第5章有压管道的恒定流动

1、 流体力学与流体机械流体力学与流体机械第 1 页赵赵 小小 兰兰 讲师讲师 流体力学与流体机械流体力学与流体机械第 2 页赵小兰赵小兰 讲师讲师 流体力学与流体机械流体力学与流体机械第 3 页知识脉络知识脉络“三基三基”基本理论：基本理论：水力学水力学第第2 2、3 3、4 4、9 9章章 基本概念：分布于基本概念：分布于水力学水力学第第1 1章及各章章及各章 基本应用：基本应用：水力学水力学第第5 5、6 6、7 7、8 8章，章， 泵与泵站泵与泵站 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 4 页 液体运动的基本规律（连续方程；能量方程；液体运动的基本规律（连续方程；能量方程；流动阻力；水头

2、损失的规律等）流动阻力；水头损失的规律等）应用这些基本方程可解决常见的水力学问题应用这些基本方程可解决常见的水力学问题 有压管道中的恒定流（第五章）有压管道中的恒定流（第五章） 明渠恒定流（第六章）明渠恒定流（第六章） 水工建筑物水力计算水工建筑物水力计算 流体力学与流体机械流体力学与流体机械第 5 页 第五章第五章 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动液体经薄壁孔口的恒定出流液体经薄壁孔口的恒定出流液体经管嘴的恒定出流液体经管嘴的恒定出流 短管的水力计算短管的水力计算 长管的水力计算长管的水力计算测压管水头线绘制（补充）测压管水头线绘制（补充） 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 6 页

3、三峡右岸电站厂房的压力引水管三峡右岸电站厂房的压力引水管泄洪隧道泄洪隧道管网管网石油管道石油管道工程背景工程背景 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 7 页有压管道有压管道管道被水充满，管道周界各点受到液体压强作用。管道被水充满，管道周界各点受到液体压强作用。其断面各点压强，一般不等于大气压强。其断面各点压强，一般不等于大气压强。液液 体体管管 壁壁有压管道有压管道液体自由面液体自由面 管管 壁壁无压管道无压管道 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 8 页基本知识点基本知识点有压管道：有压管道：管道周界上的各点均受到液体压强的作用。 有压管中的恒定流：有压管中的恒定流：有压管中液体的运

4、动要素不随时间而变。 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 9 页有压管中的恒定流有压管中的恒定流有压管道有压管道无压管道无压管道简单管道简单管道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1、管道根据其布置情况可分为： 复杂管道又可分为：串联串联管道、并联并联管道、分叉分叉管道、 均匀泄流均匀泄流管道和管网。管网。 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 10 页长管长管短管短管自由出流自由出流淹没出流淹没出流水头损失以沿程水头损失为主，局部水头损失和流速水头在总损失中所占比重很小(5%以下)，计算时可以忽略的管道局部损失及流速水头在总损失中占有相当的比重，计算时不能忽

5、略的管道 2、根据hf与hj两种水头损失在损失中所占比重的大小，将管道分为长管长管及短管短管两类。 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 11 页注意注意 长管和短管不是按管道绝对长度判断，二是长管和短管不是按管道绝对长度判断，二是从从水力学水力学角度来区分的。角度来区分的。 对于长管，并非没有局部水头损失和流速水对于长管，并非没有局部水头损失和流速水头，而是比重小，忽略而已。头，而是比重小，忽略而已。 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 12 页 在工程中常遇到液体通过孔口孔口和管嘴管嘴的流出问题。例如：船闸室的充水和放水、容器的进出水孔；消防水枪、很短的有压涵管；通风空调工程中空气从

6、送风口的喷出。 确定流体的流出速度、流量及其影响因素是研究孔口和管嘴流出所要解决的基本问题。 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 13 页思考思考视频：视频：20 孔口出流孔口出流观察水流现象，不同孔口水流形状？观察水流现象，不同孔口水流形状？ 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 14 页5.1 液体经液体经薄壁孔口薄壁孔口的的恒定恒定出流出流 容器壁上开孔，水经孔口流出的水力现象称容器壁上开孔，水经孔口流出的水力现象称为为孔口出流孔口出流。孔口自由出流孔口自由出流孔口淹没出流孔口淹没出流孔口恒定出流孔口恒定出流孔口出流的水头损失计算以孔口出流的水头损失计算以局部水头损失局部水头损失为

7、主。为主。 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 15 页补充补充在器壁上开一带有尖锐边在器壁上开一带有尖锐边缘的孔，致使流体流过孔缘的孔，致使流体流过孔口时，只有局部阻力而无口时，只有局部阻力而无沿程阻力，这样的孔口称沿程阻力，这样的孔口称为为薄壁孔口薄壁孔口。若壁厚对流体的流出有影若壁厚对流体的流出有影响，流体流出时既有局部响，流体流出时既有局部阻力也有沿程阻力，则称阻力也有沿程阻力，则称为为厚壁孔口厚壁孔口。(a)薄壁孔口(b)厚壁孔口 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 16 页 孔口自由出流时，进入孔口前的水孔口自由出流时，进入孔口前的水流受壁面作用而弯曲，流线呈光滑流受壁面作

8、用而弯曲，流线呈光滑曲线，在水流惯性力作用下，水流曲线，在水流惯性力作用下，水流在孔口后产生水股收缩，形成在孔口后产生水股收缩，形成收缩收缩断面断面C-CC-C，其后水流扩散，并在重，其后水流扩散，并在重力作用下跌落。力作用下跌落。观察流线观察流线 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 17 页d根据根据d/Hd/H的大小可将孔口分类：的大小可将孔口分类：Fd/H 1/10d/H 1/10时孔口称为时孔口称为小孔口小孔口Fd/H 1/10d/H 1/10时孔口称为时孔口称为大孔口大孔口 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 18 页一一. .小孔口的自由出流小孔口的自由出流取基准面、过水断

9、面如图列1-1、c-c断面能量方程2220 0222CCCvvvHggg1c令gvgvHC2122200H0自由出流的作用水头 110 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 19 页gvHC2120物理意义：促使流体克服阻力，流入大气的全部能量收缩断面流速收缩断面流速00221gHgHvcC孔口流速系数，实验测得=0.97-0.98，即=0.06111c 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 20 页孔口流量孔口流量0022gHAgHAAvAvQCCC面积收缩系数AAC62. 06 . 0流量系数全部、完善收缩 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 21 页 0.970.98 0.600

10、.62 0.630.64根据试验研究，对于小孔口根据试验研究，对于小孔口 不同孔口形式的流速系数、收缩系数、流量系数不同孔口形式的流速系数、收缩系数、流量系数是不同的，可参考有关手册。是不同的，可参考有关手册。 参考：参考：水力学水力学赵振兴赵振兴 p246 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 22 页薄壁小孔口的收缩系数及流量系数的影响因素薄壁小孔口的收缩系数及流量系数的影响因素 试验证明不同形状的小孔口，试验证明不同形状的小孔口， 和和 的差别不大。不同边缘的差别不大。不同边缘结构的小孔口，薄壁小孔口的收缩系数最小，结构的小孔口，薄壁小孔口的收缩系数最小， 和和 最小。最小。当孔口边界

11、不与容器的底边、水面和侧当孔口边界不与容器的底边、水面和侧边重合时，孔口四周流线均收缩，称为边重合时，孔口四周流线均收缩，称为全部收缩孔口全部收缩孔口。全部收缩孔口又分全部收缩孔口又分完善收缩孔口完善收缩孔口和和不完不完善收缩孔口善收缩孔口。当孔口与壁面净距大于同方向孔口尺寸当孔口与壁面净距大于同方向孔口尺寸3倍以上时，孔口出流不受避面影响，这倍以上时，孔口出流不受避面影响，这种收缩称为种收缩称为完全收缩完全收缩。否则称为否则称为不完善收缩不完善收缩。 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 23 页注意注意孔口出流的几个系数面积收缩系数AAC流量系数)(111流速系数 有压管道的恒定流动有压

12、管道的恒定流动第 24 页补充：淹没出流补充：淹没出流列上下游液面能量方程gvz221112=1突然扩大阻力系数gvgvvzzC21221222121H0淹没出流的作用水头22222212222CCvvvzggg112200思考：淹没出流的流速和流思考：淹没出流的流速和流量与孔口的淹没深度关系？量与孔口的淹没深度关系？ 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 25 页物理意义：促使流体克服阻力流入到下游的全部能量收缩断面流速0012211gHgHvC孔口流量02gHAAvAvQCCCC与自由出流一致，但H意义不同，v、Q与孔深无关后面短管水力计算时的自由与淹没出流也如此H0与孔口位置无关gvH

13、C21210系数同前系数同前 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 26 页应用：孔板流量计应用：孔板流量计gpgvvgppzzH222212121002gHAQ注意：A孔口面积，也可查表 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 27 页孔口非恒定出流（补充）孔口非恒定出流（补充） 在水利工程上，经常遇到孔口非恒定出流问题。在水利工程上，经常遇到孔口非恒定出流问题。例如，水池放空、船闸充水和泄水等，这些问题均需例如，水池放空、船闸充水和泄水等，这些问题均需要计算放水和充水时间。要计算放水和充水时间。 下面讨论容器充水和放水时间的问题。下面讨论容器充水和放水时间的问题。 有压管道的恒定流动有压

14、管道的恒定流动第 28 页非恒定出流（以液面下降为例）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hdt内流出体积dtghAQdtdV2容器减少体积SdhdVt021hhdtdhghAS22122hhgASth研究思路？研究思路？ 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 29 页容器放空：h2=0max11122222QVghAShgAhStV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间的两倍 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 30 页v大孔口（d/H 1/10）可分解成为许多作用水头不相等的小孔口，按小孔口出流公式计算小孔口流量，然后积分，即可

15、得出大孔口出流公式。v计算公式相同计算公式相同v参数取值不一样参数取值不一样v闸孔出流按大孔口出流计算，流量系数见表5-1三、大孔口的自由出流三、大孔口的自由出流 = 0H 为 大孔口的形心水头，流量系数中的收缩系数 较小孔口大，因而流量系数 大。02gHAAvAvQCCCC 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 31 页练习：大孔口的自由出流练习：大孔口的自由出流 在孔口取一高度为在孔口取一高度为dh 的矩形小的矩形小孔口，设其作用水头为孔口，设其作用水头为h，则，则dhghbdAghdQ22 假设假设 值在值在e方向均匀不变，收缩断面流速分布均匀，方向均匀不变，收缩断面流速分布均匀，则则

16、)(232222312322121HHgbdhhgbdhghbdQQHHHHA 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 32 页设大孔口形心处的作用水头为设大孔口形心处的作用水头为H，则，则21eHH22eHHeHeHHeHHHH212123212323123223)223()223(所以所以gHAQ2 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 33 页思考思考 农村平顶屋外面接一根短管子？为什么不直接用孔口？视频：视频：20 孔口与管嘴出流孔口与管嘴出流 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 34 页 5.2 管嘴的恒定出流管嘴的恒定出流v在孔口上连接的短管长度为在孔口上连接的短管长度为孔径

17、的孔径的3-43-4倍时，水流经短倍时，水流经短管并充满出口断面流出的水管并充满出口断面流出的水力现象称为力现象称为管嘴出流。管嘴出流。v管嘴出流也分为自由出流和管嘴出流也分为自由出流和淹没出流。淹没出流。 11 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 35 页管嘴形式管嘴形式工程上常用管嘴：1圆柱形外管嘴2圆柱形内管嘴3圆锥形收敛管嘴4圆锥形扩张管嘴5流线形管嘴 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 36 页 一、圆柱形外管嘴恒定出流一、圆柱形外管嘴恒定出流 11 以通过管嘴出流中心的水平面为基准以通过管嘴出流中心的水平面为基准面，对面，对1-1和和b-b断面列能量方程：断面列能量方程：2

18、1222200wbhgvgvH令令gvhnw2221gvHH22110 则：则： 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 37 页00221gHgHvnn0022gHAgHAQnn 管嘴局部损失系数， 管嘴流速系数， 管嘴流量系数，nnn82. 05 . 0111nn82. 0nn对锐缘进口的管嘴，=0.5 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 38 页注意注意 管嘴和孔口出流的基本公式形式完全相同，管嘴和孔口出流的基本公式形式完全相同，但管嘴的流量系数比孔口但管嘴的流量系数比孔口大大。v圆柱形外管嘴(=0.82) v 圆小孔口(=0.62) 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 39 页

19、H1100d2pcpcpc原因原因真空的抽吸作用，流量增加真空的抽吸作用，流量增加工程上常用管嘴作泄流水管！工程上常用管嘴作泄流水管！ 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 40 页 要求管咀的长度（要求管咀的长度（3 34 4）d d，管咀太短，管咀真空，管咀太短，管咀真空度受到破坏；管咀过长，管段阻力增加，减弱流量。度受到破坏；管咀过长，管段阻力增加，减弱流量。 可以比较一下，孔口和管嘴的流量大小，假定两者可以比较一下，孔口和管嘴的流量大小，假定两者的水头和管径相同。的水头和管径相同。 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 41 页孔口外加管嘴后，增加了水头损失，但流量反而增大，原因是

20、管嘴收缩断面处真空的作用。二二. .圆柱形外管嘴的真空圆柱形外管嘴的真空 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 42 页对对2-22-2断面和收缩断面断面和收缩断面c-cc-c列能量方程列能量方程( (用绝对压强用绝对压强) )0222Hgv22222cwaccchgvpgvp因因 ，vvAAvcc1gvAAgvhcswc2) 1(222222则则2022) 11(Hppcca 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 43 页82. 0 64. 0 1c0756. 0Hpppcav而 代入上式得： 相当于管嘴的作用水头为孔口的1.756倍，即相同条件下，圆柱形管嘴的流量比孔口大的原因。 有压

21、管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 44 页补充：管嘴出流的条件补充：管嘴出流的条件v管嘴的收缩断面真空与作用水头管嘴的收缩断面真空与作用水头H0 成正比。当真成正比。当真空值达空值达7m水柱水柱时，水发生气化而破坏真空，因此收时，水发生气化而破坏真空，因此收缩断面真空度的限制，使管嘴作用水头有限制：缩断面真空度的限制，使管嘴作用水头有限制：v此外，管嘴长度也有限制，管嘴太短，水流收缩后此外，管嘴长度也有限制，管嘴太短，水流收缩后来不及扩散到整个断面，不能形成真空区，管嘴太长，来不及扩散到整个断面，不能形成真空区，管嘴太长，沿程水头损失增大，流量减小，也发挥不了管嘴的作沿程水头损失增大，流量减

22、小，也发挥不了管嘴的作用。一般管嘴长度应为管嘴直径的用。一般管嘴长度应为管嘴直径的3-4倍。倍。mH9756. 070 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 45 页mH3 . 975. 070H0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圆柱形管嘴保证流量最大的正常工作条件：圆柱形管嘴保证流量最大的正常工作条件： 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 46 页管嘴的淹没出流（了解）管嘴的淹没出流（了解）v用同样方法可推出管嘴淹没出流的基本公式，其用同样方法可推出管嘴淹没出流的基本公式，其形式与自由出流完全相同。但收缩断面的压强不形式与自由出流完全相同。但收缩断面的压强不一定

23、为真空。一定为真空。v孔口（或管嘴）变水头出流（课后练习）孔口（或管嘴）变水头出流（课后练习）变水头的放空时间等于同水头作用下恒定流泄放同体积的液体所需时间的两倍。max11122222QVgHAHAgAHAToo 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 47 页例：水箱中用一带薄壁孔口的板隔开，孔口及两出流管嘴例：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直径均为d d=100mm=100mm，为保证水位不变，流入水箱左边的流，为保证水位不变，流入水箱左边的流量量Q Q=80L/s=80L/s，求两管嘴出流的流量，求两管嘴出流的流量q q1 1、q q2 2 有压管道的恒定流动有

24、压管道的恒定流动第 48 页解：设孔口的流量为q212hhgAq62. 0对管嘴1112ghAq82. 012222ghAq82. 02连续性方程21qqQ2qq 解得sLq/501sLq/302 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 49 页 圆柱形外管嘴圆柱形外管嘴 圆柱形内管嘴圆柱形内管嘴 圆锥形收敛管嘴圆锥形收敛管嘴 圆锥形扩张管嘴圆锥形扩张管嘴 流线形管嘴流线形管嘴工程上常用管嘴： 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 50 页类型类型特点特点圆柱外伸管嘴圆柱外伸管嘴损失较大，流量较大损失较大，流量较大20.821 10.820.82圆柱内伸管嘴圆柱内伸管嘴损失

25、大、隐蔽损失大、隐蔽1 10.710.711 10.710.71外伸收缩形管嘴外伸收缩形管嘴损失小、速度大（损失小、速度大（消防龙头消防龙头）0.090.090.960.960.980.980.950.95外伸扩张形管嘴外伸扩张形管嘴损失大、流速低、压力大（损失大、流速低、压力大（引引射器和农业灌溉用的人工降雨射器和农业灌溉用的人工降雨喷嘴喷嘴）4 40.450.451 10.450.45流线形外伸管嘴流线形外伸管嘴损失小、动能大、流量大（损失小、动能大、流量大（有有压涵管，水坝的泄水管，水轮压涵管，水坝的泄水管，水轮机引水管机引水管）0.040.040.980.981 10.980.98 有

26、压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 51 页孔口、管嘴的水力特性孔口、管嘴的水力特性 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 52 页小结小结5.1 液体经薄壁孔口的恒定出流液体经薄壁孔口的恒定出流一、小孔口的自由出流小孔口的自由出流二、淹没出流二、淹没出流(补充补充) 注意系数注意系数三、大孔口的自由出流三、大孔口的自由出流00221gHgHvcC0022gHAgHAAvAvQCCCgHAQ2 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 53 页小结小结 5.2液体经管嘴的恒定出流管嘴的恒定出流一、圆柱形外管嘴的恒定出流一、圆柱形外管嘴的恒定出流二二 、圆柱形外管嘴的真空、圆柱形外管嘴的真空三

27、、其他形式管嘴三、其他形式管嘴002221gHgHvnn0022gHgHAQnn0756. 0Hpppcav 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 54 页课后任务课后任务作业作业v阅读教材p70-73vp91：5-1预习预习 v5-3 短管的水力计算v5-4 长管的水力计算 参考资料参考资料：http:/shizheng.gcbgc.mtn/content/view/109/124/ 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 55 页上节内容上节内容5.1 液体经薄壁孔口的恒定出流液体经薄壁孔口的恒定出流一、小孔口的自由出流小孔口的自由出流二、淹没出流二、淹没出流(补充补充) 注意系数注意系

28、数三、大孔口的自由出流三、大孔口的自由出流00221gHgHvcC0022gHAgHAAvAvQCCCgHAQ2 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 56 页上节内容上节内容 5.2液体经管嘴的恒定出流管嘴的恒定出流一、圆柱形外管嘴的恒定出流一、圆柱形外管嘴的恒定出流二二 、圆柱形外管嘴的真空、圆柱形外管嘴的真空三、其他形式管嘴三、其他形式管嘴002221gHgHvnn0022gHgHAQnn0756. 0Hpppcav 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 57 页管道（回顾）管道（回顾）有压管道：有压管道：管道周界上的各点均受到液体压强的作用。 有压管中的恒定流：有压管中的恒定流：有

29、压管中液体的运动要素不随时间而变。 管道根据其布置情况可分为：简单简单管道与复杂复杂管道。 复杂管道又可分为：串联串联管道、并联并联管道、分叉分叉管道、均匀泄流均匀泄流管道和管网管网。 根据hf与hj两种水头损失在损失中所占比重的大小，将管道分为长管长管及短管短管两类。 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 58 页5.3 短管的水力计算短管的水力计算 长管长管 沿程水头损失水头沿程水头损失水头为主，为主，局部损失和流速水局部损失和流速水头头在总水头损失中所占比重很小，计算时可在总水头损失中所占比重很小，计算时可忽略。忽略。短管短管 局部水头损失及流速水头局部水头损失及流速水头在总水头损失中

30、占在总水头损失中占相当比例（一般大于相当比例（一般大于5%5%），计算时均不能忽），计算时均不能忽略，例如（教材上的略，例如（教材上的3 3个例题）个例题） 水泵吸水管水泵吸水管 虹吸管虹吸管 混凝土坝内的压力泄水管等混凝土坝内的压力泄水管等 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 59 页注意注意长管和短管不是按管道绝对长度判断，二是从长管和短管不是按管道绝对长度判断，二是从水水力学力学角度来区分的。角度来区分的。对于长管，并非没有局部水头损失和流速水头，对于长管，并非没有局部水头损失和流速水头，而是比重小，忽略而已。而是比重小，忽略而已。当管道存在较大局部损失管件，例如局部开启闸当管道存在

31、较大局部损失管件，例如局部开启闸门、喷嘴、底阀等。即使管道很长，局部损失也门、喷嘴、底阀等。即使管道很长，局部损失也不能略去，必须按不能略去，必须按短管短管计算。计算。 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 60 页短管水力计算的基本公式短管水力计算的基本公式v自由出流自由出流: : 管道出口流入大气中，水股四周受大气作用管道出口流入大气中，水股四周受大气作用 v淹没出流淹没出流 管道出口淹没在水下管道出口淹没在水下教材只讨论短管自由出流情形教材只讨论短管自由出流情形 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 61 页请留意各类水头线11v000v2H00v022g21v 22g 有压管道的恒

32、定流动有压管道的恒定流动第 62 页1v000v2H00v022g21v 22g考虑考虑1-1断面和出口断面和出口2-2断面的能量方程，则断面的能量方程，则1 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 63 页2122200021222002222 wwhgvgvHHhgvgvH 12)(22022221iciiiijfwdlgvdlgvgvdlhhh令： 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 64 页gHAvAQgvwhengHAvAQgHvgvHccccc202:)(2)1 (122)1 (2000020管系流量系数）（管道自由出流流量系数管道自由出流流量系数 有压管道的恒定流动有压管道的

33、恒定流动第 65 页补充：淹没出流补充：淹没出流 淹没出流：淹没出流：管道出口淹没在水下管道出口淹没在水下请留意各类水头线11v00022z00v022gv202v 22gzv 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 66 页考虑考虑1-1过水断面和过水断面和2-2过水断面的能量方程，则过水断面的能量方程，则11v00022z00v022gv202v 22gzv 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 67 页2122220022 whgvgvz 212000222202 whgvzz:gv: letsuppose 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 68 页gvdlgvdlzthenii

34、2)(2)(:220)(2)(1(200ccigzAvAQdlgzvgvdlgvgvdlhhhiijfw2)(2222221gzAvAQthen,gv:henc202200 W 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 69 页区别区别v比较自由出流和淹没出流的流量系数：比较自由出流和淹没出流的流量系数： 两者表达式不同，但数值相等（自由出流多个两者表达式不同，但数值相等（自由出流多个2但但内少内少突扩出口）。突扩出口）。 孔口出流也如此。孔口出流也如此。v此外，作用水头此外，作用水头H0的计量不同。的计量不同。)(1icdl淹没出流淹没出流)1 (1icdl自由出流自由出流 有压管道的恒定流动

35、有压管道的恒定流动第 70 页11v00022z00v022gv202v 22gzvv2)(1icdl淹没出流：淹没出流：2134 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 71 页1 11v000v22H00v022g1v 22g123)1 (1icdl自由出流自由出流 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 72 页短管水力计算的问题1 1、已知流量、已知流量Q,Q,管道长度管道长度l l，管径，管径d d，沿程阻力系数，沿程阻力系数，局部水头损失的组成，求作用水头局部水头损失的组成，求作用水头H H。2 2、已知管道长度、已知管道长度l l，管径，管径d d，沿程阻力系数，沿程阻力系数，局

36、部，局部水头损失的组成和作用水头水头损失的组成和作用水头H H，求流量，求流量Q Q。3 3、已知流量、已知流量Q,Q,作用水头作用水头H H，管道长度，管道长度l l，沿程阻力系，沿程阻力系数数，局部水头损失的组成，求管径，局部水头损失的组成，求管径d d 。 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 73 页 已知管道长度已知管道长度l l，管径，管径d d，沿程阻力系数，沿程阻力系数 ，局部水头损，局部水头损失的组成和作用水头失的组成和作用水头H H，求流量，求流量Q Q。 （例题（例题5-1）补充例题补充例题1：已知短管：已知短管l=200m，d=400mm，H=10m，相同的相同的两个

37、弯头局部水头损失系数为两个弯头局部水头损失系数为0.25，闸门全开的局部水头，闸门全开的局部水头损失系数为损失系数为0.12，沿程阻力系数，沿程阻力系数=0.03 ，求闸门全开时通，求闸门全开时通过管道的流量过管道的流量Q。 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 74 页解：解：先计算流量系数先计算流量系数dlc112417. 012. 025. 025 . 04 . 020003. 011csmgHAQc/4254. 0108 . 924 . 0412417. 0222忽略行近水头，则忽略行近水头，则 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 75 页 已知流量已知流量Q,管道长度管道长度l

38、，管径，管径d，沿程阻力系数，沿程阻力系数，局部，局部水头损失的组成，求作用水头水头损失的组成，求作用水头H。（例题。（例题5-2）补充例题补充例题2：水箱供水，：水箱供水，l=20m，d=40mm， =0.03 ，总局部总局部水头损失系数为水头损失系数为15。求流量。求流量Q=2.75L/s时的作用水头时的作用水头H。 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 76 页解：作用水头smdQv/188. 204. 041075. 24232mgvdlH126. 58 . 92188. 2)1504. 02003. 01 (2122 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 77 页已知流量已知流量

39、Q,作用水头作用水头H，管道长度，管道长度l，沿程阻力，沿程阻力系数系数，局部水头损失的组成，求管径，局部水头损失的组成，求管径d 。例题例题3： 如图圆形有压涵管，如图圆形有压涵管，l=50m，上下游水位差，上下游水位差3m，=0.03 ，局部水头损失系数：进口局部水头损失系数：进口1 =0.5。第一个转弯。第一个转弯2 =0.71，第二个转弯，第二个转弯3 =0.65，4 =1.0，求涵管流量，求涵管流量Q=3m3/s时的设计管径时的设计管径d。 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 78 页解：有压涵管出流相当于短管淹没出流问题。解：有压涵管出流相当于短管淹没出流问题。gHAQ2243

40、214121dgHdlQ代入已知数据，化简得：代入已知数据，化简得：03718. 07089. 05dd用试算法得：用试算法得：md018. 1取标准值：取标准值：md1 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 79 页 虹吸管是一种压力输水管道，顶部弯曲且其高程虹吸管是一种压力输水管道，顶部弯曲且其高程高于上游供水水面。在虹吸管内造成真空，使作用虹高于上游供水水面。在虹吸管内造成真空，使作用虹吸管内产生真空，水流则能通过虹吸管最高处引向其吸管内产生真空，水流则能通过虹吸管最高处引向其他处。他处。虹吸管及水泵的水力计算虹吸管及水泵的水力计算 (自学)1 1 虹吸管的水力计算虹吸管的水力计算v

41、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。 虹吸管长度一虹吸管长度一般不长，故按照般不长，故按照短管短管计算。计算。 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 80 页pa1122zzs虹吸管顶部虹吸管顶部 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 81 页 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 82 页 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 83 页 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 84 页v 虹吸管顶部的真空压强理论值不能大于虹吸管顶部的真空压强理论值不能大于最大真空最大真空值（值（10mH2O）。v 当虹吸管内压强接近该温度下的汽化压强时，液当虹

42、吸管内压强接近该温度下的汽化压强时，液体将产生汽化，破坏水流连续性，可能产生空蚀破坏，体将产生汽化，破坏水流连续性，可能产生空蚀破坏，故一般虹吸管中的真空值故一般虹吸管中的真空值78mH2O。 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 85 页补充例题补充例题4(类似例类似例5-1)：如图：如图，虹吸管越过山丘输水。虹吸管虹吸管越过山丘输水。虹吸管l=lAB+lBC=20+30=50m,d=200mm。两水池水位差。两水池水位差H=1.2m，已知，已知沿程阻力系数沿程阻力系数 =0.03，局部水头损失系数：进口，局部水头损失系数：进口e=0.5 ,出口出口s=1.0 ,弯头弯头1的的1 =0.2

43、。弯头。弯头2、3的的2 = 3 =0.4，弯头，弯头4 =0.3，B点高出上游水面点高出上游水面4.5m，试求流经虹吸管的流量，试求流经虹吸管的流量Q和虹吸管顶点和虹吸管顶点B的真空度。的真空度。 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 86 页解：取解：取1-11-1和和2-22-2断面，断面，O-OO-O为基准面，列能量方程：为基准面，列能量方程：2100000whHgvdlhHw2)(221smgHdlv/51. 121smvdAvQ/0475. 04132 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 87 页再对再对2-22-2和和3-33-3断面（断面（O-OO-O为基准面），列能量方

44、程：为基准面），列能量方程：2300025 . 42wBhgvpHgvdlhsBCw2)(24323代入能量方程：代入能量方程：)(09. 55 . 42) 1(243水柱mHgvdlpsBCB虹吸管顶部的真空压强理论值不能大于虹吸管顶部的真空压强理论值不能大于最大真空值（最大真空值（10mH10mH2 2O O）。当虹吸管内压强接近该温度下的汽化压强时，液体将产生汽化，破坏当虹吸管内压强接近该温度下的汽化压强时，液体将产生汽化，破坏水流连续性，可能产生空蚀破坏，故一般虹吸管中的真空值水流连续性，可能产生空蚀破坏，故一般虹吸管中的真空值7 78mH8mH2 2O O。 有压管道的恒定流动有压管

45、道的恒定流动第 88 页例题：有一渠道用两根直径为例题：有一渠道用两根直径为1.0m的混凝土虹吸管来跨越山丘，的混凝土虹吸管来跨越山丘， 渠道上游水位为渠道上游水位为1100.0m，下游水位为，下游水位为299.0m，虹吸管，虹吸管长度长度l1 = 8m l2= 15m；l3 = 15m，中间有，中间有60的折弯两个，每个的折弯两个，每个弯头的局部水头损失系数为弯头的局部水头损失系数为0.365，若进口局部水头损失系数为，若进口局部水头损失系数为0.5；出口局部水头损失系数为；出口局部水头损失系数为1.0。试确定：。试确定： 当虹吸管中的最大允许真空度为当虹吸管中的最大允许真空度为 7mH2O

46、时，虹吸管最高安装时，虹吸管最高安装高程高程 zs为多少？为多少？ 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 89 页00BBzszl1l3l2 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 90 页 虹吸管为淹没出流虹吸管为淹没出流00BBzszl1l3l2 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 91 页s/.gHAQ.)dl(.Cg.RnC.zgzAvAQcicc3222616121985116191143250571025710136502501350240110240756898875641014011010099001002mm ）（求流量求流量 00BBzszl1l3l2 有压管道的恒定

47、流动有压管道的恒定流动第 92 页虹吸管中最大真空一般发生在管道最高位置。虹吸管中最大真空一般发生在管道最高位置。本题最大真空发生在第二个弯头前的本题最大真空发生在第二个弯头前的B-B 断面。断面。考虑考虑0-0断面和断面和B-B 断面的能量方程，则：断面的能量方程，则： 00BBzszl1l3l2 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 93 页m246222222002212122122122200.gv)dll(hzhgv)dl(zpgv)dl(gvpzhgvpzgvvsvBsBBBswBs 00BBzszl1l3l2v 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 94 页0 有一渠道用两根

48、直径为有一渠道用两根直径为1.0m的混凝土虹吸管来跨越山丘的混凝土虹吸管来跨越山丘z虹吸管顶部虹吸管顶部zs011l1l3l2BB0 虹吸管中水头线如图所示虹吸管中水头线如图所示 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 95 页 通过水泵转轮转动的作用，在水泵进口端形成真空，使水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。新的能量，从而输入压力管，再流入水塔。提水高度提水高度安装高度安装高度ZZs吸水管吸水管压水管压水管水泵向单位重量液体所提供

49、的机械能，称为水泵的扬程twwHZhh吸水管压水管水泵装置的水力计算水泵装置的水力计算 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 96 页1102334zs03224v0z1v0吸水管吸水管压水管压水管 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 97 页水泵的水力计算水泵的水力计算吸水管和压力水管吸水管和压力水管 吸水管吸水管:短管短管 压力水管压力水管:长管长管 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 98 页一、吸水管的水力计算一、吸水管的水力计算1 1、确定管径和水泵最大允许安装高程、确定管径和水泵最大允许安装高程( (例例5-2)5-2)v 吸水管的管径一般是根据允许流速计算，通常吸吸水管

50、的管径一般是根据允许流速计算，通常吸水管的允许流速约为水管的允许流速约为0.81.25 m/s，或根据有关规范，或根据有关规范 确定。确定。v流速确定后，管径可按下式计算流速确定后，管径可按下式计算允vQd4 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 99 页v水泵的最大允许安装高程，取决于水泵的最大允许水泵的最大允许安装高程，取决于水泵的最大允许真空度真空度hv 以及吸水管水头损失以及吸水管水头损失hw 。v计算方法和虹吸管允许安装高程的计算方法相同。计算方法和虹吸管允许安装高程的计算方法相同。1 1、确定管径和水泵最大允许安装高程、确定管径和水泵最大允许安装高程( (例例5-2)5-2) 有

51、压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 100 页考虑断面考虑断面1-1和水泵进口断面和水泵进口断面2-2的能量方程，则的能量方程，则 gvdlhzvs2)(22 1102334zs03224v0z1v0吸水管吸水管压水管压水管 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 101 页二、压水管的水力计算二、压水管的水力计算 2、确定管径和水泵装机容量、确定管径和水泵装机容量F 压力管管径一般是根据经济流速确定，重要工程应选择几个方案，进行技术经济比较。 F对于给排水管道可按公式确定： 80.xQd 式中，式中，x 为系数，一般取为系数，一般取x 0.81.2； d 为管径（为管径（m）；）； Q 为

52、流量为流量(m3/s)。 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 102 页1102334zs03224v0z1v0吸水管吸水管压水管压水管2001 41 41 23 40002(kW)1000twtwwwtPPvHzhgHzhzhhQHN 三、水泵的装机容量三、水泵的装机容量 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 103 页200141412340002(kW)1000twtwwwtPPvHzhgHzhzhhQHN 式中：式中：Ht 为水泵水头或者扬程（为水泵水头或者扬程（m）；）； P 为水泵和动力机械的总效率。为水泵和动力机械的总效率。 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 104

53、页1102334zs03224v0z1v0水泵的总水头线水泵的总水头线 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 105 页补充例题补充例题5：如图，水泵向水池抽水，两池中液面高差：如图，水泵向水池抽水，两池中液面高差z=45m，吸水管和压水管的直径均为吸水管和压水管的直径均为500mm，泵轴离吸水池液面高度，泵轴离吸水池液面高度h=2m。吸水管长。吸水管长10m，压水管长，压水管长90m，沿程阻力系数均为，沿程阻力系数均为0.03。局部水头损失系数：吸水口局部水头损失系数：吸水口1=3.0 ,出口出口s=1.0 ,两个两个90度弯头度弯头2 = 3 =0.3，水泵吸水段，水泵吸水段4 =0.

54、1，压水管至水池进口，压水管至水池进口5 =1.0。流。流量为量为0.4m3/s。试求水泵扬程。试求水泵扬程Ht,效率为效率为80%的轴功率及吸水管的轴功率及吸水管上水泵入口轴线的真空度。上水泵入口轴线的真空度。 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 106 页解：选取断面解：选取断面1-11-1和和2-22-2，以断面，以断面1-11-1为基准面，列能量方程。为基准面，列能量方程。21wphzHgvdlhw2)(221AQv 把已知条件代入能量方程，得：把已知条件代入能量方程，得：水柱mQdgdlzHp26.471621)(222水泵的轴功率：水泵的轴功率：kWQHNps8 .231 有压

55、管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 107 页对对1-11-1和和3-33-3断面列能量方程断面列能量方程31200023whgvphgvdlhw2)(243131吸而而水柱mhgvhpw06. 323123代入能量方程得：代入能量方程得：水泵向单位重量液体所提供的机械能用于：水泵向单位重量液体所提供的机械能用于： 1 1）将水流提高一个几何高度）将水流提高一个几何高度 2 2）克服全部水头损失）克服全部水头损失 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 108 页补充例题:水泵管路如图所示，铸铁管直径d=150mm，长度 ，管路上装有滤水网 一个，全开截止阀一个，管半径与曲率半径之比为 的弯头

56、三个，高程 h =100 m ，流量 ，水温 。试求水泵输出功率mml18065 .0RrhmQ3225C020dh 水泵管路 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 109 页解解 首先需要判断流动状态以便确定沿程阻力系数 时，水的运动粘度 ，于是C020smv2610007. 1561027. 5007. 115. 036001022544RedvQvd铸铁管Re332006002 .222 .22600,00166. 0,25. 078dddmm非光滑管紊流Re1097. 7597589d可知流动状态为紊流过渡区。dh 水泵管路 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 110 页先用经验

57、公式求 的近似值0227. 0Re6811. 025. 0d212. 6Re51. 27 . 3lg21d 解出 ，与第一次近似值相差不多，即以此值为准。02559. 0将此值代入半经验公式的右端，从其左端求 的第二次近似值，于是 从局部阻力系数表及题给出数据可知：入口 ，弯头 截止阀 ，滤水网 ，出口 ，于是得局部阻力的当量管长 5 . 029443. 09 . 361mdle98.7115. 002559. 028.12 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 111 页 管路总阻力长度水泵扬程最后得水泵输出功率mllLe25298.71180将 代入 公式中可得24dQgdLhf22mQdgLhf4 .27360015. 081. 922525202559. 0882522252mhhHf4.1274.27100kWWgQHP78780004 .12736002259810 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第 112 页思考题：用离心泵将湖水抽到水池中去，流量为思考题：用离心泵将湖