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文档简介
1、Engineering Fluid Mechanics工程流体力学工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流第1章 流体及其主要物理性质第2章 流体静力学第3章 流体动力学基础第4章 流动阻力和水头损失第5章 孔口、管嘴出流及有压管流第6章 明渠均匀流第7章 明渠水流的两种流态及其转换目录工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流第五章 孔口、管嘴出流 及有压管流第一节 孔口出流第二节 管嘴恒定出流第三节 短管的水力计算第四节 长管的水力计算第五节 离心式水泵装置及其 水力计算工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流教学内容、重点及难点 基本内容本章在定量分析沿程水头损失和局部水头损失的基础上,对
2、工程实际中最常见的有压管道恒定流动和孔口、管嘴出流进行水力计算。重、难点 水头损失的分析和确认工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流HH0OOCAACdCvCv0第一节 孔口出流液体从孔口以射流状态流出,流线不能在孔口处急剧改变方向,而会在流出孔口后在孔口附近形成收缩断面,此断面可视为处在渐变流段中,其上压强均匀。c-c为收缩断面,收缩系数: 收缩断面面积 孔口断面面积工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流ab完全收缩非完全收缩无收缩边壁的整流作用会影响收缩系数,故有完全收缩与非完全收缩之分,收缩系数视孔口边缘与容器边壁距离与孔口尺寸之比的大小而定,大于3则可认为完全收缩。 工程流体力学讲
3、义孔口、管嘴出流及有压管流HH0OOCAACdCvCv0孔口出流的分类恒定出流、非恒定出流;淹没出流、自由出流;薄壁出流、厚壁出流。 小孔口 大孔口对薄壁小孔口:= 0.630.64工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流对0-0,c-c 列能量方程其中设则流速系数流量系数其中1.薄壁小孔口自由出流HH0OOCAACdCvCv0其中则工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流H0 作用总水头孔口流速系数孔口流量系数流经孔口的局部阻力系数收缩断面突扩的局部阻力系数2.薄壁小孔口淹没出流对1-1,2-2 列能量方程工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流大孔口出流的流量系数,可查表大孔口形心的水头3
4、.大孔口恒定出流大孔口出流的流量公式形式不变,只是相应的水头应近似取为孔口形心处的值,具体的流量系数也与小孔口出流不同。由于孔口各点的作用水头差异很大,如果把这种孔口分成若干个小孔口,对每个小孔口出流可近似用小孔口出流公式,然后再把这些小孔口的流量加起来作为大孔口的出流流量。工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流在 dt 时段内则液面从 H1 降至 H2 所需时间容器放空(即H20)时间H1H2hdhA0H1H2hdhH1H2hdhA04. 孔口非恒定出流工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流第二节 管嘴恒定出流一. 管嘴出流的水力现象(a)外管嘴内管嘴(b)(c)(d)(e)外管嘴(a)
5、直角型外管嘴(b)收缩型外管嘴(c)扩散型外管嘴(d)流线型外管嘴工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流二、管嘴恒定出流对1-1,2-2 列能量方程忽略管嘴沿程损失,且令则管嘴出口速度其中为管嘴的局部阻力系数,取0.5;则流量系数流速系数说明管嘴过流能力更强?工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流D34DvCvcC管嘴出流流量系数的加大可以从管嘴收缩断面处存在的真空来解释,由于收缩断面在管嘴内,压强要比孔口出流时的零压低,必然会提高吸出流量的能力。工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流对 B-B,c-c 列能量方程取真空压强和真空高度值,得由而hw 按突扩计算,得说明管嘴真空度可达作用水
6、头的75以 代入则得所以得AABBccv2HH0AABBccv2HH0又三、管嘴真空度工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流 形成真空时作用水头不可能无穷大,因为当真空度达到一定时,其压强小于汽化压强,出现汽蚀破坏,而且会将空气从管嘴处吸入,破坏真空,而成为孔口出流。 实验测得,当液流为水流,管嘴长度 l =(34)d 时,管嘴正常工作的最大真空度为7.0m,则作用水头 说明圆柱形外管嘴正常工作条件是: l = (3 4) dH09m工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流实际流体恒定总流能量方程沿程损失局部损失第三节 有压管路水力计算 已能定量分析,原则上解决了恒定总流能量方程中的粘性损失
7、项。短管:长管:hf 与 hj 均较大,不能忽略不计(hj5hf)hf 很大,不能忽略,而hj可忽略不计( hj 5hf)工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流=H0=0=管系流量系数作用水头 H一、短管的水力计算vOO1122H自由出流工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流vOO112233Hh=H+h0=h作用水头 H淹没出流工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流vOO112233Hh=H+h0=用3-3断面作下游断面0h=出口水头损失按突扩计算工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流vOO112233Hh管系流量系数淹没出流与自由出流相比,作用水头不同,管系流量系数相同,局部损失中
8、不包含2-2断面出口损失。 工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流zz2112233l2l1要求确定计算已知【例】 1 离心泵管路系统的水力计算 流量Q,吸水管长L1,压水管长L2, 管径d,提水高度z ,各局部水头 损失系数,沿程水头损失系数 水泵最大真空度不超过6m水泵允许安装高度 水泵扬程工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流zz2112233l2l1Q,dv【解】 水泵允许安装高度工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流zz2112233l2l1 水泵扬程 = 提水高度 + 全部水头损失工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流l1132l22 有压泄水道的水力计算 泄流量Q,画出水
9、头线 圆形隧洞求已知工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流l1132l2出口断面由A缩小为A2出口流速管内流速新增出口局部损失工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流l1132l2出口断面缩小出口流速稍有增大 管中流速却显著减小出流量减小沿程压强增高工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流入口断面 0-0,任意断面 i-i 通过有压管道定常流动的水力计算,容易确定沿程压强的分布,得到测压管水头线。测压管水头线低于管轴线,为负压。工程中有时需要避免压力的低值,为此找出管道中的压力最低点,检验其是否满足要求。如压力过低,可采取调整管道位置高程、降低流速等措施解决。压强沿程变化和水头线的绘制工程流
10、体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流v122gv222g管道突然缩小总水头线测压管水头线v122gv222g管道突然放大总水头线测压管水头线工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流作用水头全部用于支付沿程损失1122Hvv则二、长管的水力计算一、简单管路比阻单位流量通过单位长度管段产生的水头损失工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流比阻S由谢才公式和曼宁公式对钢管和铸铁管对塑料管材 阻力平方区 过渡粗糙区工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流【例】已知简单管路的l =2500m,H =30m,Q =250l/s,
11、 n =0.011。求管径d。【解】 由得由谢才及曼宁公式,得代入数据得d 388mm介于标准管径350mm400mm之间工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流 串联管路 并联管路Q1Q2Q3QQ1122HAB1122Hl1 d1l2 d2Q1Q2二、复杂管路工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流【例】已知简单管路的l =2500m,H =30m,Q =250l/s,n =0.011。求管径d。【解】 由谢才及曼宁公式,得其中取 d1=400mm,d2=350mm,得采用串联管路,则工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流 沿程均匀泄流管路xdx管路中任一点处流量则取比阻S为常量,上式积分
12、得 水处理构筑物的多孔配水管,冷却塔的布水管,以及城市自来水管道的沿途泄流,隧道工程中长距离通风管道的漏风等水力计算。若无转输流量Qz=0,则HQzQyl工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流 管网树状管网:环状管网:管线短,管径相对大,投资小,但可靠性差管线长,管径相对小,投资大,但可靠性好 分叉管路HABCD 各支管按串联算,支管之间按并联算。工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流第四节 水泵水力计算装置原理自灌式:水泵泵轴低于吸水池水面吸入式:水泵泵轴高于吸水池水面性能参数Ht 扬程Q 流量N 轴功率N有效功率 效率n 转速hv 允许吸水真空度工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流
13、【例】水泵功率N=25kW,流量Q =60L/s,效率p=75%,吸水管l1=8m, d1=250mm,压水管l2=50m,d2=200mm,=0.025,底阀fv=4.4,弯头b=0.2,阀门v=0.5,逆止阀sv=5.5,水泵允许真空度hv =6m。求水泵安装高度zs,水泵提水高度Hg。Hszsd1d2l1l2水泵阀门逆止阀底阀1122【解】 对1,2列伯努利方程工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流Hszsd1d2l1l2水泵阀门逆止阀底阀1133对1,3列伯努利方程工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流水击:在有压管路中流动的液体,由于某种外界原因(如阀门突然关闭、水泵或水轮机组突
14、然停车等),使得液体流速发生突然变化,并由于液体的惯性作用,引起压强急剧升高和降低的交替变化,这种现象称为水击。升压和降压交替进行时,对于管壁和阀门的作用如同锤击一样,因此水击也称为水锤。水击现象是一种典型的有压管道非恒定流问题,在水击现象中,由于压强变化急剧,必须考虑流体的压缩性及管道的弹性。第五节 水击现象及其预防工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流水击的危害:轻微时引起噪声和管路振动;严重时则造成阀门损坏,管路接头断开,甚至引起管路的爆裂。 水击引起的压强降低,使管内形成真空,有可能使管路扁缩而损坏。 有压管道流动的流量突变流速突变由于流动的惯性,造成压强大幅波动 水击现象的大致描述
15、:流体的压缩性和管道的弹性使波动在管道中以有限的速度传播工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流p以阀门突然关闭为例,将有一个增压、增密度、增管道断面积、减流速的过程从阀门向上游传播,压强、流速、密度、管道断面积的间断面在管道中运动,这就是水击波。工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流水击危害的预防(1)延长阀门关闭时间;(2)缩短管路长度;(3)在管路系统的适当位置装设蓄能器(空气罐或安全阀);(4)在管路上装设调压塔。 水击的利用 例如,水击泵便是利用水击原理设计的一种无动力扬水 设备,这种设备对于无动力和电源的地方是很方便的。工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流本章作业习题 5.2
16、,习题 5.4,习题 5.10,习题 5.16工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流第五章习题解答5.2 薄壁孔口出流,直径d=2cm,水箱水位恒定H=2m。求 1、孔口流量Q;2、此孔口外接圆柱形管嘴的流量Qn; 3、管嘴收缩断面的真空。解:2、3、1、 工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流解:5.4 如图所示水箱用隔板分为左右两个水箱,隔板上开一直径d1=40mm的薄壁小孔口,水箱底接一直径d 2=30mm的外管嘴,管嘴长l=0.1m,H1=3m。试求在恒定出流时的水深H2和水箱出流流量Q1,Q2。工程流体力学讲义孔口、管嘴出流及有压管流解:5.10 如图所示虹吸管,上下游水池的水位差H=2.5m,管长LAC=15m,LCB=25m,管径d=200mm,沿程阻力系数=0.025,
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