第六章孔口、管嘴

1、第六章第六章孔口、管嘴出流和有压管流孔口、管嘴出流和有压管流6-16-1薄壁孔口恒定出流薄壁孔口恒定出流 6-26-2管嘴出流管嘴出流6-36-3有压管流有压管流 6-46-4短管的水力计算短管的水力计算 6-56-5长管的水力计算长管的水力计算6-66-6管网的水力计算管网的水力计算6-76-7有压管路中的水击有压管路中的水击6-1 薄壁孔口恒定出流一、一、 基本概念基本概念孔口出流孔口出流 : :在盛有流体的容器壁上开在盛有流体的容器壁上开一孔口，流体会通过孔口流出容器的一孔口，流体会通过孔口流出容器的流动现象。流动现象。小孔口出流小孔口出流10Hd 0011ccHdl1.1.按孔口大小划

2、分按孔口大小划分大孔口出流大孔口出流10Hd 2.2.按时间大小划分按时间大小划分恒定出流：孔口处的水头保持不变恒定出流：孔口处的水头保持不变H非恒定出流：孔口处的水头随时间改变非恒定出流：孔口处的水头随时间改变H3.3.按孔口出口条件划分按孔口出口条件划分自由出流：孔口出流进入空气中的出流。自由出流：孔口出流进入空气中的出流。淹没出流：孔口出流不是进入空气，而是进入另一部分流淹没出流：孔口出流不是进入空气，而是进入另一部分流体时的出流体时的出流 。工程实例工程实例二、小孔口恒定自由出流二、小孔口恒定自由出流0011ccHdl1.孔口收缩系数孔口收缩系数 AAc64. 063. 02.孔口出流

3、流速孔口出流流速 2211 122cccwpvpvHhgggggvhhccjw220212HgvH10v 0HH行近速度行近速度 作用水头作用水头 02cvgH流速系数流速系数 10.96 0.981c3.3.孔口出流流量孔口出流流量 0022ccdQv AAgHC AgH流量系数0.60 0.62dC 1HH2Hdl002211三、小孔口恒定淹没出流三、小孔口恒定淹没出流122 ()cvg HH122 ()dQC Ag HH四、收缩系数和流量系数的影响因素四、收缩系数和流量系数的影响因素 1.1.全部收缩全部收缩: :当孔口的全部边界都当孔口的全部边界都不与相邻的容器底边和侧边重合不与相邻的

4、容器底边和侧边重合时，流体在四周方向上能够发生时，流体在四周方向上能够发生收缩。否则称为不全部收缩收缩。否则称为不全部收缩。2.2.完善收缩完善收缩 ：当孔口与相邻面：当孔口与相邻面壁的距离满足或时，壁的距离满足或时，孔口出流不受距壁面远近的影响。孔口出流不受距壁面远近的影响。否则是不完善收缩。否则是不完善收缩。 al3bl3其中为薄壁小孔口在全部、完善收缩情其中为薄壁小孔口在全部、完善收缩情况下的收缩系数值。况下的收缩系数值。64. 063. 06-2管嘴出流管嘴出流110c220cHddl)43(一、管嘴自由出流一、管嘴自由出流2211 122222wpvpvHhgggggvdlhhhjf

5、w2)(22HgvHH22101.出流流速出流流速 出流流速出流流速2001221vgHgHld10.80 0.821ld2.出流流量出流流量 2220022dQv AAgHC AgH0.80 0.82dC流量系数流量系数二、管嘴淹没出流二、管嘴淹没出流122 ()vg HH122 ()dQC Ag HH出流流速出流流速出流流量出流流量三、空化、空蚀和管嘴使用条件三、空化、空蚀和管嘴使用条件1.1.空化：当液流中存在低于液体饱和蒸汽压强的真空区时，空化：当液流中存在低于液体饱和蒸汽压强的真空区时，真空区内的液体会发生汽化，形成含有蒸汽的气泡的现象。真空区内的液体会发生汽化，形成含有蒸汽的气泡的

6、现象。 2.2.空蚀：若气泡随液流运动到高压区，气泡会溃灭，产生瞬时空蚀：若气泡随液流运动到高压区，气泡会溃灭，产生瞬时高压（能达到几千个大气压），当气泡溃灭在管壁附近时，瞬高压（能达到几千个大气压），当气泡溃灭在管壁附近时，瞬时高压的冲击能造成壁面材料的破坏的现象。时高压的冲击能造成壁面材料的破坏的现象。 3.3.收缩截面的真空度收缩截面的真空度2222 222cccjpvpvhgggg00.75cvcapppHgg 该式表明：收缩截面的真空度是作用该式表明：收缩截面的真空度是作用水头的水头的倍，管嘴的作用相当于倍，管嘴的作用相当于孔口自由出流的作用水头增大了，孔口自由出流的作用水头增大了，

7、所以管嘴比孔口的出流能力大。所以管嘴比孔口的出流能力大。 3 4%754.4.管嘴正常工作条件管嘴正常工作条件dl43mH95.5.各种形式管嘴各种形式管嘴6-3 有压管流有压管流一、有压管流和无压管流一、有压管流和无压管流有压管流：流体充满整个管道截面的流动，简称管流有压管流：流体充满整个管道截面的流动，简称管流 。 无压流动：当管道截面没有充满液体，管道内存在自由液无压流动：当管道截面没有充满液体，管道内存在自由液面，且自由液面上为大气压，简称明渠流面，且自由液面上为大气压，简称明渠流 。 二、短管与长管二、短管与长管长管：是流体在管道中流动时，其速度水头和局部损失长管：是流体在管道中流动

8、时，其速度水头和局部损失之和小于沿程损失的的有压管道。之和小于沿程损失的的有压管道。%5%5/1dl长管长管短管短管15%/ l d简单管路：由管径不变、没有分叉的管道组成。简单管路：由管径不变、没有分叉的管道组成。 复杂管路：由两根或两根以上的简单管道组合而成的管道系统复杂管路：由两根或两根以上的简单管道组合而成的管道系统。 三、简单管道与复杂管路三、简单管道与复杂管路四、标准管径和经济流速四、标准管径和经济流速标准管径：是在工程实际中常使用的各种管道的标准直径，标准管径：是在工程实际中常使用的各种管道的标准直径，各种钢管和铸铁管的标准管径可查阅工程手册。各种钢管和铸铁管的标准管径可查阅工程

9、手册。经济流速经济流速ev0.6 1.0m/sev 100 400mmd 1.0 1.4m/sev 400mmd 供水管道供水管道 6-4 短管的水力计算短管的水力计算一、短管自由出流一、短管自由出流221 12222aawppvvHhgggg21 102vHHHggvgvdlhhhcjfw22)(220211gHvc001221ccQvAAgHAgH总损失系数总损失系数流量系数流量系数cc11二、短管淹没出流二、短管淹没出流waahgvpgvpH2222200HgvvHH222200022wcvhg021gHvc00221gHAgHAvAQcccc1流量系数流量系数三、短管水力计算的问题三、

10、短管水力计算的问题 短管恒定出流计算问题有以下三种基本类型：短管恒定出流计算问题有以下三种基本类型： H0HdQ（1 1）已知流量）已知流量、管路直径和局部损失组成，计算、管路直径和局部损失组成，计算，如设计水箱或水塔高度问题。，如设计水箱或水塔高度问题。d0HQ（2 2）已知作用水头、管径和局部损失组成，）已知作用水头、管径和局部损失组成，计算流量计算流量 。evd0HQ（3 3）已知流量、作用水头和局部损失组成，设计）已知流量、作用水头和局部损失组成，设计管路直径。此时，会应用到经济流速的问题。管路直径。此时，会应用到经济流速的问题。四、实例分析四、实例分析1.1.水泵吸水管的水力计算水泵

11、吸水管的水力计算2.2.虹吸水力计算虹吸水力计算真空输水：真空输水：世界上最大直径的虹吸管世界上最大直径的虹吸管(右侧直径右侧直径1520毫米、左毫米、左侧侧600毫米毫米),虹吸高度均为八米，犹如一条巨龙伴游一条小龙虹吸高度均为八米，犹如一条巨龙伴游一条小龙匐卧在浙江杭州萧山区黄石垅水库大坝上，尤为壮观，已获匐卧在浙江杭州萧山区黄石垅水库大坝上，尤为壮观，已获吉尼斯世界纪录吉尼斯世界纪录 。虹吸管计算简图虹吸管计算简图121212bdHHll、 、已知已知确定确定gvdllHsebe2)(000002211sebedllgHv211222112244ebsegHQvA vddlld列列1 1

12、2 2截面的伯诺里方程截面的伯诺里方程列列1 1A A截面的伯诺里方程截面的伯诺里方程2211120 0()22AebplvvHHHggdg A A点真空度点真空度212()2AvebplvhHgdg 虹吸管工作的条件虹吸管工作的条件虹吸管段一定有部分管段高出自由供水面；虹吸管段一定有部分管段高出自由供水面；虹吸管中的最大真空度不能超过虹吸管中的最大真空度不能超过7 78m8m水柱。水柱。例一横跨河道的倒虹吸管如图示。已知上下游水位例一横跨河道的倒虹吸管如图示。已知上下游水位差，管长，各阻力系数：沿程，差，管长，各阻力系数：沿程，进口，出口，转弯，若设计流量进口，出口，转弯，若设计流量为，试确

13、定虹吸管直径。为，试确定虹吸管直径。3mz 50ml 0.0310.533m /sQ 21.030.65解解取取A、B自由液面为过流截面，列伯诺里方程自由液面为过流截面，列伯诺里方程0 00 0ABwHHh 其中其中ABHHz2132(2)2wlvhdg24Qvd代入上式并代入已知数据得代入上式并代入已知数据得532.080.7450dd用牛顿迭代法计算出用牛顿迭代法计算出0.98md 取标准管径取标准管径100mmd 6-5 长管的水力计算长管的水力计算一、简单管路一、简单管路 H001122ld,221 12222aawppvvHhggggwfHhh（1 1）按比阻计算）按比阻计算222f

14、l vHhSlQdg比阻比阻258Sgd（2 2）按流量模数计算）按流量模数计算22fQHhlK流量模数流量模数nARRCASK3211.1.水力计算公式水力计算公式2.2.比阻的确定比阻的确定（1）采用舍维列夫公式求比阻）采用舍维列夫公式求比阻 5.30.001736Sd1.2m/sv 属于紊流粗糙区属于紊流粗糙区 0.30.8670.852(1)SSkSv1.2m/sv 属于紊流过渡区属于紊流过渡区 0.30.8670.852(1)kv修正系数修正系数 （2 2）按曼宁公式计算比阻）按曼宁公式计算比阻 33. 523 .10dnS n为粗糙系数 二、串联管路二、串联管路w 2SlQhHf（

15、能量关系）（能量关系）w iiiqQQ1（流量关系）（流量关系）三、并联管路三、并联管路w iiqQQ（流量关系）（流量关系）w ABffffhhhh321（能量关系）（能量关系）四、沿程均匀泄流管路四、沿程均匀泄流管路qlQt总途泄流量总途泄流量 dxlxQQQSdxSQdhttzxf22)()31()(22020ttzzlttzlffQQQQSldxlxQQQSdhh22)55. 0(ctzfSlQQQSlh0.55ctzQQQ计算流量计算流量6-6 管网的水力计算管网的水力计算1.管网：是由一些简单的串联和并联管路所组成的管道管网：是由一些简单的串联和并联管路所组成的管道系统，一般分为枝

16、状管网和环状管网两种。系统，一般分为枝状管网和环状管网两种。一、管网的分类一、管网的分类（1）枝状管网是多条管段串联而成的干管和干管相连的多条支）枝状管网是多条管段串联而成的干管和干管相连的多条支管所组成。其特点是管网内任一点只能向一个方向供水。若管管所组成。其特点是管网内任一点只能向一个方向供水。若管网内某一点断流，则该点之后的各管段供水有问题，其优点是网内某一点断流，则该点之后的各管段供水有问题，其优点是节省管材、造价低，缺点是供水可靠性差。节省管材、造价低，缺点是供水可靠性差。 （2 2）环状管网是由多条管段互相连接成闭合形状的管道系统。）环状管网是由多条管段互相连接成闭合形状的管道系统

17、。其特点是管网内任一点均可由不同方向供水，若管内任一点断其特点是管网内任一点均可由不同方向供水，若管内任一点断流，水可以从其他方向向下游供水，其优点是供水可靠性好，流，水可以从其他方向向下游供水，其优点是供水可靠性好，缺点是管材消耗大、造价高。缺点是管材消耗大、造价高。 2.2.两种管网的优缺点两种管网的优缺点二、枝状管网的水力计算（二、枝状管网的水力计算（新建和扩建供水系统）HdzHQl（1 1）新建供水系统的设计：已知管路沿线地形、各管段长度）新建供水系统的设计：已知管路沿线地形、各管段长度、通过流量和端点的自由水头，要求确定各管段直径和水塔通过流量和端点的自由水头，要求确定各管段直径和水

18、塔高度。高度。根据经济流速确定已知根据经济流速确定已知流量下各管段的直径，然流量下各管段的直径，然后计算各段的水头损失后计算各段的水头损失 2iiifiQlSh按串联管路计算干管起点的水塔水面距地面的总水头按串联管路计算干管起点的水塔水面距地面的总水头 0zzHhHzfQzHlH（2 2）扩建供水系统的设计：已知管路沿线地形、水塔高度）扩建供水系统的设计：已知管路沿线地形、水塔高度 、管段长度管段长度 、控制点的自由水头、控制点的自由水头 和通过流量和通过流量 ，要求确定，要求确定管径。管径。枝状管网各管线已知条件，算出它们各自的平均水力坡度枝状管网各管线已知条件，算出它们各自的平均水力坡度

19、izlHzzHJ)(0干线上按水头损失均匀分配，即各管段水力坡度相等的条干线上按水头损失均匀分配，即各管段水力坡度相等的条件，计算各管段的比阻件，计算各管段的比阻2iiQJS iSid按照求得的，来确定各管段的直径。按照求得的，来确定各管段的直径。1500ml 2700ml 3350ml 4300ml 1250mmd 2150mmd 3150mmd 4200mmd 30.045m /sBQ 30.020m /sDQ 330.1 10 m /sq8mzH H例例 供水系统如图所示供水系统如图所示各管段长度各管段长度 各管段直径各管段直径 节点节点B流量流量 节点节点D流量流量 管段管段CD均匀泄

20、漏流量均匀泄漏流量 D点自由水头点自由水头 地面高程见图地面高程见图 试求水塔所需高度试求水塔所需高度H 解解 查表易知各管段比阻值如下：查表易知各管段比阻值如下：2612.752s /mS 262341.85s /mSS2649.029s /mS （1 1）管）管2 2与管与管3 3并联，易知并联，易知 22232 223 332312ffhhS l QS l QQQ32340.05m /sDQQQql联立以上两式解得：联立以上两式解得： 320.021m /sQ 330.029m /sQ （2 2）求各管段水头损失）求各管段水头损失23244 44(0.55)9.029 300 (0.02

21、0.1 10300)6.77mfDhS l Qql2222 2241.85 700 (0.021)12.92mfhS l Q23211 14()2.752 500 (0.0450.020.1 10300)12.42mfBDhS l QQql（3 3） 求水塔高度求水塔高度 fzDAHhHzz124012.42 12.926.778 100 10436.11mfffzHhhhHzz 6-7有压管路中的水击在有压管路中，由于某种原因，如阀门突然关闭、开启或在有压管路中，由于某种原因，如阀门突然关闭、开启或水泵突然停止工作时，使得水的流速突然发生变化，从而引起压水泵突然停止工作时，使得水的流速突然发

22、生变化，从而引起压强急剧升高和降低的交替变化，并以一种压力波的形式在管道中强急剧升高和降低的交替变化，并以一种压力波的形式在管道中来回传播，不断锤击管壁，造成管道的振动和轰鸣，这种现象称来回传播，不断锤击管壁，造成管道的振动和轰鸣，这种现象称为水击。为水击。 一、水击的定义一、水击的定义二、水击的传播过程二、水击的传播过程0vpp00p0t第一阶段：减速增压波逆流传播。在第一阶段：减速增压波逆流传播。在 瞬时，阀门瞬时，阀门K K突然关突然关闭，紧靠阀门的水体流速突变为零，压强由闭，紧靠阀门的水体流速突变为零，压强由 迅速增加迅速增加到到 ，上游水流仍然以速度，上游水流仍然以速度 向下游流动，

23、造成水的压向下游流动，造成水的压缩和管壁的膨胀。紧挨着该段水体的那部分流体也被迫停下来，缩和管壁的膨胀。紧挨着该段水体的那部分流体也被迫停下来，依次，管内流体逐层停止流动，管内压强逐层增加，以增压波依次，管内流体逐层停止流动，管内压强逐层增加，以增压波的形式从阀门向上游传播。的形式从阀门向上游传播。0/tl c c波速0ppp0p0vpp00p第二阶段：减速减压波顺流传播。由于水池体积大，池内液面第二阶段：减速减压波顺流传播。由于水池体积大，池内液面不会因管中水击而发生变化此时管道进口外侧压强为，内不会因管中水击而发生变化此时管道进口外侧压强为，内侧压强为，在压强差的作用下使管内静止水流以速侧

24、压强为，在压强差的作用下使管内静止水流以速度向上游倒流。于是管内被压缩的水体和膨胀的管壁恢复度向上游倒流。于是管内被压缩的水体和膨胀的管壁恢复原状，管内压强由逐渐减为，此时，产生一种减压波原状，管内压强由逐渐减为，此时，产生一种减压波（反射波）从管道进口向阀门传播。（反射波）从管道进口向阀门传播。 /2 /l ctl c clt/20v0ppp00v 第三阶段：增速减压波逆流传播。在瞬时，由于惯性，第三阶段：增速减压波逆流传播。在瞬时，由于惯性，阀门处的水继续以速度向水池方向倒流，而阀门关闭，没有阀门处的水继续以速度向水池方向倒流，而阀门关闭，没有水补充，此时压强将由逐渐下降为，水流速度逐渐由水补充，此时压强将由逐渐下降为，水流速度逐渐由变为零，管壁收缩，产生的增速