总水头线与测压管水头线绘制注意问题

1、职业教育水利水电建筑工程专业水力分析与计算总水头线与测压管水头线绘制注意问题水力分析与计算项目组2015年3月有压力管道总水头线与测压管水头线绘制摘要：压力管道测压管水头线绘制是有压管道布置设计时要考虑的重点内容，绘制测压管水头线目的、压力管道进出口不同边界条件下总水头线与测压管水头线绘制及如何判断管路负压这些问题是学生学习此部分搞不清楚易出错的地方，为此对有压力管总水头线与测压管水头线绘制进行详解，供学生参考。关键词：压力管道；测压管水头线绘制；总水头线绘制；负压判断1. 测压管水头线绘制目的我们知道有压管道靠压力流动的，有压力管道在输水过程中，有时因有压管道管轴线位置过高或管中流速过大，管

2、道的局部管段会产生负压也就是相对压强小于零，即真空，当真空度较大时，水流在负压区液体汽化为气体形成气泡，气泡随水流到高压区瞬间破灭，气泡动量瞬间变为零，随着气泡破灭瞬间会对固体边壁产生强大冲击力，久而久之，固体变比材料发生剥落形成麻面蜂窝，这种现象产生工程中叫气蚀。固体边壁因气蚀而破坏，所以工程中很关心压强沿程变化，尽可能避免出现过大负压。因此，在设计管道时应分析管流压强沿程变化，了解并控制各过水断面上压强的大小，判断有压管道中哪些局部管段会出现负压。2.绘制测压管水头线思路方法知道了为什么分析压强沿程变化，下面讲分析压强沿程变化采用的方法和具体措施。能量方程可求断面压强，能量方程左右两边反映

3、的是断面总水头的沿程变化，思路是由能量方程先分析断面总水头 （z+p/r+v2/2g），再分析各断面测压管水头（z+p/r），再分析各断面压强水头p/r，最后分析压强大小p。也就是说要分析管流压强沿程变化则需要沿管道找几个典型过水断面，分析确定各个典型过水断面的总水头和测压管水头位置，然后沿程把各断面总水头连起来就是总水头线，同理沿程把各断面测压管水头连起来就是测压管水头线，也就是说通过绘制总水头线和测压管水头线（简称两线）分析压强沿程变化。3. 总水头线和测压管水头线定量绘制总水头线和测压管水头线绘制分定量绘制和定性绘制，下面先讲定量绘制。以下图为例讲解总水头线和测压管水头线定量绘制。先沿管

4、道找几个典型断面1-1、2-2、3-3、4-4、5-5 ，然后进行一下计算。 （1）选定基准面（管道出口管轴线0-0），计算管道进口前1-1断面的总水头H1；（2）计算出各管段的沿程水头损失和各个局部水头损失；（3）计算出分界断面的总水头及测压管水头；（4）以基准面为横标，以垂直基准面为纵标表示总水头或测压管水头，在各断面以一定比例确定纵标位置，即总水头、测压管水头位置，然后沿流程把各断面总水头和测压管水头连起来即可绘制出总水头线、测压管水头线。重要工程均需要定量绘制两线。4.总水头线和测压管水头线定性绘制有些工程只需要定性绘制两线即可。以下图为例讲解如何定性绘制两线。4.1定性绘制总水头线和

5、测压管水头线注意几点（1）先绘总水头线再绘测压管水头线，绘制总水头线一般从上游进口断面开始，向下游绘制，测压管水头线一般从出口断面开始，向上游绘制；（2）测压管水头线低于总水头线一个流速水头值；对于管径不变的管道，二者为倾斜下降相互平行的直线；注意的是对于管径不同的管道，二者仍相差一个流速水头值，但因流速不一样，管径不同的管道两线间距不一样，管径越大流速越小两线间距越小，一会举例说明。（3）有局部水头损失断面假设局部水头损失集中在一个断面上，总水头线画成竖直下降的直线。（4）在绘制水头线时，应注意管道进、出口的边界条件。4.2 管道进口两线绘制上面讲了定性绘制两线注意的4个问题，最重要的、学生

6、容易出错的是管道进、出口的边界条件不同两线如何绘制，下面先进行管道进口情况分析。无论上游水池中流速是否等于零，水面线即为测压管水头线，这一点分析下：水池中水流认为是均匀流或渐变流，在水池中任意选一过水断面，代表点选在水面处，代表点的测压管水头为z+p/r，其中p/r=0，压管水头等于z，z表示水面到基准面距离，无论基准面选到哪，以基准面为横坐标，以垂直基准面为纵坐标，表示此断面处测压管水头位置时都在水面处，所以水面线即为测压管水头线。图1 图2对于图1，先分析总水头线，在水池中水面线即为测压管水头线，因流速为0，两线重合都为水面线，在管道进口处有局部损失，总水头线竖直下降，进入管道后有沿程损失

7、总水头线沿管段倾斜下降，具体绘制如图；再分析测压管水头线，在水池中水面线即为测压管水头线，管段进口处及管段处，测压管水头线总是低于总水头线一个流速水头。具体绘制下如图。对于图2，先分析总水头线，在水池中水面线即为测压管水头线，因流速不等于0，总水头线比水面线高一个行近流速水头，在管道进口处有局部损失，总水头线竖直下降，因此处局部损失大于水池中的行进流速水头，总水头线竖直下降到上游水面以下，进入管道后有沿程损失总水头线沿管段倾斜下降，具体绘制如图；再分析测压管水头线，在水池中水面线即为测压管水头线，管段进口处及管段处，测压管水头线总是低于总水头线一个流速水头。具体绘制如图。4.3管道出口两线绘制

8、图3 图4 图5图3为管道出口自由出流时，自由出流时管道出口断面测压管水头线与出口断面中心重合，这一点我们分析下：管道出口断面代表点选在出口断面中心，管道出口断面的测压管水头为z+p/r，其中p/r=0，测压管水头就等于z，无论基准面选到哪，测压管水头都是管中心点到基准面距离，同样，我们以基准面为横坐标，以垂直基准面为纵坐标，此断面测压管水头位置都在管中心处，所以自由出流时管道出口断面测压管水头线与出口断面中心重合。图4为管道淹没出流，下游流速v20时，先分析总水头线，在管道出口处因有局部损失总水头线竖直下降，下降到的位置与下游水池中的总水头线有关，下游水池中因v20水面线即是测压管水头线又是

9、总水头线，所以总水头线降到下游水池水面处，然后与下游水池中的总水头线衔接，具体绘制如图。再分析测压管水头线，在管道出口处断面，代表点选在管中心处，代表点处的测压管水头为z+p/r，因下游流速v20，管道出口中心处的p/r近似按静水压强水头方法求解，p/r等于管道出口中心处水深，z+p/r管轴线位置高再加上水深就等于出口断面处水面到基准面距离，也就是说在管道出口断面处测压管水头与下游水面齐平，在水池中水面线即为测压管水头线，具体绘制如图。图5为管道淹没出流，下游流速v2不等于0时，先分析总水头线，在管道出口处因有局部损失总水头线竖直下降，下降到的位置与下游水池中的总水头线有关，下游水池中因v2不

10、等于0，水面线是测压管水头线，总水头线比水面线高一个流速水头，所以总水头线降到下游水池总水头线处，要比下游水池水面高，然后与下游水池中的总水头线衔接，具体绘制下如图。再分析测压管水头线，在管道出口处断面，代表点选在管中心处，代表点处的测压管水头为z+p/r，因下游流速v2不等于0，管道出口管中心处的p/r不能按静水压强水头方法求解，因有动能压能减小了，动水p/r小于管道出口中心处水深（刚讲了静水时p/r等于管道出口中心处水深），因p/r小于管道出口中心处水深，z+p/r位置就低于管道出口断面处水面，也就是说在管道出口断面处测压管水头比下游水面低些，不能齐平，在水池中水面线即为测压管水头线，所以

11、在管道出口断面处测压管水头因低于水面，要先上升然后与下游水池中测压管水头线即水面线衔接，具体绘制下如图。这里同学们清楚了为什么测压管水头线要从下游向上游画了吧，目的是为了好把握末端情况。管道进、出口的边界条件不同两线绘制是学生容易出错的地方，学生要理解掌握。4.4 定性绘制总水头线与测压管水头线举例定性绘制两线注意问题讲了，下面进行两线定性绘制举例：例1：根据刚才注意问题，先画总水头线：从上游向下游，先画上游水池总水头线为水面线，管道进口有局部损失总水头线竖直下降，管段仅沿程损失总水头线倾斜下降，闸阀、转弯处有局部损失总水头线竖直下降。总水头线绘制完后进行测压管水头线绘制。下面进行绘制测压管水

12、头线，从管中心向上游绘制测压管水头线，测压管水头线总低于总水头线一个流速水头，管段流速相等两线间距不变，向上游绘制，直到与上游水池测压管水头线衔接。根据绘制的总水头线和测压管水头线很容易得出管道各断面的压强水头，以任意i-i断面为例，分析能量方程中各水头，基准面选在管道出口中心所在水平面，z为i-i断面中心点到基准面距离，p/r为测压管水头减去位置水头，即为测压管水头线与管轴线间竖线，流速水头为两线间距，水头损失为水池中总水头减去水流到i-i断面水头损失。可以看出，任意断面压强水头为图中测压管水头线与管轴线间竖线，下面表示出沿程各断面压强水头（图中阴影竖线）。两线绘制以后，如何判断负压断面？负

13、压断面肯定是z+p/r小于z，也就是说测压管水头线低于位置水头了，位置水头在管断面中心点处，所以如果测压管水头线在断面中心点的上方，该断面中心点压强为正值；测压管水头线在管断面中心点的下方，该断面中心点的压强为负值。例2：先画总水头线：从上游向下游，先画上游水池总水头线比水面线（测压管水头线）高一个行近流速水头，管道进口有局部损失总水头线竖直下降降到上游水池水面以下（因为此处局部损失大于行近流速水头），管段仅沿程损失总水头线倾斜下降，管道突然缩小处、管道出口处有局部损失总水头线竖直下降，下降到与下游水池总水头线齐平，下游水池因流速等于0，水面线为测压管水头线也为总水头线，所以下降到下游水面处然

14、后与下游水面衔接。再画测压管水头线，从下向上画，下游水池中水面线为测压管水头线，管道出口断面因下游水池流速等于0，出口断面处的测压管水头应与下游水面齐平，然后向上游绘制测压管水头线，测压管水头线总低于测压管水头线一个流速水头，同一管段流速相等两线间距不变两线平行，需要说明的是，对于管径不同的管段总水头线与测压管水头线垂向间距不同，管径越大的管段流速越小，单位流程上水头损失越小，总水头线越缓，两线的间距越小；管径越小的管段流速越大，单位流程上水头损失越大，总水头线越陡，两线的间距越大。最后测压管水头线与上游水池测压管水头线衔接。按同样方法可分析沿程各断面压强水头（图中阴影竖线）。可判断负压，测压管水头线在断面中心点的上方，该断面中心点压强为正值；测压管水头线在管断面中心点的下方，该断面中心点的压强为负值