流体力学第七章PPT学习教案

1、会计学1流体力学流体力学(li t l xu)第七章第七章第一页，共81页。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第1页/共81页第二页，共81页。2022-5-83有压管道恒定有压管道恒定(hngdng)流的水力计算问题：流的水力计算问题： 孔口、管嘴、短孔口、管嘴、短 管、长管、离心水泵等管、长管、离心水泵等的水力计算问题。的水力计算问题。第2页/共81页第三页，共81页。2022-5-84孔口。孔口。第3页/共81页第四页，共81页。2022-5-85孔口孔口(kn ku)(kn ku)分类分类小孔口小孔口 大孔口大孔口(kn ku) (kn

2、 ku) 出流出流自由自由(zyu)(zyu)出流出流 淹没出流淹没出流 直接进入空气中直接进入空气中流入下游水体中流入下游水体中 第4页/共81页第五页，共81页。2022-5-86恒定出流：当孔口恒定出流：当孔口(kn ku)出流时，水箱出流时，水箱中水量如能得到源源不断的补充，从而使孔中水量如能得到源源不断的补充，从而使孔口口(kn ku)的水头不变，此时的出流称为的水头不变，此时的出流称为恒定出流。恒定出流。 非恒定出流：当孔口出流时，水箱中水量得不非恒定出流：当孔口出流时，水箱中水量得不到补充，则孔口的水头不断变化，此时到补充，则孔口的水头不断变化，此时(c sh)的出流称为非恒定出

3、流。的出流称为非恒定出流。 第5页/共81页第六页，共81页。2022-5-87孔口出流的水力孔口出流的水力(shul)要素关系式推要素关系式推导要点：导要点：应用应用Bernoulli方程，在渐变流断面方程，在渐变流断面O-O 与收缩断面与收缩断面C-C之间建立之间建立(jinl)能量方程能量方程220 0022acccpvpvHhgg水箱的微小水头损失可以忽略，故水箱的微小水头损失可以忽略，故h 只只是是 水流经孔口的局部水头损失，即水流经孔口的局部水头损失，即202cmvhhgcapp第6页/共81页第七页，共81页。故故令令20002vHHg得得 流速流速(li s)系数系数 实验测得

4、孔口实验测得孔口(kn ku)流速系数流速系数 = 0.970.98 00孔口的局部阻力孔口的局部阻力(zl)(zl)系数系数第7页/共81页第八页，共81页。2022-5-89设孔口断面的面积设孔口断面的面积(min j)为为，收缩断面的面积，收缩断面的面积(min j)为为c，则，则 1c 称为收缩系数，于是孔口称为收缩系数，于是孔口(kn ku)的出流量为的出流量为0022ccQvgHgH式中式中=为孔口出流的流量系数为孔口出流的流量系数第8页/共81页第九页，共81页。2022-5-810大孔口可当作由许多大孔口可当作由许多(xdu)小孔口组成小孔口组成小孔口的流量计算公式也适用于大孔

5、口小孔口的流量计算公式也适用于大孔口0022ccQvgHgH式中：式中： =大孔口的流量系数大孔口的流量系数 =大孔口的过水大孔口的过水(u shu)断面面积断面面积 H0=大孔口的形心的水头大孔口的形心的水头淹没出流？淹没出流？第9页/共81页第十页，共81页。2022-5-811在孔口在孔口(kn ku)处接一长处接一长L(34)d的短管，水流通过的短管，水流通过短管的出流称为管嘴出流。短管的出流称为管嘴出流。1. 圆柱形外管嘴的恒定圆柱形外管嘴的恒定(hngdng)出流出流应用应用Bernoulli方程，在渐变流断面方程，在渐变流断面O-O 与收缩断面与收缩断面b-b之间建立能量方程之间

6、建立能量方程220 022vvHhgg22nvhg第10页/共81页第十一页，共81页。令令20002vHHg管嘴出口管嘴出口(ch ku)速度速度管嘴出口管嘴出口(ch ku)流量流量0022nnQgHgH 式中：式中： 管嘴阻力管嘴阻力(zl)(zl)系数系数 n= 0.5 n= 0.5 管嘴流速系数管嘴流速系数 管嘴流量系数，因出口无收缩管嘴流量系数，因出口无收缩n=n= 0.82 n=n= 0.82 显然显然n /= (0.82/0.62)=1.32。可见在相同条件，管嘴的过流。可见在相同条件，管嘴的过流能力是孔口的能力是孔口的1.32倍。倍。第11页/共81页第十二页，共81页。练练

7、 习习 题题正确正确(zhngqu)答答案：案：B第12页/共81页第十三页，共81页。2. 圆柱形外管嘴的真空圆柱形外管嘴的真空(zhnkng)孔口外面加管嘴后，增加了阻力孔口外面加管嘴后，增加了阻力(zl)(zl)，但是流量反而增加，但是流量反而增加Why？由于管嘴水流的收缩断面处出现由于管嘴水流的收缩断面处出现(chxin)了真空了真空 第13页/共81页第十四页，共81页。2022-5-815 应用应用(yngyng)Bernoulli方程，在收缩断面方程，在收缩断面c-c与收缩断面与收缩断面b-b间建立能量方程间建立能量方程2222ccampvpvhgg得得2222accmppvvh

8、gg02ngH1cc22mcbhg第14页/共81页第十五页，共81页。得得22021(1) acnppH对圆柱形外管嘴：对圆柱形外管嘴：=1， =0.64， =0.82圆柱形外管嘴水流圆柱形外管嘴水流(shuli)收缩断面处真空度表达式：收缩断面处真空度表达式：00.756vacpppH孔口自由出流收缩断面在大气中，而管嘴出流收缩断面为真空孔口自由出流收缩断面在大气中，而管嘴出流收缩断面为真空区，真空度达作用水头的区，真空度达作用水头的0.756倍，真空对液体起抽吸的作用倍，真空对液体起抽吸的作用，相当于把孔口的作用水头增大，相当于把孔口的作用水头增大75.6，这就是，这就是(jish)管嘴

9、出管嘴出流比孔口出流增大的原因。流比孔口出流增大的原因。第15页/共81页第十六页，共81页。2022-5-817判判 断断 题题正确正确(zhngqu)答答案：错案：错第16页/共81页第十七页，共81页。2022-5-818水水 流流 流流 态态判判 别别 标标 准准 备备 注注薄薄 壁壁 孔孔 口口 小孔口小孔口小孔口出流收缩断面可选作计算小孔口出流收缩断面可选作计算断面。断面上流速近似相等，相断面。断面上流速近似相等，相对压强近似为大气压强。对压强近似为大气压强。大孔口大孔口大孔口出流收缩断面上流速、压大孔口出流收缩断面上流速、压强沿孔高互不相等。强沿孔高互不相等。 用小孔口流量公式估

10、算大孔口用小孔口流量公式估算大孔口出流流量时，误差不大。出流流量时，误差不大。管管 嘴嘴 出出 流流管嘴里的收缩断面和出口断面可管嘴里的收缩断面和出口断面可选作计算断面。选作计算断面。 当管嘴里的真空被破坏，其出当管嘴里的真空被破坏，其出流应作为孔口出流来计算。流应作为孔口出流来计算。 孔口孔口(kn ku)(kn ku)出流与管嘴出流出流与管嘴出流第17页/共81页第十八页，共81页。2022-5-819思考思考(sko) 有压管道(gundo)和无压管道(gundo)的区别？(1)孔口孔口(kn ku)处流时，如何处流时，如何区分自由出流和淹没出流？淹区分自由出流和淹没出流？淹没出流为什么

11、没有没出流为什么没有“大大”“”“小小”孔口孔口(kn ku)之分？之分？(2)圆柱形外管嘴的正常工作条件圆柱形外管嘴的正常工作条件是什么？是什么？(3)在推导不同流动现象的局部水头损失系数时，主要依据什么方法？(4)第18页/共81页第十九页，共81页。2022-5-820 减小管径节省(jishng)投资简简单单管管道道长长管管复复杂杂管管道道淹淹没没出出流流自自由由出出流流短短管管并联并联(bnglin)串联串联管管网网第19页/共81页第二十页，共81页。2022-5-8212200121222wVppVzzhgggg伯努利方程伯努利方程(fngchng)wfjhhh5. 在推导不同(

12、b tn)流动现象的局部水头损失系数时，主要依据什么方法？第20页/共81页第二十一页，共81页。2022-5-822第21页/共81页第二十二页，共81页。2022-5-823有压管道有压管道(gundo)(gundo)短管短管 长管长管 第22页/共81页第二十三页，共81页。2022-5-824短管短管 在管路的总水头在管路的总水头(shutu)损失中，沿程水头损失中，沿程水头(shutu)损失和局部水头损失和局部水头(shutu)损失均损失均占相当比重，水力计算时不可忽略的管路占相当比重，水力计算时不可忽略的管路 长管长管 管流的流速水头和局部水头损失的总和与沿程管流的流速水头和局部水

13、头损失的总和与沿程水头损失比较起来很小，因而计算时常常按沿水头损失比较起来很小，因而计算时常常按沿程水头损失的某一百分数来估算之或忽略程水头损失的某一百分数来估算之或忽略(hl)之的管路之的管路第23页/共81页第二十四页，共81页。2022-5-825 长管和短管不是按管道绝对长度判断长管和短管不是按管道绝对长度判断 当管道存在较大局部损失的管件，如，当管道存在较大局部损失的管件，如， 部分开启闸门、喷嘴部分开启闸门、喷嘴(pnzu)、底阀等。即使管、底阀等。即使管道很道很 长，局部损失不能略去，必须按短管计算。长，局部损失不能略去，必须按短管计算。 注意注意(zh y)第24页/共81页第

14、二十五页，共81页。2022-5-826 对于长管对于长管 忽略局部水头损失和流速水头（沿程损失不能略去忽略局部水头损失和流速水头（沿程损失不能略去），计算工作大大简化，其对结果又没有），计算工作大大简化，其对结果又没有(mi yu)多多大影响。大影响。第25页/共81页第二十六页，共81页。一个简单一个简单(jindn)短管系统，在恒定流条件下自由出短管系统，在恒定流条件下自由出流流 13110v000v022gvv2H0221223第26页/共81页第二十七页，共81页。对断面对断面(dun min)1-1和断面和断面(dun min)2-2间建立伯努利方程间建立伯努利方程220 0022

15、aawpvpvHhggH0作用作用(zuyng)水头水头13110v000v022gvv2H0221223第27页/共81页第二十八页，共81页。13110v000v022gvv2H0221223202wvHhg可得可得而水头而水头(shutu)损失为损失为222222wfmcl vvvhhhdggg1232cld第28页/共81页第二十九页，共81页。13110v000v022gvv2H0221223202wvHhg所以所以(suy)2()2cvg取取1，得，得短管短管水力水力(shul)计计算基算基本公本公式式淹没淹没(ynm)出流？出流？第29页/共81页第三十页，共81页。2022-5

16、-831直径直径(zhjng)d。第30页/共81页第三十一页，共81页。例例 7-17-1第31页/共81页第三十二页，共81页。l解：（解：（1）计算）计算(j sun)流量流量1-1与与3-3断面断面(dun min)间列出间列出Bernoulli方程：方程：000aawppHh2()2wlvHhdg解得解得12vgHld将沿程阻力将沿程阻力(zl)系数系数=0.03，局部阻力，局部阻力(zl)系数系数12342.2代入上式得代入上式得12 9.8 1.61.57 m/s700.032.20.20v 2310.0493 m /s49.3 l/s4Qvd v第32页/共81页第三十三页，共

17、81页。（2）计算）计算(j sun)管顶管顶2-2断面的真空度：断面的真空度：1-1与与2-2断面断面(dun min)间列出间列出Bernoulli方程：方程：220 02221022aBwpvpvhhgg忽略行进忽略行进(xngjn)流速，取流速，取2=1.0，上式成，上式成22222()22aABBppvlvhgdg其中其中1230.50.20.51.222244 0.04931.57 m/s0.2QQvd代入上式，得代入上式，得222221.57301.574.5(0.031.2)2 9.80.22 9.85.25 mH O 7 mH Ovavvppphh解毕解毕第33页/共81页第

18、三十四页，共81页。例例 7-27-2第34页/共81页第三十五页，共81页。l解：以水面解：以水面1-1 为基准面，在为基准面，在1-1与与2-2断面间列出断面间列出Bernoulli方程方程（忽略（忽略(hl)吸水池水面流速）：吸水池水面流速）：222aswppvHhg2222222spvl vvHgdgg移项移项(y xin)后得后得22()2aspplvHdg2()2vlvhdg式中式中70.57.5 2244 0.00831.06 m/s3.14 0.1Qvd代入上式，得代入上式，得27.51.065.8(1 0.037.5)5.15 m0.12 9.8sH 解毕解毕第35页/共81

19、页第三十六页，共81页。例例 7-37-3试算法试算法(sun f)借助计算机借助计算机第36页/共81页第三十七页，共81页。2022-5-838 管路管路(un l)(un l)按照布置可分按照布置可分 简单管路简单管路复杂管路复杂管路串联管路串联管路 并联管路并联管路 管管 网网 第37页/共81页第三十八页，共81页。简单简单(jindn)管路：管径沿程不变、流量也不变的管路管路：管径沿程不变、流量也不变的管路在断面在断面1-1 与与2-2间建立伯努利方程式间建立伯努利方程式221 122022aappvvHhgg在长管计算中，局部水头损失在长管计算中，局部水头损失hw与流速水头忽略不

20、计，则与流速水头忽略不计，则fHhh上式表明，长管全部作用水头都消耗于沿程水头损失。上式表明，长管全部作用水头都消耗于沿程水头损失。长管的流速水头可以忽略，总水头线与测压管水头线重合。长管的流速水头可以忽略，总水头线与测压管水头线重合。第38页/共81页第三十九页，共81页。2022-5-840水力学中的水力学中的Q、H、D计算计算(j sun)问问题题将将v=(4Q)/(d2)代入上式，可得：代入上式，可得：式中式中 A管路的比阻，指单位流量通过单位长度管路的比阻，指单位流量通过单位长度(chngd)管道所需水头，它决定于管路沿程阻力系数管道所需水头，它决定于管路沿程阻力系数和管径和管径d的

21、的大小。大小。第39页/共81页第四十页，共81页。 将旧钢管、铸铁管的沿程阻力将旧钢管、铸铁管的沿程阻力(zl)系数系数计算公式计算公式（舍维列夫公式）代入比阻公式，可得：（舍维列夫公式）代入比阻公式，可得：紊流阻力紊流阻力(zl)平方区平方区 v 1.2 m/s紊流过渡区紊流过渡区 v 400mm, 取取ve= 1.0 1.4m/s。计算各管段的计算各管段的水头损失水头损失 2fii iihAl Q 确定控制点确定控制点 计算水塔高度计算水塔高度Ht = hf + HG + ZG Zt式中：式中：HG= 控制点的自由水头控制点的自由水头;ZG=控制点的标高控制点的标高;Zt=水塔处标高水塔

22、处标高第60页/共81页第六十一页，共81页。2) 扩建已有的给水系统的水力扩建已有的给水系统的水力(shul)计算问题计算问题l解决方法：解决方法：l1)计算各条线的平均水力坡度计算各条线的平均水力坡度 J；l2)选择选择Jmin的支线作为控制干线的支线作为控制干线,推算比阻；推算比阻；l3)由比阻反算各段管径由比阻反算各段管径di ; l4)计算控制干线各节点的水头，并依此为准继续设计算控制干线各节点的水头，并依此为准继续设计各支线管路。计各支线管路。第61页/共81页第六十二页，共81页。例例 7-97-9l解：解：l1)按经济流速按经济流速ve确定管径确定管径d;l2)计算各管段的水头

23、损失计算各管段的水头损失(snsh) hfi=AiliQi2 ;l3)确定控制点确定控制点(Hmax = hf + HG + ZG )；l4)计算水塔高度：计算水塔高度：l Ht = hf + HG + ZG Zt第62页/共81页第六十三页，共81页。2022-5-864第63页/共81页第六十四页，共81页。第64页/共81页第六十五页，共81页。启动启动(qdng)前前灌液灌液启动后启动后第65页/共81页第六十六页，共81页。在在1-1(吸水池自由面吸水池自由面)与与2-2(压水池自压水池自由面由面)上应用上应用(yngyng)Bernulli方程方程2211 12221222pvpv

24、zHzhgg由于由于v1=v2=0, p1=p2=pa,上式可写成上式可写成式中，式中，Hg = 水泵抽水的水泵抽水的几何给水高度几何给水高度第66页/共81页第六十七页，共81页。 轴功率轴功率(gngl)Na: 电动机传递给电动机传递给水泵的功率水泵的功率(gngl)，即输入功率，即输入功率(gngl)，单位为瓦（，单位为瓦（W）或千瓦）或千瓦（kW）。）。有效功率有效功率(gngl)Ne: 单位时间内液体从水泵中实际得到的能单位时间内液体从水泵中实际得到的能量。量。 Ne=QH (5-27)4)效率：效率：有效功率与轴功率之比有效功率与轴功率之比NeQHNe 泵泵Na 第67页/共81页

25、第六十八页，共81页。2022-5-869 为避免汽蚀现象，安装高度必须加以限制为避免汽蚀现象，安装高度必须加以限制(xinzh)，即存在最大安装高度，即存在最大安装高度ZS,max。叶片表面叶片表面(biomin)(biomin)产生蜂窝状腐蚀产生蜂窝状腐蚀 ；泵体震动，并发出噪音；泵体震动，并发出噪音；流量、压头、效率都明显下降；流量、压头、效率都明显下降；严重时甚至吸不上液体。严重时甚至吸不上液体。第68页/共81页第六十九页，共81页。第69页/共81页第七十页，共81页。lH=f(Q)的曲线称为的曲线称为(chn wi)管路特性曲线管路特性曲线第70页/共81页第七十一页，共81页。H泵的特性曲线 Q 工工作作点点管路特性管路特性(txng)曲线曲线第71页/共81页第七十二页，共81页。第72页/共81页第七十三页，共81页。l1)计算计算(j sun)流量流量: Q=V/t=50/2=25m3/hl解解：分：分4步步l3)选择水泵及确定工作点选择水泵及确定工作点