工程流体力学 第六章 孔口、管嘴和有压管流课件

第六章孔口、管嘴和有压管流§6－1孔口出流的水力计算§6—2管嘴出流的水力计算§6—3简单管道的水力计算1第六章孔口、管嘴和有压管流§6－1孔口出流的水力计算本章所用知识点连续性方程能量方程沿程水头损失局部水头损失重点掌握孔口、管嘴恒定出流的水力计算简单管路恒定流动的水力计算虹吸管、离心式水泵的水力计算2本章所用知识点2

孔口小孔口大孔口

管嘴孔口、管嘴出流3孔口小孔口大孔口管嘴孔口、管嘴出流3工程实例4工程实例46.1孔口出流的水力计算

计算特点：hf≈0

出流特点：收缩现象一、自由出流从1→C建立伯努利方程，有56.1孔口出流的水力计算计算特点：hf≈0出流特点：收式中：φ为孔口流速系数，对于小孔口，式中：ε、μ分别为孔口收缩系数和流量系数，对于小孔口：6式中：φ为孔口流速系数，对于小孔口，式中：ε、μ分别为孔口收二、淹没出流从1→2建立伯努利方程，有（与自由出流公式完全相同）（与自由出流公式完全相同）孔口淹没出流的流速和流量均与孔口的淹没深度无关，也无“大”、“小”孔口的区别。7二、淹没出流从1→2建立伯努利方程，有（与自由出流公式完三、小孔口的收缩系数及流量系数

1、不同形状小孔口的流量系数差别不大，但孔口边缘情况对收缩系数会有影响；2、薄壁孔口的收缩系数ε最小，圆边孔口收缩系数ε较大，甚至等于1；3、孔口在壁面上的位置，对收缩系数ε有直接影响，不完善收缩孔口的流量系数μnc大于完善收缩的流量系数μ。8三、小孔口的收缩系数及流量系数1、不同形状小孔口6.2管嘴出流的水力计算

计算特点：hf≈0

出流特点：在C-C断面形成收缩，然后再扩大，逐步充满整个断面。从1→2建立伯努利方程，有式中：φn为管嘴流速系数96.2管嘴出流的水力计算计算特点：hf≈0出流特点：在式中：μn为管嘴流量系数管嘴正常工作条件

10式中：μn为管嘴流量系数管嘴正常工作条件10其他形式管嘴

工程上为了增加孔口的泄水能力或为了(少)出口的速度，常采用不同的管形式

（1）圆锥形扩张管嘴（θ=5～7°）（2）圆锥形收敛管嘴（较大的出口流速）（3）流线形管嘴（阻力系数最小）11其他形式管嘴工程上为了增加孔口的泄水能力或为了公式比较名称孔口出流管嘴出流基本公式流量系数12公式比较名称孔口出流管嘴出流基本公式流量系数12孔口、管嘴的水力特性比较13孔口、管嘴的水力特性比较13例1：在条件下，试分别比较孔口和管嘴出流的流速及流量。解：1.流速比较2.流量比较14例1：在条件下，试分别管流基本概念简单管道是指管道直径不变且无分支的管道复杂管道是指由两根以上管道组成管道系统。复杂管道又可以分为串联管道、并联管道、分叉管道、沿程泄流管和管网。短管是指管路中水流的流速水头和局部水头损失都不能忽略不计的管道。长管是指流速水头与局部水头损失之和远小于沿程水头损失，在计算中可以忽略的管道为，一般认为（局部水头损失+流速水头）＜5%的沿程水头损失，可以按长管计算。需要注意的是：长管和长管不是完全按管道的长短来区分的。将有压管道按长管计算，可以简化计算过程。但在不能判断流速水头与局部水头损失之和远小于沿程水头损失之前，按短管计算不会产生较大的误差。15管流基本概念简单管道是指管道直径不变且无分支的管道复杂管道是一、短管的水力计算基本公式

6.3简单管道的水力计算计算特点已知H、d，求Q（校核）已知Q、d，求H（设计）已知Q、H，求d（设计）计算类型16一、短管的水力计算基本公式6.3简单管道的水力计算计列断面1－1、2－2的能量方程管道出口中心到上游水位的高差，全部消耗于管道的水头损失和保持出口的动能。H——作用水头，指管道出口形心至上游水池水面的水头与上游行近流速的流速水头之和。1、自由出流17列断面1－1、2－2的能量方程管道出口中心到上游水位的高差，ρgρg18ρgρg18管道出口淹没在水下。

2、淹没出流简单管道在淹没出流的情况下，其作用水头Z0完全被消耗于克服管道由于沿程阻力、局部阻力所作负功所产生的水头损失上。z0——作用水头，上、下游水位差加上游行近流速的流速水头。19管道出口淹没在水下。管中流速通过管道的流量管道淹没出流的流量系数它反映了沿程阻力和局部阻力对管道输水能力的影响。20管中流速通过管道的流量管道淹没出流的流量系数它反映了沿程名称短管自由出流短管淹没出流基本公式流量系数公式比较21名称短管自由出流短管淹没出流基本公式流量系数公式比较21短管自由出流和淹没出流的计算关键在于正确计算流量系数。以上讨论中同时考虑了管道的沿程损失及局部水头损失，是按短管计算的情况。比较短管自由出流和淹没出流的流量系数公式，可以看到两式在分母中多一项“1”，但是计算淹没出流的流量系数μc时，局部水头损失系数中比自由出流多一项管道出口局部水头损失系数“1”（出口流入水池），在计算中不要遗忘。淹没出流时的有效水头是上下游水位差z，自由出流时是出口中心以上的水头H。22短管自由出流和淹没出流的计算关键在于正确计算流量系数。以上讨二、长管的水力计算基本公式

计算特点计算类型（与短管相同）23二、长管的水力计算基本公式计算特点计算类型（与短管相列断面1－1、2－2的能量方程：上式说明：全部作用水头均消耗在沿程水头损失上。连续方程：达西公式：式中：称为比阻。可得：24列断面1－1、2－2的能量方程：上式说明：全部作用水头均消耗长管水力计算还可根据连续方程和谢才公式：其中25长管水力计算还可根据连续方程和谢才公式：其中25

虹吸管是一种压力输水管道，顶部弯曲且其高程高于上游供水水面。1、虹吸管的水力计算虹吸管的工作原理图三、简单管道水力计算应用举例26虹吸管是一种压力输水管道，顶部弯曲且其高程高于上虹吸灌溉27虹吸灌溉27真空输水：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。28真空输水：世界上最大直径的虹吸管(右侧直径1520毫米我国最大的倒虹吸管29我29若在虹吸管内造成真空，使作用在上游水面的大气压强和虹吸管内压强之间产生压差，水流即能超过虹吸管最高处流向低处。虹吸管顶部的真虹吸管的工作原理空理论上不能大于最大真空值，即10米高水柱。实际上当虹吸管内压强接近该温度下的汽化压强时，液体将产生汽化，破坏水流的连续性。故一般不使虹吸管中的真空值大于7－8米。虹吸管应按短管计算。30若在虹吸管内造成真空，使作用在上游水面的大气压强和虹例2：图示用直径d=0.4m的钢筋混凝土虹吸管从河道向灌溉渠道引水，河道水位为120m，灌溉渠道水位118m，虹吸管各段长度为l1=10m，l2=5m，l3=12m，虹吸管进口安装无底阀的滤网（ζ=2.5）,管道有两个60o的折角弯管（ζ=0.55）。求：（1）通过虹吸管的流量。

（2）当虹吸管内最大允许真空值hv=7.0m时，虹吸管的最大安装高度。

31例2：图示用直径d=0.4m的钢筋混凝土虹吸管从河道向灌解：（1）计算通过虹吸管的流量

32解：（1）计算通过虹吸管的流量32（2）计算虹吸管的最大安装高度所以列河道水面和虹吸管下游转弯前过水断面的能量方程33（2）计算虹吸管的最大安装高度所以列河道水面和虹吸管下游转弯例3:一横穿河道的钢筋混凝土倒虹吸管，如图所示。已知通过流量Q为3m3/s，倒虹吸管上下游渠中水位差z为3m，倒虹吸管长l为50m，其中经过两个300的折角转弯，其局部水头损失系数ξb为0.20；进口局部水头损失系数ξe为0.5，出口局部水头损失系数ξ0为1.0，上下游渠中流速v1及v2为1.5m/s，管壁粗糙系数n＝0.014。试确定倒虹吸管直径d。34例3:一横穿河道的钢筋混凝土倒虹吸管，如图所示。已知通过流量解：倒虹吸管一般作短管计算。本题管道出口淹没在水下；而且上下游渠道中流速相同，流速水头消去。

因为沿程阻力系数λ或谢才系数C都是d的复杂函数，因此需用试算法。35解：倒虹吸管一般作短管计算。本题管道出口淹没在水下；而且上下先假设d＝0.8m，计算沿程阻力系数：与假设不符36先假设d＝0.8m，计算沿程阻力系数：与假设不符36故再假设d=0.95m，重新计算则采用管径d为0.95米37故再假设d=0.95m，重新计算则采用管径d为0.95米37吸水管的水力计算。吸水管的计算在于确定吸水管的管径及水泵的最大允许安装高程。

二、水泵装置的水力计算

压力水管的水力计算。压力水管的计算在于决定必需的管径及水泵的装机容量。38吸水管的水力计算。吸水管的计算在于确定吸水管的管径及水泵的最例4：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，沿程水头损失系数要求水泵最大真空度不超过6m，确定水泵允许安装高度，计算水泵的扬程。39例4：流量Q，吸水管长l1，压水管长l2，管径d，提水高度zρgρg40ρgρg404141第六章孔口、管嘴和有压管流§6－1孔口出流的水力计算§6—2管嘴出流的水力计算§6—3简单管道的水力计算42第六章孔口、管嘴和有压管流§6－1孔口出流的水力计算本章所用知识点连续性方程能量方程沿程水头损失局部水头损失重点掌握孔口、管嘴恒定出流的水力计算简单管路恒定流动的水力计算虹吸管、离心式水泵的水力计算43本章所用知识点2

孔口小孔口大孔口

管嘴孔口、管嘴出流44孔口小孔口大孔口管嘴孔口、管嘴出流3工程实例45工程实例46.1孔口出流的水力计算

计算特点：hf≈0

出流特点：收缩现象一、自由出流从1→C建立伯努利方程，有466.1孔口出流的水力计算计算特点：hf≈0出流特点：收式中：φ为孔口流速系数，对于小孔口，式中：ε、μ分别为孔口收缩系数和流量系数，对于小孔口：47式中：φ为孔口流速系数，对于小孔口，式中：ε、μ分别为孔口收二、淹没出流从1→2建立伯努利方程，有（与自由出流公式完全相同）（与自由出流公式完全相同）孔口淹没出流的流速和流量均与孔口的淹没深度无关，也无“大”、“小”孔口的区别。48二、淹没出流从1→2建立伯努利方程，有（与自由出流公式完三、小孔口的收缩系数及流量系数

1、不同形状小孔口的流量系数差别不大，但孔口边缘情况对收缩系数会有影响；2、薄壁孔口的收缩系数ε最小，圆边孔口收缩系数ε较大，甚至等于1；3、孔口在壁面上的位置，对收缩系数ε有直接影响，不完善收缩孔口的流量系数μnc大于完善收缩的流量系数μ。49三、小孔口的收缩系数及流量系数1、不同形状小孔口6.2管嘴出流的水力计算

计算特点：hf≈0

出流特点：在C-C断面形成收缩，然后再扩大，逐步充满整个断面。从1→2建立伯努利方程，有式中：φn为管嘴流速系数506.2管嘴出流的水力计算计算特点：hf≈0出流特点：在式中：μn为管嘴流量系数管嘴正常工作条件

51式中：μn为管嘴流量系数管嘴正常工作条件10其他形式管嘴

工程上为了增加孔口的泄水能力或为了(少)出口的速度，常采用不同的管形式

（1）圆锥形扩张管嘴（θ=5～7°）（2）圆锥形收敛管嘴（较大的出口流速）（3）流线形管嘴（阻力系数最小）52其他形式管嘴工程上为了增加孔口的泄水能力或为了公式比较名称孔口出流管嘴出流基本公式流量系数53公式比较名称孔口出流管嘴出流基本公式流量系数12孔口、管嘴的水力特性比较54孔口、管嘴的水力特性比较13例1：在条件下，试分别比较孔口和管嘴出流的流速及流量。解：1.流速比较2.流量比较55例1：在条件下，试分别管流基本概念简单管道是指管道直径不变且无分支的管道复杂管道是指由两根以上管道组成管道系统。复杂管道又可以分为串联管道、并联管道、分叉管道、沿程泄流管和管网。短管是指管路中水流的流速水头和局部水头损失都不能忽略不计的管道。长管是指流速水头与局部水头损失之和远小于沿程水头损失，在计算中可以忽略的管道为，一般认为（局部水头损失+流速水头）＜5%的沿程水头损失，可以按长管计算。需要注意的是：长管和长管不是完全按管道的长短来区分的。将有压管道按长管计算，可以简化计算过程。但在不能判断流速水头与局部水头损失之和远小于沿程水头损失之前，按短管计算不会产生较大的误差。56管流基本概念简单管道是指管道直径不变且无分支的管道复杂管道是一、短管的水力计算基本公式

6.3简单管道的水力计算计算特点已知H、d，求Q（校核）已知Q、d，求H（设计）已知Q、H，求d（设计）计算类型57一、短管的水力计算基本公式6.3简单管道的水力计算计列断面1－1、2－2的能量方程管道出口中心到上游水位的高差，全部消耗于管道的水头损失和保持出口的动能。H——作用水头，指管道出口形心至上游水池水面的水头与上游行近流速的流速水头之和。1、自由出流58列断面1－1、2－2的能量方程管道出口中心到上游水位的高差，ρgρg59ρgρg18管道出口淹没在水下。

2、淹没出流简单管道在淹没出流的情况下，其作用水头Z0完全被消耗于克服管道由于沿程阻力、局部阻力所作负功所产生的水头损失上。z0——作用水头，上、下游水位差加上游行近流速的流速水头。60管道出口淹没在水下。管中流速通过管道的流量管道淹没出流的流量系数它反映了沿程阻力和局部阻力对管道输水能力的影响。61管中流速通过管道的流量管道淹没出流的流量系数它反映了沿程名称短管自由出流短管淹没出流基本公式流量系数公式比较62名称短管自由出流短管淹没出流基本公式流量系数公式比较21短管自由出流和淹没出流的计算关键在于正确计算流量系数。以上讨论中同时考虑了管道的沿程损失及局部水头损失，是按短管计算的情况。比较短管自由出流和淹没出流的流量系数公式，可以看到两式在分母中多一项“1”，但是计算淹没出流的流量系数μc时，局部水头损失系数中比自由出流多一项管道出口局部水头损失系数“1”（出口流入水池），在计算中不要遗忘。淹没出流时的有效水头是上下游水位差z，自由出流时是出口中心以上的水头H。63短管自由出流和淹没出流的计算关键在于正确计算流量系数。以上讨二、长管的水力计算基本公式

计算特点计算类型（与短管相同）64二、长管的水力计算基本公式计算特点计算类型（与短管相列断面1－1、2－2的能量方程：上式说明：全部作用水头均消耗在沿程水头损失上。连续方程：达西公式：式中：称为比阻。可得：65列断面1－1、2－2的能量方程：上式说明：全部作用水头均消耗长管水力计算还可根据连续方程和谢才公式：其中66长管水力计算还可根据连续方程和谢才公式：其中25

虹吸管是一种压力输水管道，顶部弯曲且其高程高于上游供水水面。1、虹吸管的水力计算虹吸管的工作原理图三、简单管道水力计算应用举例67虹吸管是一种压力输水管道，顶部弯曲且其高程高于上虹吸灌溉68虹吸灌溉27真空输水：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。69真空输水：世界上最大直径的虹吸管(右侧直径1520毫米我国最大的倒虹吸管70我29若在虹吸管内造成真空，使作用在上游水面的大气压强和虹吸管内压强之间产生压差，水流即能超过虹吸管最高处流向低处。虹吸管顶部的真虹吸管的工作原理空理论上不能大于最大真空值，即10米高水柱。实际上当虹吸管内压强接近该温度下的汽化压强时，液体将产生汽化，破坏水流的连续性。故一般不使虹吸管中的真空值大于7－8米。虹吸管应按短管计算。71若在虹吸管内造成真空，使作用在上游水面的大气压强和虹例2：图示用直径d=0.4m的钢筋混凝土虹吸管从河道向灌溉渠道引水，河道水位为120m，灌溉渠道水位118m，虹吸管各段长度为l1=10m，l2=5m，l3=12m，虹吸管进口安装无底阀的滤网（ζ=2.5）,管道有两个60o的折角弯管（ζ=0.55）。求：（1）通过虹吸管的流量。

（2）当虹吸管内最大允许真空值hv=7.0m时，虹吸管的最大安装高度。

72例2：图示用直径d=0.4m的钢筋混凝土虹吸管从河道向灌解：（1）计算通过虹吸