第五章 孔口、管嘴出流和有压管路

1、孔口、管嘴出流和孔口、管嘴出流和有压管路有压管路 第五章第五章孔口出流管嘴出流有压管道：有压管道：管道周界上的各点均受到液体压强的管道周界上的各点均受到液体压强的作用。作用。有压管中的恒定流有压管中的恒定流：有压管中液体的运动要素不：有压管中液体的运动要素不随时间而变。随时间而变。本章纲要：n第一节第一节 液体经薄壁孔口的恒定出流液体经薄壁孔口的恒定出流 n第二节第二节 液体经管嘴的恒定出流液体经管嘴的恒定出流 n第三节第三节 短管的水力计算短管的水力计算n第四节第四节 长管的水力计算长管的水力计算 n第五节第五节 管网水力计算基础管网水力计算基础第一节第一节 液体经薄壁孔口的恒定出流液体经薄

2、壁孔口的恒定出流 一、孔口出流的分类与特点一、孔口出流的分类与特点n据据d/Hd/H的比值：的比值：小孔口小孔口d/H 0.1 d/H 0.1 ，大孔口，大孔口d/H0.1d/H0.1。n据运动要素是否随时间变化：据运动要素是否随时间变化： 恒定出流和非恒定出流恒定出流和非恒定出流 n据孔口边缘：据孔口边缘： 薄壁孔口和厚壁孔口。薄壁孔口和厚壁孔口。n据下游出流条件：据下游出流条件：自由出流淹没出流二、薄壁小孔口的自由出流二、薄壁小孔口的自由出流收缩断面收缩断面c-cc-c：约在距孔口：约在距孔口d d/2/2处收缩完毕，处收缩完毕，流流线在此趋于平行线在此趋于平行。000221gHgHvcc

3、建立0-0和c-c断面的能量方程000200221,2)(gHvgHvgvHccccc000200221,2)(gHvgHvgvHccccc02002HgvH02002HgvH011其中令cc/令0022gHgHvQcc令gvgvgvHccc222202200流速系数0.970.98定义为收缩系数流量系数（作用水头）薄壁小孔口出流的各项系数薄壁小孔口出流的各项系数 n流速系数 ，实验测得约为 0.970.98。n孔口的局部阻力系数0n孔口的收缩系数n孔口的流量系数 ，对薄壁小孔口= 0.600.62。 00111c06. 097. 011122064.0/c三、薄壁小孔口的淹没出流三、薄壁小孔

4、口的淹没出流建立1-1和2-2断面的能量方程gvgvgvgvzcc2222220222211扩gvzc2) 1(20gzgzvc22110gzgzvQcc22流速、流量流速、流量与孔口的淹与孔口的淹没深度无关没深度无关gzgzvc2211gzgzQ2200221gHgHvc淹没出流和自由出流流量系数相等孔口大小一定,出流能力相等H0和和z是促成是促成孔口出孔口出流的作流的作用水头用水头gzgzvc2211gzgzQ22孔板流量计P03bl3aab 完善不完善全部收全部收缩孔口缩孔口 完善收缩：孔口与相邻壁面的距离大于孔完善收缩：孔口与相邻壁面的距离大于孔 口尺寸的口尺寸的3倍，出流不受壁面影响

5、倍，出流不受壁面影响 。 不完善收缩：不完善收缩： 四、四、影响影响 的因素的因素 第二节第二节 液体经管嘴的恒定出流液体经管嘴的恒定出流 n外接外接l=(3l=(34)d4)d的短管的短管n水流进入管嘴水流进入管嘴, , 先收缩，后扩大至满管出流。先收缩，后扩大至满管出流。 一、一、圆柱形外管嘴的恒定出流圆柱形外管嘴的恒定出流gvgvgvHn22222200管嘴出流的流速系数82. 05 . 0112212)(0020nnnngHgHvgvH)82. 0(20nnngHvQ建立0-0和b-b断面的能量方程)82. 0(20nnngHvQ管嘴出流的流速系数82. 05 . 0112212)(0

6、020nnnngHgHvgvH管嘴出流的流速系数82. 05 . 0112212)(0020nnnngHgHvgvH0.5管道进口损失系数n管路进管路进口损失口损失 02gHQ02gHQn比较孔口出流管嘴出流nn= 0.82 ;= 0.62 nn= 1.32n在相同条件，管嘴的过流能力是孔口的1.32倍。 建立0-0和c-c断面的能量方程。二、二、圆柱形外管嘴的真空圆柱形外管嘴的真空 )(212)(22200200202200cacccccaccccappHgvgvppHgvgvpgvpH)(2)(200cacaccppHgppHgvQ)(212)(22200200202200caccccca

7、ccccappHgvgvppHgvgvpgvpH)(212)(22200200202200cacccccaccccappHgvgvppHgvgvpgvpH000020220021)(222gHvppHgvgvpgvpHccccacccca孔口出流00075. 0)(262. 0282. 0HppppHggHcaca故圆柱形外管嘴的正常工作条件 n收缩断面的真空受限制,。n圆柱形外管嘴的正常工作条件是：n(1)作用水头H09米；n(2)管嘴长度l=(34)d。 OmHppca27n工程上为了增加孔口的泄水能力或为了增加(减少)出口的速度，常采用不同的管嘴形式。三、其他形式的管嘴三、其他形式的管嘴

8、 圆锥形扩张管嘴，较大 圆锥形收敛管嘴， 流线形管嘴，过流能力，较小出口流 较大出口流速，阻力系数小，速，水轮机尾水管。 水力挖土机喷嘴。 水坝泄水管 孔口、管嘴的水力特性有压管道：有压管道：管道周界上的各点均受到液体压强的管道周界上的各点均受到液体压强的作用。作用。有压管中的恒定流有压管中的恒定流：有压管中液体的运动要素不：有压管中液体的运动要素不随时间而变。随时间而变。第三节第三节 短管的水力计算短管的水力计算n1.1.短管和长管短管和长管 n 短管短管是指管路中水流的流速水头和局部水头损是指管路中水流的流速水头和局部水头损失都不能忽略不计的管道；失都不能忽略不计的管道；n 长管长管是指流

9、速水头与局部水头损失之和远小于是指流速水头与局部水头损失之和远小于沿程水头损失，在计算中可忽略的管道沿程水头损失，在计算中可忽略的管道. .n（局部水头损失（局部水头损失+ +流速水头）流速水头）5%5%的沿程水头损失，的沿程水头损失，可以按长管计算。可以按长管计算。通常通常l/dl/d10001000管道分类 简单管道简单管道: :指直径和流量沿流程不变且无分支的管道；指直径和流量沿流程不变且无分支的管道；否则为否则为复杂管道复杂管道简单管道简单管道串联管道串联管道并联管道并联管道2.简单管道和复杂管道简单管道和复杂管道自由出流自由出流淹没出流淹没出流3.3.自由出流和淹没出流自由出流和淹没

10、出流一、一、简单短管自由出流 gvgvdlgvgvH2222222200gvHH22000gvdlgvdlH2)1 (2)(22002gHvQcdlc11管路流量系数 0211gHdlv二、二、简单短管淹没出流 gvdlhzw2)(2gzdlv21出口gzvQc2出口dlc11出口0211gHdlv三、三、水头线的绘制 绘制从管道绘制从管道进口以后进口以后到到出口以前出口以前的总水头线。的总水头线。gvhmgvdlhf2222Z+p/r总水总水头线头线00gv220原始原始总水总水头头gv22总水头线减去速度水头得测压管水头线总水头线减去速度水头得测压管水头线 计算各项局部水头损失和各管段的沿

11、程水头损失。计算各项局部水头损失和各管段的沿程水头损失。hfgvhmgvdlhf2222总水总水头线头线00gv220原始原始总水总水头头gv2200gv220gv2200gv22000gv220gv220原始原始总水总水头头最终最终总水总水头头管道流速水头管道流速水头 v2/2g原始原始总水总水头头00gv220gv220管道流速水头管道流速水头 v2/2g最终最终总水总水头头00管道流速水头管道流速水头 v2/2g最终最终总水总水头头考虑考虑行近行近流速流速忽略忽略行近行近流速流速注意事项 进口：注意总水头线的起点。 出口：注意测压管水头线的终点。 没有额外的能量输入时，总水头线总是下降的

12、，有额外的能量输入时，总水头线突然抬高。举例短管自由出流短管自由出流 短管淹没出流短管淹没出流 有负压的短管一有负压的短管一V00202Vg22Vg00z此断面相此断面相对压强对压强p/01122总水头线总水头线测压管水测压管水头线头线管道管道v2/2g1、总水头线一定沿程降低2、测压管水头线沿程可升可降。（断面扩大升，一般情况降）z/pgv22 13420000v22/2g最终最终总水总水头头v12/2gL1L2思考:突扩断面的压能变化规律?ZZs吸水管吸水管压水管压水管总水头线总水头线测压管水测压管水头线头线3、已知Q、H0 、l、 、 ，求 d1、已知Q、d、l、 、 ，求H0四、短管水

13、力计算问题四、短管水力计算问题 2、已知H0 、d、l、 、 ，求Q试算whgvpzgvpz2222222211114、已知Q、H0 、l、 、 ， d,求p虹吸管虹吸管: :一种压力输水一种压力输水管道管道顶部高程高于顶部高程高于上游供水水面上游供水水面利用真空作用输水利用真空作用输水。为防止汽化，允许最大真为防止汽化，允许最大真空值空值hvhv=(7=(78mH2O)8mH2O)；1.虹吸管的水力计算虹吸管的水力计算虹吸管的优点在于能跨越高地，减少挖方虹吸管的优点在于能跨越高地，减少挖方。虹吸管长度一般不大，应按短管计算。虹吸管长度一般不大，应按短管计算。2.水泵的水力计算Z:提水高度提水

14、高度Zs :安装高度安装高度ZZs吸水管吸水管压水管压水管水泵的扬程水泵的扬程:水泵向单位重量液体所提供水泵向单位重量液体所提供的机械能的机械能,用用Ht表示。表示。Ht水泵的水力计算：水泵的水力计算：n吸水管和压力水管管径计算吸水管和压力水管管径计算n最大允许安装高度计算最大允许安装高度计算n水泵扬程计算水泵扬程计算l吸水管和压力水管管径计算吸水管和压力水管管径计算 吸水管的经济流速约为吸水管的经济流速约为0.82m/s压力水管经济流速压力水管经济流速1.52.5m/s允vQd4 吸水管的管径一般是根据经济流速计算吸水管的管径一般是根据经济流速计算由由Q=v,管径可按下式计算管径可按下式计算

15、l水泵的最大允许安装高程水泵的最大允许安装高程ZZs吸水管吸水管压水管压水管1122002122222wsahgvpzpgvgvdlgvppzas22222222222对对1和和2断面列能量方程断面列能量方程l水泵扬程的水力计算水泵扬程的水力计算ZZs吸水管吸水管压水管压水管110330对对1和和3断面列能量方程断面列能量方程表明扬程一方面是用来将水流提高一个几何高表明扬程一方面是用来将水流提高一个几何高度，另一方面是用来克服水头损失度，另一方面是用来克服水头损失310wthzH压力管吸水管wwthhzH第四节第四节 长管的水力计算长管的水力计算 一、简单管路一、简单管路 mfhhgvgvH2

16、2222212gvdlhHf22总水总水头线头线gv220gv22hfH:作用水头作用水头(沿程损失的提供沿程损失的提供者）者）22441dQvvdQ,8216252422lQdgdgQdlhf528dgA2AlQhfgvdlhHf22A:管路比阻管路比阻比阻比阻A A的计算的计算5.30.001736AdkAdvA3 . 53 . 0001736. 0867. 01852. 0当当V1.2m/s(阻力平方区阻力平方区)当当V1.2m/s (过渡区过渡区) 528dgA3 . 0867. 01852. 0vk令3 . 03 . 0)867. 01 (0179. 0s/m2 . 1vdv3 .

17、00210. 0s/m2 . 1dv舍维列夫公式舍维列夫公式过渡区修过渡区修正系数正系数已知已知:管长管长2500m,铸铁管内径铸铁管内径400mm, H1=18m,管管路末端需自由水头路末端需自由水头H2=25m, 1=61m,2=45m求通过管路的流量求通过管路的流量mHHhfhfHH92545186122112211d=400mm，计算得，计算得A=0.2232s2/m6smAlhfQ/127. 025002232. 093验算是否在阻力平方区，计算验算是否在阻力平方区，计算v=1.01m/s400mm ve=1.01.4m/s先选定先选定vd计计d标准标准验算验算v2、计算各管段的水头

18、损失、计算各管段的水头损失 2AlQhfvQd43、确定控制点：、确定控制点：水塔至该点的水头损失水塔至该点的水头损失+该点的地形标高该点的地形标高+该点要求的自由水头该点要求的自由水头=最大值最大值1222122211AlQHHAlQHH4、计算水塔高、计算水塔高Ht ：1 1、确定各管段流量、确定各管段流量, ,按经济流速按经济流速确定管径确定管径1m/sev 3-4管段，Q=25l/s，采用经济流速选铸铁管, d=200mmA9.029, 因0.8m/s1.2m/s，在过渡区2、计算各管段的水头损失、计算各管段的水头损失 v=0.8m/s修正系数k=1.06已知数值计算所得数值管段管长(m)流量Q(l/s)d(mm)流速v(m/s)A(s2/m6)修正系数khf(m)左支线3-42-31-235035020025458020025