孔口管嘴和管道流动

1、孔口管嘴和管道流动 孔口管嘴和管道流动 INDEX 孔口出流 管嘴出流 简单管道的水力计算 复杂管道 管网计算 有压管道的水击 自由紊流射流 孔口管嘴和管道流动 孔 口 出 流 薄壁小孔口 1.自由出流 列A-A、C-C断面能量方程 H0自由出流的作用水头 孔口管嘴和管道流动 物理意义：促使流体克服阻力，流入大气的全部能量 特例自由液面：PA=Pa，液面恒定：vA=0 收缩断面流速 孔口的流速系数，=0.970.98 孔口管嘴和管道流动 孔口流量 全部收缩（完善收缩、不完善收缩）、部分收缩 A是孔口面积，A0是孔口所在的壁面面积 不完善收缩 孔口管嘴和管道流动 2.淹没出流 列上下游液面能量方

2、程 2=1突然扩大阻力系数 H0淹没出流的作用水头 孔口管嘴和管道流动 物理意义：促使流体克服阻力流入到下游的全部能量 特例：P1= P2=Pa，v1= v2 =0 收缩断面流速 孔口流量 与自由出流一致 H0与孔口位置无关 孔口管嘴和管道流动 气体： 作用压力 （略去高差） 流速 流量 排气吸气 孔口管嘴和管道流动 应用：孔板流量计 注意：A孔口面积，也可查表 孔口管嘴和管道流动 3.非恒定出流（以液面下降为例） 等截面S容器，t时刻孔口水头h dt内流出体积 容器减少体积 孔口管嘴和管道流动 容器放空：h2=0 V放空容器的体积 Qmax开始出流时最大流量 放空时间是水位不下降时放空所需时

3、间的两倍 孔口管嘴和管道流动 管 嘴 出 流 l=34d的短管 1.管嘴出流 列A-A、B-B断面能量方程 H0作用水头 孔口管嘴和管道流动 流速 流量 真空的抽吸作用，流量增加 对锐缘进口的管嘴，=0.5， 孔口管嘴和管道流动 2.管嘴正常使用条件 防止气蚀 列C-C、B-B断面能量方程 w BBCC h g v g p g v g p 22 22 g v d l h B w 2 2 AvAv BCC 连续性方程 孔口管嘴和管道流动 取 A AC 2 1 1 0 2gHvB 82. 002. 03dl aB pp 解得C-C断面真空值 0 75. 0H g pp Ca 允许真空值 mhv7

4、mH3 . 9 75. 0 7 0 H0的极限值 管嘴正常使用条件之一 管嘴正常使用条件之二dl43 孔口管嘴和管道流动 3.管嘴的种类 （a）圆柱外伸管嘴； （b）圆柱内伸管嘴 ； （c）外伸收缩型管嘴 ； （d）外伸扩张型管嘴 ； （e）流线型外伸管嘴 孔口管嘴和管道流动 类型特点 圆柱外伸 管嘴 损失较大，流量较 大 0.50.8210.82 圆柱内伸 管嘴 损失大、隐蔽10.7110.71 外伸收缩 形管嘴 损失小、速度大 （消防龙头） 0.090.960.980.95 外伸扩张 形管嘴 损失大、流速低、 压力大（扩压管） 40.4510.45 流线形外 伸管嘴 损失小、动能大、 流量

5、大 0.040.9810.98 孔口管嘴和管道流动 4.例：水箱中用一带薄壁孔口的板隔开，孔口及两出 流管嘴直径均为d=100mm，为保证水位不变，流入水 箱左边的流量Q=80L/s，求两管嘴出流的流量q1、q2 孔口管嘴和管道流动 解：设孔口的流量为q 21 2hhgAq 62. 0 对管嘴 111 2ghAq82. 0 1 222 2ghAq82. 0 2 连续性方程 21 qqQ 2 qq 解得sLq/50 1 sLq/30 2 孔口管嘴和管道流动 简单管道的水力计算 短管（室内）、长管（室外，局阻不计或按%折合） 1.短管的水力计算 类比孔口、管嘴的作用水头 g v H 2 1 2 0

6、 短管的作用水头 g v d l H 2 1 2 0 孔口管嘴和管道流动 1突扩=1，H0H g v d l H 2 2 2 2 2 4 d Q v 代入，得 2 42 8 Q gd d l H SH管路阻抗S2/m5 2 QSH H 孔口管嘴和管道流动 2 42 8 Q d d l p Spkg/m7 2 QSp p 类比电路：SRH(p)UQ2I 非圆管 gA dl S e H 2 2 2 2A dl S e p 孔口管嘴和管道流动 例：某钢管制风道，断面尺寸为400200mm2，管长 80m，=2.5，v=10m/s，空气温度t=20，求压强损 失p 解：解题步骤 （1）当量直径de m

7、 ba ab de267. 0 2 （2）Ret=20，=15.710-6m2/s 5 107 . 1Re e vd 孔口管嘴和管道流动 （3）k/de钢管制风道，k=0.15mm 4 1062. 5 e d k （4）由Re和k/de查莫迪图 =0.0195 或利用阿里特苏里公式 =0.0194 （5）Sp 7 2 /782 2 mkg A dl S e p （6）p 2 2 2 /500mNvASQSp pp （7）选型 p1.2p Q1.1Q 孔口管嘴和管道流动 扬程 22 2 22 2 2 11 1 h g v g p zH g v g p z i 2 2 1 2 212 12 2 Q

8、Sh g vv g pp zzH Hi 22 QS g p HH Hi 略去速度水头 孔口管嘴和管道流动 虹吸现象 流速 孔口管嘴和管道流动 虹吸管正常工作条件 最大真空度 列1-1和最高断面C-C 的能量方程 流量 孔口管嘴和管道流动 最大安装高度 孔口管嘴和管道流动 2.长管的水力计算 局部损失（包括速度水头）不计，损失线性下降，总水 头线与测压管水头线重合 单位长阻抗比阻a gdL S a H H 52 8 52 8 dL S a p p 2 QLap p s2/m6 kg/m8 2 QLaH H 孔口管嘴和管道流动 复 杂 管 道 1.串联管道 类比电路 i QQ 22 QShSQh

9、ifif i SS 孔口管嘴和管道流动 例：铸铁管长L=2500m，流量Q=0.25m3/s，作用水头 H=25m，为充分利用水头，设计串联管道 解：（1）如按简单长管计算 62 2 /160. 0ms LQ H aH 水力计算表 aH1=0.105d1=450mm浪费水头，投资加大 aH2=0.196d2=400mm水头不够 孔口管嘴和管道流动 （2）设计串联管路 d1=450mmL1 d2=400mmL2 2211 2 LaLaQH HH LLL 21 解得 mL990 1 mL1510 2 孔口管嘴和管道流动 2.并联管道 类比电路 i QQ 22 iii QShSQh i SS 11

10、流体的自调性，阻力平衡 孔口管嘴和管道流动 例1：某两层楼的供暖立管，管段1的d=20mm，总长20m， 1=15，管段2的d=20mm，总长10m，2=15，管路 =0.025，干管总流量Q=1L/s，求Q1和Q2 解：并联 42 1 1 1 8 d d l S 711 2 /1039. 1mkgS 711 /1003. 2mkg 孔口管嘴和管道流动 1 2 2 1 S S Q Q 21 QQQ 解得 sLQ/45. 0 1 sLQ/55. 0 2 阻力平衡 水平失调 异程同程 孔口管嘴和管道流动 例2：流量Q=4L/s的泵从两个有初始液位差h=0.5m的 油箱中吸油，在节点A以前的两条管路

11、有相同的长度 l=10m和直径d=50mm，若=0.03，不计局部阻力，求： （1）泵开始吸油时，每个油箱流出的流量q1和q2各 为多少？ 孔口管嘴和管道流动 解： 2 111 qSh 2 222 qSh 52 21 8 gd l SSS 12 hhh A点连续性方程 Qqq 21 解得sLq/79. 2 1 sLq/21. 1 2 （1） 孔口管嘴和管道流动 必须pA0，列低油箱到A点的能量方程 2 222 QShh g p z A 会出现高位油箱向低位油箱倒灌的现象 注意：因q1=0，故q2=Q， 解得z1.27m （2）当h是多少时，由低位油箱流出的q2=0？ （4）当z为多高，高位油箱

12、泄空后空气不会进入泵 内，且又可使低位油箱可泄空？ 令q2=0，解得h=1.27m （3）当h1.27m时会出现什么情况？ 孔口管嘴和管道流动 管 网 计 算 特点 孔口管嘴和管道流动 1.枝状管网的水力计算（两类） （1）管网布置已定（Li，用户Qc，末端压力pc 或hc），求di，作用压力p或H新建管网 a.由连续性方程确定节点流量 b.由流量确定各管段管径 ve经济流速（规范要求） 0 i Q ei vQd4 孔口管嘴和管道流动 c.由控制线确定作用压力 cipci pQSppp i 2 或 cihci hQShhH i 2 d.阻力平衡，调整支管管径 （2）管网布置和作用压力已定，求d

13、i校核计 算，扩建管网 a.由连续性方程确定节点流量 0 i Q b.由控制线确定水力坡度 ll hH J c 孔口管嘴和管道流动 l局部损失折算成沿程损失的长度，称为局 阻的当量长度（手册可查） c.由各管段J相等条件，计算各管段管径和损失 2 2 4 2 11 i i i d Q gd J 5 1 2 2 8 gJ Q d i i g v d ll h i i i 2 2 d.校核 e.计算支管管径，并进行阻力平衡 Hhh ci 标准化 孔口管嘴和管道流动 2.环状管网的水力计算 （1）节点方程 （2）回路方程 0 i Q 0 2 iii QSh 校正流量Q 2QQShh iiii 展开，

14、略去二阶微量 QQSh iii 2 由02QQShhhhh iiiiiii i i i i ii i ii i Q h h Q QS h QS h Q 2 2 2 2 孔口管嘴和管道流动 例：两个闭合回路的管网，参数见图，不计局部阻力， 求各管段通过的流量（闭合差小于0.3m即可） 孔口管嘴和管道流动 解：取ABCD为环路1，CDEF为环路2，按顺时针绕行 （1）按Qi=0分配流量 从A点和最远点F点分配，可假设 （2）计算各管段损失并填表 2 iii QSh 注意正负号 （3）计算校正流量Q注意公共段CD 孔口管嘴和管道流动 环 路 管 段 假定流 量Qi Sihihi /QiQ 管段校 正

15、流量 校正后 的流量Qi 校正后 的hi 1 AB +0.1559.76+1.33468.897 -0.0014 -0.00140.14861.3196 BD +0.1098.21+0.98219.821-0.00140.09860.9548 DC -0.01196.42 -0.01961.960 -0.0014 -0.0175 -0.0289-0.1641 CA -0.1598.21-2.209714.731-0.0014-0.1514-2.2512 0.087435.410-0.1409 环网计算表 孔口管嘴和管道流动 环 路 管 段 假定流 量Qi Sihihi /QiQ 管段校 正流量

16、 校正后 的流量Qi 校正后 的hi 2 CD +0.01196.42 +0.0196 1.960 0.0175 +0.0175 +0.0014 0.02890.1641 DF +0.04364.42 +0.5830 14.575+0.0175 0.05751.2049 FE -0.03911.05 -0.819927.330+0.0175 -0.0125-0.1424 EC -0.08364.42 -2.332329.154+0.0175 -0.0625-1.4235 -2.549673.019-0.1969 孔口管嘴和管道流动 有压管道的水击（水锤） 可压缩、非恒定流 1.水击的物理过程

17、水击流速突然改变，压力引起大幅度波动的现象 水击具有破坏性 第一阶段 0 0 v ppp 00 水击速度a 在t=l/a时到达管道口 孔口管嘴和管道流动 第二阶段 0 0v 00 ppp 在t=2l/a时到达阀门 第三阶段 0 0 v ppp 00 在t=3l/a时到达管道口 孔口管嘴和管道流动 第四阶段 0 0v 00 ppp 在t=4l/a时到达阀门 孔口管嘴和管道流动 循环、衰减 孔口管嘴和管道流动 2.直接水击与间接水击 t=2l/a相长Ts阀门关闭时间 阀门处vvap 0 E d a a 1 0 a0水中声音传播速度（1435m/s） 水的弹性系数（2109Pa） E管材弹性系数（钢

18、：206106kPa） 管材壁厚 孔口管嘴和管道流动 （1）直接水击： （2）间接水击： tTs tTs smv/1 0 0v 100 d OmHp 2 100 p 孔口管嘴和管道流动 3.水击的危害及减弱水击的措施 （1）危害：噪声、气蚀、管道破裂、危及设备 （2）措施 a.延长阀门关闭（开启）时间 b.减小流速v0 c.增加管道弹性 d.安装蓄能器、安全阀，进行过载保护 孔口管嘴和管道流动 一、自由紊流射流的一般特征 自由紊流射流 孔口管嘴和管道流动 射流质量逐渐增加，速度逐渐降低 动量守恒动力特征 常数 2 0 2 000 2 00 2 vRAvdAv 孔口管嘴和管道流动 二、圆形断面的

19、射流 1.射流半径R ak x kxRR tg 0 0 2 喷口形状系数（圆： =3.4；长条缝： =2.44） a 喷口紊流强度系数 08. 007. 0a303027 294. 04 . 34 . 31 2 1 00 0 0 0 0 R as R s a tgR ss R R a射流结构的几何特征系数 孔口管嘴和管道流动 2.射流中心速度vm 由动量守恒方程及半径经验公式 2 5 . 1 1 R r v v m 通过变换，得 294. 0 966. 0 0 0 R as v vm 孔口管嘴和管道流动 3.射流断面流量Q 通过变换，得 294. 02 . 2 00 R as Q Q 4.断面

20、平均流速v1 2 R Q A Q v 由 得 294. 0 19. 0 0 2 0 00 1 R as R R Q Q v v 孔口管嘴和管道流动 5.质量平均流速v2 294. 0 4545. 0 0 0 0 2 R as Q Q v v 6.核心长度st和收缩角 由vm=v0，s=st代入射流中心速度vm表达式，得 aRst 0 671. 0 工程上常使用轴心附近较高的速度区，因此v2比v1更 合适反映射流轴心附近的平均速度 200 QvvQ 由 a s R tg t 49. 1 2 0 工作地带一般应在基本段 （初始段公式不再推导） 孔口管嘴和管道流动 例：某车间安装一圆形截面喷嘴的送风

21、机（a=0.08）， 送风口直径d0=0.4m，送风量Q0=2m3/s，求： （1）离送风口5m处工作区的射流半径 解： 294. 04 . 3 00 R as R R mR56. 1 mm a R st568. 1671. 0 0 由 孔口管嘴和管道流动 （3）工作区的流量 294. 02 . 2 00 R as Q Q 0 3 /1 .10QsmQ （2）此处最大风速 smvvdQ/9 .15 4 00 2 0 294. 0 966. 0 0 0 R as v vm 0 /7 . 6vsmvm 孔口管嘴和管道流动 三、平面射流 将圆形喷嘴d0（R0）换成喷口高度2b0（b0是喷口的半高度）

22、 aatg44. 2 2 11. 01 . 0a 3027系数 41. 044. 2 00 b as b b 41. 0 2 . 1 0 0 b asv vm 41. 02 . 1 00 b as Q Q 孔口管嘴和管道流动 41. 0 492. 0 0 0 1 b asv v 41. 0 833. 0 0 0 2 b asv v a b st 0 03. 1 atg97. 0 2 平面射流比圆形射流具有更大的射出能力 注：对贴附射流，用2b0代替b0 孔口管嘴和管道流动 四、温差、浓差射流 射流本身的温度或浓度与周围气体的温度或浓度有差 异除尘、采暖、通风空调工程 热量、浓度扩散比动量扩散要快些，因此边界层比速 度边界层发展要快些、厚些（为简化，常认为相同） 孔口管嘴和管道流动 再介绍一些参数和公式（以圆断面温差射流为例） 出口断面温差 e TTT 00 轴心上温差 emm TTT 截面上任一点温差 e TTT 下标“e”表示周围气 体 孔口管嘴和管道流动 1.轴心温差Tm 由热力学可知，在等压情况下，射流各横截面上相对 焓值不变热力特征 R TdQcTcQ 0 00 通过变换 294. 0 706. 0 0 0 R as T Tm 孔口管嘴和管道流动 2