水力学系统讲义第七章-有压管流

1、第七章 有压管流有压管路根据布置的不同，可分为：枝状管网环状管网串联管路并联管路管网复杂管路由两根以上管道所组成的管路系统 简单管路 管径、流速、流量沿程不变，且 无分支的单线管道 有压管路有压管流指液体在管道中的满管流动。除特殊点外，管中液体的相对压强一般不为零，故名。按局部水头损失和流速水头之和在总水头损失中所占的比重不同，可分为：短管：局部水头损失和流速水头不能忽略的、需要同时计算hf，hj和v2/2g的管道 (水泵吸水管，虹吸管)长管：管道中以沿程水头损失为主，局部水头损失和流速水头所占比重小于5%-10%的沿程水头损失，从而可予以忽略的管道 (市政给水管道)短管的水力计算（自由出流）

2、短管的水力计算（淹没出流）这表明短管水流在淹没出流时，其作用水头完全消耗在沿程水头损失和局部水头损失上思考题(1)两根完全相同的管道，只是安装高度不同，两管道的流量关系为：(2)一水箱外接一长L的短管，自由出流时如图A，其流量为Q1;淹没出流时如图B,其流量为Q2,则Q1与Q2的关系为：Q1=Q2Q1=Q2短管水力计算分类对于短管恒定流，管长、管径、管材以及管壁粗糙情况，局部阻力结构和组成均是确定的，短管的水力计算有以下几种类型：已知流量Q，管径d，计算H0（如设计水箱或水塔水位标高）已知水头H0，管径d，计算流速v和通过的流量Q，这类问题多属于校核情况（可直接用短管出流的基本公式或应用能量方

3、程求解）已知通过管道的流量Q，水头H0，设计管径d（这类问题以管径为未知数，代入短管出流的流量方程，通常用试算法求解）虹吸管：管道轴线一部分高出无压的上游供水水面。具有可以跨越高地，减少挖方，便于操作等优点。为防止气塞发生，虹吸管的允许真空度一般为hv=78m（由真空泵或水射器将虹吸管内空气抽出，形成部分真空，水在上游水面大气压强作用下进入虹吸管内并充满它；之后，在上下游水头差的作用下，使水不断流到下游集水井或水池中）涵管（倒虹吸管）：当小的河流穿过公路和铁路路基时，常采用涵管涵管虹吸输水：世界上最大直径的虹吸管(右侧直径1520毫米、左侧600毫米),虹吸高度均为八米，犹如一条巨龙伴游一条小

4、龙匐卧在浙江杭州萧山区黄石垅水库大坝上，尤为壮观，已获吉尼斯世界纪录。如图所示离心泵，抽水流量Q=8.8L/s，吸水管长l=7.5m，直径D为100mm，沿程阻力系数=0.045，局部水头损失系数为：有滤网的底阀v=7.0，90o弯b=0.3，泵的允许吸水真空高度hv=5.7m，确定水泵的最大安装高度Hp。解：取吸水池水面1-1和水泵进口断面2-2列伯努利方程，忽略吸水池水面流速作业1、2长管的水力计算长管水头损失的计算由水塔向工厂供水，如图所示，采用铸铁管。管长l=2500m，管径d=400mm。水塔处地形标高 1=61m，水塔水面距离地面高度H1=18m，工厂地形标高2=45m，管路末端需

5、要的自由水头H2=25m，求通过管路的流量。上题中，若车间需水量Q=0.152m3/s，管线布置、地面标高及供水点需要的最小服务水头都不变，试设计水塔高度。保持上题车间需水量Q=0.152m3/s，水塔高度H1=18m，管线布置、地面标高及供水点需要的最小服务水头都不变，试设计管径。由此可见，所需管径在D1与D2之间而实际无此规格产品，为防止小管径引起的流量不足和大管径的浪费，通常选用两种直径的管道进行串联串联管路串联管路：由直径不同的管段首尾顺次连接而成的管路称为串联管路 串联管路计算的基本公式: 某供水管路，总长l=3000m，作用水头H=28m，要求输水流量为160L/s,试将管路设计成

6、串联的两根铸铁管段，以便充分利用水头和保证流量并联管路并联管路：两根或两根以上管段的起点和终点相同的管路（或在两个节点之间连接两根或两根以上管段的管路）并联管路计算的基本公式: 并联管路计算的基本公式: 三根并联管路的粗糙度系数为0.013，总流量Q=0.32m3/s,已知d1=300mm，d2=250mm，d3=200mm，l1=l3=1000m，l2=800m，试求三根管段的流量Q1，Q2，Q3沿程均匀泄流管路途泄流量(Qt)： 沿着管长从侧面不断连续向外泄出的流量转输流量/贯通流量/通过流量(Qz)： 传输到以后各管段的流量沿程均匀泄流管路： 管段单位长度上的流量等于q的管路 （q为比流

7、量）如图，由水塔供水的输水塔，有三段铸铁管组成，中段为均匀泄流管段。已知：l1=500m,d1=200mm,l2=150m，d2=150mm,l3=200m,d3=125mm,节点B分出流量q=0.01m3/s，途泄流量Qt=0.015m3/s，传输流量Qz=0.02m3/s，求需要的水塔高度（作用水头）。 解：首先将途泄流量转换为转输流量各管段流量为：作业6、7管网水力计算管网是由若干条简单管路组合而成的，可分为枝状管网(a)和环状管网(b)两种管网内的各管段的管径是根据流量Q及速度v二者来决定的，在流量Q一定的条件下，管径随着在计算中所选择的速度v的大小而不同流速大，管径小，管路造价低，水

8、头损失大，增加水塔高度及抽水的运行费用流速小，管径大，水头损失小，减少抽水的运行费用，管路造价高经济流速： 采用一定的流速使得供水的总成本（包括建筑水管的建设费、抽水机站建设费、水塔建设费及抽水经常运营费的总和）最低。这种流速称为经济流速ved=100-400mm时， ve=0.6-1.0m/sd400mm时， ve=1.0-1.4m/s枝状管网（1）新建给水系统的设计：已知地形、管长、管材、用户位置、用水量、要求的自由水头未知量：水塔高、管径计算步骤：(1)按照经济流速在已知流量下选择管径：(2)计算出各管段的水头损失：(3)确定水塔高度： 式中Hz为控制点的最小服务水头；z0为控制点的地形

9、标高；zt为水塔处的地形标高；hf为从水塔到管网控制点的总水头损失。(2)改扩建给水系统的设计：已知水塔高度Ht、管路沿线地形、管路长度l、用水点的最小服务水头Hs及通过的流量Q未知量：管径 因水塔高度已定，若用经济流速确定管径，往往达不到供水要求。计算步骤：根据枝状管网各干线的已知条件，算出它们各自的平均水力坡度：选择其中平均水力坡度最小的管线作为控制干线进行设计控制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比阻：按照求得的比阻值选择各管段直径，实际选用时，可取部分管段比阻大于计算值，部分小于计算值控制管线确定后计算出各节点的水头，以此为准继续设计各支线管径环状管网管网的

10、管线布置、各管段的长度、管网各节点的流量已知，待求各管段的通过流量Q、各管段的管径d，各管段的水头损失hf任意环状管网，存在关系式：未知数总数：2np满足的水力条件：规定：环路内以顺时针方向的水流所引起的水头损失为 正，逆时针方向的水流所引起的水头损失为负哈代-克罗斯(Hardy-Cross)法：初估各管段的流量，并使各节点满足（I）式的要求依据初值流量，计算各管段的水头损失（只计沿程水头损失）检查环路的水头损失是否满足（II）式，若不满足按下式计算修正流量 并对初值流量进行修正。重复上述三步，直达闭合差 达到要求的数值为止管段ABBCBDCDS114.2793.44439.552016.00有压管道的水击 水击传播过程 水击传播过程设水击波在全管长上来回传递一次所用的时间t=2l/c为一个相长，则两个相长的时间t=4l/c为水击波的全周期水击压强的计算关闭阀门时间Tz，水击相长T=2l/c直接水击Tz T 压强计算公式：水击波的传播速度： c0为水中声波的传播速度，K为水的弹性模量，E为管壁的弹