第五章有压管路

1、水力学水力学讲解人讲解人: :吴亚坤吴亚坤第五章第五章 孔口、管嘴孔口、管嘴出流和有压管路出流和有压管路孔口出流：在容器上孔口出流：在容器上开个孔，水经孔口流开个孔，水经孔口流出的水力现象。各类出的水力现象。各类取水、泄水闸孔取水、泄水闸孔管嘴出流：若在孔口上连接长为管嘴出流：若在孔口上连接长为34倍孔径的倍孔径的短管，水经短管并在出口断面满管流出的水短管，水经短管并在出口断面满管流出的水力现象。消防水枪和水力机械化施工用水枪力现象。消防水枪和水力机械化施工用水枪5-1 5-1 薄壁孔口的恒定出流薄壁孔口的恒定出流一、孔口出流分类（）0值大小小孔口出流00.1，可认为孔口断面上各作用水头相等大

2、孔口出流00.1，断面上各作用水头不等（）出流过程中，作用水头随时间变化情况恒定出流非恒定出流（）按孔壁厚度及形状对出流影响薄壁孔口出流厚壁孔口出流（）孔口出流时，根据出流条件不同自由出流：如果孔口是由液体直接流入大气的出流淹没出流：如果在液面下由液体流入液体的出流二、薄壁锐缘小孔口自由出流cAA220000022ccwvvHhgg20()2cccvHg孔口出流的收缩断面：在距孔口内壁约d/2的c-c断面，此处孔口收缩完毕，流线趋于平行，这个最小断面称孔口出流的收缩系数，其大小表征了水流经孔口后的收缩程度，数值可由实验确定。20002vHHg00122cccvgHgH1cc列0-0,c-c断面

3、的能量方程行进流速行进流速22cwjcvhhg孔口流速系数，孔口流速系数，0.970.98,c=0.060022ccQv AAgHuAgHcAA孔口流出的水流流量孔口流出的水流流量u收缩系数，由实验得收缩系数，由实验得dc=0.8d,故故0.640.64孔口流量系数，孔口流量系数，u=0.64*(0.970.98)0.600.600.620.62H0孔口上游断面的总水头，称为孔口自由出流的作用水头。行近孔口上游断面的总水头，称为孔口自由出流的作用水头。行近流速一般都很小，若忽略行近流速水头，流速一般都很小，若忽略行近流速水头，H0=H三、薄壁小孔口淹没出流2221 12 21200222cvv

4、vHHggg 222221 12 21 12 212() ()22222cvvvvvHHHggggg20002vHHg二以孔口形心的水平面为基准面，建立能量方程221 122012()()22vvHHHgg20(1)2ccvHg001221ccvgHgH0022ccQv AAgHuAgH 1.0c5- 液体经管嘴的恒定出流22200000222vvvHggg 20002vHHg2220(1)222vvvHggg一、圆柱形外伸管嘴的恒定出流列a-a,b-b断面的能量方程001221vgHgH0022nQvAAgHu AgH110.8211 0.50.82 1.00.82nu 1.32nuu孔口说

5、明在相同和d情况下，管嘴的过流能力是孔口的1.32倍。二、圆柱形外管嘴的真空现象二、圆柱形外管嘴的真空现象孔口外面加管嘴后，增加了固壁阻力，为什么过水能力反而增加？因为管嘴出流存在着一个收缩断面，其断面出现真空，在这个真空作用下，使其流量增加求证：在圆柱形管嘴收缩断面处的真空值是作用水头的求证：在圆柱形管嘴收缩断面处的真空值是作用水头的0.750.75倍。倍。已知断面收缩已知断面收缩=0.64=0.64，管嘴流量系数，管嘴流量系数=0.82=0.82。证明:列c、b断面的能量方程2222ccawpvpvhgg因1ccAvvvA22wjvhhg扩代入上式得：2222222cappvvvggg扩0

6、2vgH10.640.82、把代入上式得 00.75cappH则其真空度为00.75vacpppH22221(1)(1)22cvvgg或圆柱形外管嘴正常工作，需满足两个条件：（）作用水头m（2）管嘴长度l=(34)d有压有压管道管道无压无压管道管道有压流有压流无压流无压流简单管道简单管道复杂管道复杂管道长管长管短管短管自由出流自由出流淹没出流淹没出流简单管道简单管道串联管道串联管道并联管道并联管道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，计算时可以忽略的管道局部损失在总损失中占有相当的比重，计算时不能忽略的管道前进5-短管出流短管出流自由出流自由出流1122HO

7、O淹没出流淹没出流2211ZOO2cQAgH2cQAgZ其中其中11cld1cld返回121VgHld12Vgzld短管水力计算的基本类型短管水力计算的基本类型当当已知管道尺寸和输水能力时，计算水头损失；已知管道尺寸和输水能力时，计算水头损失；即要求即要求确定通过一定流量时所必须的水头确定通过一定流量时所必须的水头。管线布置已定，当要求输送一定流量时，管线布置已定，当要求输送一定流量时，确定所确定所需的断面尺寸需的断面尺寸。当当管道布置、断面尺寸及作用水头已知时，要求管道布置、断面尺寸及作用水头已知时，要求确定管道通过的流量确定管道通过的流量。对对一个已知管道尺寸、水头和流量的管道，要求一个已

8、知管道尺寸、水头和流量的管道，要求确确定管道各断面压强的大小定管道各断面压强的大小。返回短管管道系统水头线的绘制1.1.绘制步骤绘制步骤（1）根据已知条件，计算沿流程各管段的沿程水头损失和各项局部水头损失（2）从管道进口断面的总水头开始，沿流程依次减去各项水头损失，得各相应断面的总水头值，并连结得到总水头线。（3）由总水头线向下位移一个沿流程相应断面的流速水头值，即可得到测压管水头线。2.2.绘制注意事项绘制注意事项（1）局部水头损失可等效地集中绘制在局部构件所在的断面上。所以局部构件前后有两个总水头，以实降的“台阶”高度表示局部水头损失的大小（2）实际液流的总水头线永远是沿程下降的，任意两过

9、水断面间总水头下降值即为这个断面间液流的水头损失；测压管水头线可以是沿流程下降、上升或水平的，取决于动能与势能的相互转化关系。（3）应注意管道进出口处的边界条件。 进口，起点为上游容器的总水头 出口，自由出流Hp交于出口断面的形心上 淹没出流Hp在下游断面的自由表面上（4）测压管水头与相应断面的管轴位置高差即为压强水头。所以Hp高出管道轴线的区域为正压区，低于则为负压区OHV0011测压管水头线的定性分析测压管水头线的定性分析22Vgpg前进V00202Vg22Vg前进2211V00V下022Vg前进2211V00V下022Vg返回管道水力计算特例管道水力计算特例虹吸管及水泵虹吸管及水泵ZZs

10、 虹吸管是一种压力管，顶部弯曲虹吸管是一种压力管，顶部弯曲且其高程高于上游供水水面。其顶部且其高程高于上游供水水面。其顶部的真空值一般不大于的真空值一般不大于78m水柱高。水柱高。虹吸管虹吸管安装高度安装高度Zs越大，顶部真空值越大，顶部真空值越大。越大。 虹吸管的优点在于能跨越高地，虹吸管的优点在于能跨越高地，减少挖方。减少挖方。 虹吸管长度一般不长，故按短管虹吸管长度一般不长，故按短管计算。计算。1122 通过水泵转轮转动的作用，通过水泵转轮转动的作用，在水泵进口端形成真空，使水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管上升，

11、流经水泵时从水泵获得新的能量，从而输入压力管，得新的能量，从而输入压力管，再流入水塔。再流入水塔。安装高度安装高度提水提水高度高度安装高度安装高度ZZs吸吸水管水管压压水管水管水泵向单位重量液体所提供的机械能，称为水泵的扬程twwHZhh吸水管压水管返回例题：例题：用水泵自水库用水泵自水库A A向水库向水库B B作恒定输水。水泵扬程作恒定输水。水泵扬程H H10m10m，管道直径管道直径d d100mm100mm，管长，管长L L100m100m，管壁谢才系数，管壁谢才系数C C62.6m62.6m1/21/2/s/s，进进0.80.8，出出1.01.0，略去弯头损失；水库水位差为，略去弯头损

12、失；水库水位差为7.82m7.82m，管最高处中心点管最高处中心点C C与与B B水库水面高差为水库水面高差为3m3m，C C点至水库点至水库A A的管长为的管长为60m60m。求管内流量。求管内流量Q Q及及C C点真空度。点真空度。解：求解：求Q Q取水库A水面为基准面，取水库水面A-A、B-B为计算断面，自由液面点为计算点，列A-A至B-B能量方程如下：0007.8200wHh2288 9.80.0262.6gC22(0.8 1.0)22wL VVhdgg代入(1)式得:V V1.4m/s1.4m/s故故Q=3.14Q=3.140.120.121.4/41.4/40.011m0.011m

13、3 3/s/s11L/s11L/s(1)求求C C点真空度点真空度列列A-AA-A断面至断面至C-CC-C断面能量方程断面能量方程：0+0+0+H7.82+3+pC/+V2/2g+hW1 （2）hW1（L1/d）（V2/2g）+0.8V2/2g1.28m取1.0，代入（2）式得：pC/-2.2m故C点真空度pV/2.2m例题：例题：通过管长通过管长l l1 1=5m=5m、管径、管径d d1 150mm50mm管道连接水库和水箱。水管道连接水库和水箱。水库和水箱水位差库和水箱水位差h h5m5m，水箱后又接一，水箱后又接一d2=d1d2=d1的水平管道，且的水平管道，且l2=l1l2=l1，管

14、道沿程阻力系数，管道沿程阻力系数=0.03=0.03，水流为恒定流（图，水流为恒定流（图5-45-4）。）。求流量求流量Q Q，并绘制全管道的测压管水头线（直接在图中绘出）。，并绘制全管道的测压管水头线（直接在图中绘出）。又，如果又，如果l2l2管倾斜管倾斜3030，水库内水位不变，求管内流量，水库内水位不变，求管内流量QQ及及此时的两水位差此时的两水位差hh。（。（1414分）分）解：解：列列1、2断面的能量方程：断面的能量方程：h+0+0=0+0+hw设在l1管道中的流速为v，则212wlvhdg收扩24 Qvd2221242451636 0.030.5 1.020.052wlvQQhdg

15、dgd g收扩24.52vhg22 9.8 54.67/4.54.5ghvm s2424330.059.859.1610/3636d ghQms列2、3断面的能量方程设v2为l2中的流速，2222002wvhhg因为d2=d1，所以v2=v2222wlvhdg收222221 3 0.55222lvvvhmgdgg 收当l2管倾斜30时，列1、3断面的能量方程：设H=h+h2+ l2sin30=5+5+52=12.5m2002wvHhg2222124.53.582222wllvvvvhdgdggg收扩收22289222vvvHggg22 9.8 12.55.22/99gHvm s22230.05

16、5.221.02 10/44dQvms 22115.224.56.2622 9.8wlvhhmdg收扩例题：例题：如图所示，用一根虹吸管从水箱中取水，虹吸管管径如图所示，用一根虹吸管从水箱中取水，虹吸管管径d d5cm5cm，管总长管总长10. 5m，管道沿程阻力系数，管道沿程阻力系数0.300.30，弯管局部阻力系数，弯管局部阻力系数弯弯0.20.2，进口处局部阻力系数为，进口处局部阻力系数为1 1，l lABAB3.5m3.5m，试求管中流，试求管中流量和管内最大真空度。（量和管内最大真空度。（1515分）分）解：以管出口处为基准面，列1-1,2-2断面的能量方程20 0 0 02wvHh

17、g 2222wfjbl vvhhhd gg 进进1.022wvHhggvgv2)05. 05 .103 . 02 . 00 . 1 (2522解得v=1.226m/s, 故sLvdQ/41. 242 管道最高点B处的真空度为最大，以水箱水面为基准面，在水箱水面与管道B点之间建立伯努利方程：gvgvpB2)05. 05 . 33 . 02 . 00 . 1 (25 . 6522解得mpB28. 3所以B点真空度为：3.28m水柱5-长管的水力计算222482VQggd24QQVAd22202582l VQ lHS lQdggd列列1-1,2-2断面能量方程断面能量方程22fl VHhdg自由出流

18、自由出流1122HOO淹没出流淹没出流2211ZOO一、简单管路：管径、管壁粗糙状况和流量沿流程不变的无一、简单管路：管径、管壁粗糙状况和流量沿流程不变的无分枝的管道分枝的管道0258Sgd比阻比阻比阻计算方法比阻计算方法0258Sgd28gC161CRn（）谢才公式（）谢才公式025264Sd C将将代入上式得代入上式得若已知若已知n,d即可求出即可求出S0（3）舍维列夫公式（针对旧钢管与旧铸铁管）舍维列夫公式（针对旧钢管与旧铸铁管） 紊流过渡区紊流过渡区 V1.2m/s粗糙区粗糙区 V1.2m/s0.30.30.01790.867(1)dv0.30.0210d0.305.35.30.867

19、0.0017360.0017360.852(1)Svdd05.30.001736Sd二、串联管道的水力计算二、串联管道的水力计算没有流量流出，各没有流量流出，各管段的管段的联接点水流符合连续性方程：联接点水流符合连续性方程：1iiiQQq计算特点：计算特点：串联管道的总水头损失等于各串联管段水头损失串联管道的总水头损失等于各串联管段水头损失之和之和2011nnfii iiiiHhS lQQ2Q1Q3q1q2H返回20i iHQS l三、并联管道的水力计算三、并联管道的水力计算各支管的各支管的流量与总流量应满足连续性方程流量与总流量应满足连续性方程各支管的各支管的水头损失相等水头损失相等Q4Q1

20、Q2Q3Q5H123ffffhhhh水流满足能量方程水流满足能量方程45fffHhhh或或返回2221 112 223 33S l QS l QS l Q四、沿程均匀泄流管道的水力计算四、沿程均匀泄流管道的水力计算沿程均匀泄流管路：给水工程中，有的配水管和冲洗管要求沿着管子泄出，沿程均匀泄流管路：给水工程中，有的配水管和冲洗管要求沿着管子泄出，若单位长度上泄出的流量均为若单位长度上泄出的流量均为q（q称为途泄流量称为途泄流量），这种管子称），这种管子称转输流量转输流量Q：通过这一段管路并继：通过这一段管路并继续向下游管道输送的流量续向下游管道输送的流量设距出口设距出口x处的处的M断面上断面上,

21、流量为流量为 QM=qx+Q22 201()3fHhS l QQqlq l20fMdhS Qdx222 20000()(2)llfH hSQ qx dx SQQ qx qx dx近似写成近似写成20(0.55)HS l Qql20(0.55)HS l Qql0.55cQQql20013HS lQ 实际计算中实际计算中,常引用计算流量常引用计算流量 当转输流量当转输流量Q=0时时20cHS lQ若沿程均匀泄流管道无转输流量若沿程均匀泄流管道无转输流量Q,而只有途泄流量而只有途泄流量Q0时,其水头损失仅为简单管道在通过流量为Q时的1/3例题：例题：图示为水塔供水的串联管道。各管段的管长图示为水塔供水的串联管道。各管段的管长L1L1300m300m， L2L2200m200m，L3L3100m100m。各管管径。各管管径d1=200mmd1=200mm，d2=150mmd2=150mm，d3=100mmd3=100mm，沿程阻力系数沿程阻力系数0.030.03，在，在L2L2段内均匀泄流量段内均匀泄流量q q0.1L/s0.1L/sm m，Q3Q310L/s10L/s，求水头，求水头H H。解：按长管计算，Hhf计算各管段比阻：2612626188 0.037.76(/)9.8 3.140.2Ssmgd2622626288 0.0332.71(/)9