求确定计算已知【例】1离心泵管路系统的水力计算流量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，沿程水头损失系数水泵最大真空度不超过6m水泵允许安装高度水泵扬程zz241235112233l2l1gvdlgvpz2)]([2022112220.1562)](0.1[222112pgvdlzgvdlz2)](0.1[622112Q，dv【解】水泵允许安装高度zz241235112233l2l10.15gvdllzHm2)](0.1[2432121水泵扬程=提水高度+全部水头损失5作用水头全部用于支付沿程损失1122Hvv220022wvvHhgg则252282lQdggvdlhHf二、长管的水力计算一、简单管路比阻单位流量通过单位长度管段产生的水头损失528dgS2SlQHsmvdS/2.1001736.03.5；smvdvS/2.1)001736.0(867.01852.03.53.0；）（226.0774.4000915.0QdS比阻SlHS由谢才公式和曼宁公式33.523.10dnS对钢管和铸铁管对塑料管材阻力平方区过渡粗糙区【例】已知简单管路的l=2500m，H=30m，Q=250l/s，n=0.011。求管径d。【解】2SlQH由得622/ms192.0lQHS由谢才及曼宁公式，得33.523.10dnS代入数据得d＝388mm介于标准管径350mm～400mm之间•串联管路niiiinifiQlShH121•并联管路iQQQQ21Q1Q2Q3QQ1122HABwi321niiQQ11122Hl1d1l2d2Q1Q2二、复杂管路【例】已知简单管路的l=2500m，H=30m，Q=250l/s，n=0.011。求管径d。【解】由谢才及曼宁公式，得33.523.10dnS其中取d1=400mm，d2=350mm，得采用串联管路，则22112212302500HSlQSlQlll12404m,2096mll水击：在有压管路中流动的液体，由于某种外界原因，如阀门或水泵机组突然启闭，转向阀突然变换工位，使得液体流速发生突然变化，并由于液体的惯性作用，引起压强急剧升高和降低的交替变化，这种现象称为水击。升压和降压交替进行时，对于管壁和阀门的作用如同锤击一样，因此水击也称为水锤。水击现象是一种典型的有压管道非恒定流问题，在水击现象中，由于压强变化急剧，必须考虑流体的压缩性及管道的弹性。第四节有压管中的水击水击的危害：轻微时引起噪声和管路振动；严重时则造成阀门损坏，管路接头断开，甚至引起管路的爆裂。水击引起的压强降低，使管内形成真空，有可能使管路扁缩而损坏。有压管道流动的流量突变流速突变由于流动的惯性，造成压强大幅波动水击现象的大致描述：流体的压缩性和管道的弹性使波动在管道中以有限的速度传播Δp以阀门突然关闭为例，将有一个增压、增密度、增管道断面积、减流速的过程从阀门向上游传播，压强、流速、密度、管道断面积的间断面在管道中运动，这就是水击波。水击危害的预防（1）延长阀门关闭时间；（2）缩短管路长度；（3）在管路系统的适当位置装设蓄能器（空气罐或安全阀）；（4）在管路上装设调压塔。水击的利用例如，水击泵便是利用水击原理设计的一种无动力扬水设备，这种设备对于无动力和电源的地方是很方便的。本章作业习题5.1，习题5.9，习题5.10习题例1薄壁孔口出流，直径d=2cm，水箱水位恒定H=2m。求1、孔口流量Q；2、此孔口外接圆柱形管嘴的流量Qn;3、管嘴收缩断面的真空。解：2、3、1、slggHAQ219.122402.062.022slggHAQnn612.122402.082.022mHgpv5.1275.075.0kPaPapv7.1414700解：例2如图所示水箱用隔板分为左右两个水箱，隔板上开一直径d1=40mm的薄壁小孔口，水箱底接一直径d2=30mm的外管嘴，管嘴长l=0.1m,H1=3m。试求在恒定出流时的水深H2和水箱出流流量Q1，Q2。1.08.9203.0482.023204.0460.0222222222111HlHgAQHgHHgAQn解：例3如图所示虹吸管，上下游水池的水位差H=2.5m，管长LAC=15m,LCB=25m，管径d=200mm,沿程阻力系数λ=0.025，入口局部阻力系数ξc=1.0，各弯头局部阻力系数0.2，管顶允许真空度7m，求通过流量及最大允许超高hs最大允许超高：smgHdlvbeAB/5392.22131smvAQ/0798.03mhgpvv7mgvdlgphACACvs5938.56.195392.2)22.012.015025.01(72)(2例4如图已知水泵的功率N=25kW，流量Q=60L/s，水泵的效率ηp=75%,L1=8m,L2=50m,d1=250mm,d2=200mm,λ=0.025,底阀ξ=4.4，一个弯头ξ=0.2，阀门ξ=0.5，逆止阀ξ=5.5，水泵的允许真空度[hv]=6m,求：1、水泵的安装高度zs;2、水泵的提水高度Hg.解：smAQv/22.125.0785.006.0211smAQv/91.120.0785