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1、前 進(jìn) 5.1 孔 口 出 流 5.2 管 嘴 出 流 5.3 短 管 的 水 力 計(jì) 算 5.4 長(zhǎng) 管 的 水 力 計(jì) 算 5.5 有 壓 管 路 中 的 水 擊【 教 學(xué) 基 本 要 求 】 【 學(xué) 習(xí) 重 點(diǎn) 】 回 到 總 目 錄 教 學(xué) 基 本 要 求 1、 了 解 有 壓 管 流 的 基 本 特 點(diǎn) ， 掌 握 管 流 分為 長(zhǎng) 管 流 動(dòng) 和 短 管 流 動(dòng) 的 條 件 。 2、 掌 握 簡(jiǎn) 單 管 道 的 水 力 計(jì) 算 和 測(cè) 壓 管 水 頭線 、 總 水 頭 線 的 繪 制 ， 并 能 確 定 管 道 內(nèi) 的壓 強(qiáng) 分 布 。 3、 了 解 復(fù) 雜 管 道 的 特 點(diǎn) 和

2、 計(jì) 算 方 法 。 4、 了 解 有 壓 管 道 中 的 水 擊 現(xiàn) 象 和 水 擊 傳 播過(guò) 程 。 學(xué) 習(xí) 重 點(diǎn) 1、 掌 握 長(zhǎng) 管 、 短 管 以 及 有 壓 流 的 計(jì) 算 及其 應(yīng) 用 ， 了 解 管 道 的 串 、 并 聯(lián) ； 2、 理 解 有 壓 管 道 的 水 擊 現(xiàn) 象 和 水 擊 傳 播 過(guò)程 。 以 上 各 章 中 討 論 了 液 體 運(yùn) 動(dòng) 的 基 本 規(guī) 律 ，導(dǎo) 出 了 水 力 學(xué) 的 基 本 方 程 連 續(xù) 方 程 、 能量 方 程 及 動(dòng) 量 方 程 ， 并 闡 述 了 水 頭 損 失 的 計(jì)算 方 法 ， 應(yīng) 用 這 些 基 本 原 理 即 可 研 究

3、解 決 工程 中 常 見 的 水 力 計(jì) 算 問 題 ， 如 有 壓 管 道 中 的恒 定 流 、 明 渠 恒 定 流 及 水 工 建 筑 物 的 水 力 計(jì)算 等 。 本 章 討 論 的 重 點(diǎn) 是 有 壓 管 中 恒 定 流 的水 力 計(jì) 算 。 即 短 管 （ 水 泵 裝 置 、 虹 吸 管 、 倒虹 吸 管 ） 、 長(zhǎng) 管 的 水 力 計(jì) 算 和 測(cè) 壓 管 水 頭 線和 總 水 頭 線 的 繪 制 。 有 壓 管 道 ： 管 道 周 界 上 的 各 點(diǎn) 均 受 到 液體 壓 強(qiáng) 的 作 用 。 有 壓 管 中 的 恒 定 流 ： 有 壓 管中 液 體 的 運(yùn) 動(dòng) 要 素 不 隨 時(shí)

4、間 而 變 。1.簡(jiǎn) 單 管 道 和 復(fù) 雜 管 道 根 據(jù) 管 道 的 組 成 情 況 我 們 把 它 分 為 簡(jiǎn) 單管 道 和 復(fù) 雜 管 道 。 簡(jiǎn) 單 管 道 是 指 直 徑 和 流 量沿 流 程 不 變 的 管 道 ； 復(fù) 雜 管 道 是 指 由 兩 根 以上 管 道 組 成 的 管 道 系 統(tǒng) 。 復(fù) 雜 管 道 又 可 以 分為 串 聯(lián) 管 道 、 并 聯(lián) 管 道 、 分 叉 管 道 、 沿 程 泄流 管 和 管 網(wǎng) 。 基 本 知 識(shí) 點(diǎn) 2.短 管 和 長(zhǎng) 管 短 管 是 指 管 路 中 水 流 的 流 速 水 頭 和 局 部 水 頭 損失 都 不 能 忽 略 不 計(jì) 的 管

5、 道 ； 長(zhǎng) 管 是 指 流 速 水 頭 與 局 部 水 頭 損 失 之 和 遠(yuǎn) 小 于沿 程 水 頭 損 失 ， 在 計(jì) 算 中 可 以 忽 略 的 管 道 為 ， 一 般 認(rèn)為 （ 局 部 水 頭 損 失 +流 速 水 頭 ） 10%的 沿 程 水 頭 損 失 ，可 以 按 長(zhǎng) 管 計(jì) 算 。 需 要 注 意 的 是 ： 長(zhǎng) 管 和 長(zhǎng) 管 不 是 完 全 按 管 道 的 長(zhǎng) 短 來(lái) 區(qū)分 的 。 將 有 壓 管 道 按 長(zhǎng) 管 計(jì) 算 ， 可 以 簡(jiǎn) 化 計(jì) 算 過(guò) 程 。 但 在 不 能判 斷 流 速 水 頭 與 局 部 水 頭 損 失 之 和 遠(yuǎn) 小 于 沿 程 水 頭 損 失 之

6、前 ，按 短 管 計(jì) 算 不 會(huì) 產(chǎn) 生 較 大 的 誤 差 。 5.1 孔 口 出 流 液 體 經(jīng) 容 器 壁 上 孔 口 流出 的 水 力 現(xiàn) 象 。 孔 口 分 類 ： 大 孔 口 H/d 10 小 孔 口 H/d 10 流 動(dòng) 分 類 ： 恒 定 和 非 恒定 出 流 出 流 分 類 ： 自 由 出 流 和淹 沒 出 流 收 縮 分 類 ： 完 善 收 縮 和不 完 善 收 縮 1、 薄 壁 小 孔 口 恒 定 出 流 薄 壁 ： 出 孔 水 流 與 孔 壁 僅 在 周 線 上 接 觸 ， 即 孔 壁 厚 度 對(duì) 出 孔 水 股 沒 有 影 響 。 小 孔 口 ： H/d10 1)小

7、孔 口 的 自 由 出 流 pc=pa=0 薄 壁 小 孔 口 自 由 出 流 的 基 本 公 式 gvhh jw 2220 gvgvH cc 2)(2 20200 000 221 gHgHv cc 00 22 gHAgHAAvQ cc 薄 壁 小 孔 口 出 流 的 各 項(xiàng) 系 數(shù) 流 速 系 數(shù) 實(shí) 驗(yàn) 測(cè) 得 孔 口 流 速 系 數(shù) = 0.97 0.98。 孔 口 的 局 部 阻 力 系 數(shù) 0 , 孔 口 的 收 縮 系 數(shù) 孔 口 的 流 量 系 數(shù) ， = 。 對(duì) 薄 壁 小 孔 口 = 0.60 0.62。 00 1 11 c 06.097.0 111 220 64.0/ AA

8、c 2） 淹 沒 出 流 當(dāng) 出 孔 水 流 淹 沒 在 下 游 水 面 之 下 。孔 口 淹 沒 出 流 的 流 速 和 流 量均 與 孔 口 的 淹 沒 深 度 無(wú) 關(guān) ，也 無(wú) “ 大 ” 、 “ 小 ” 孔 口 的 區(qū) 別 。 00 22 gHAgHAAvQ cc gvgvHH 22 2222110 3） 小 孔 口 的 收 縮 系 數(shù) 及 流 量 系 數(shù) 實(shí) 驗(yàn) 證 明 ， 不 同 形 狀 小 孔 口 的 流 量 系 數(shù) 差 別 不 大 ， 但 孔 口 邊 緣 情 況 對(duì) 收 縮 系 數(shù) 會(huì) 有 影 響 ， 薄 壁 孔 口 的 收 縮 系 數(shù) 最 小 ， 圓 邊 孔 口 收 縮 系

9、數(shù) 較 大 ， 甚 至 等 于 1。 孔 口 在 壁 面 上 的 位 置 ， 對(duì) 收 縮 系 數(shù) 有 直 接 影 響 ， 不 完善 收 縮 孔 口 的 流 量 系 數(shù) c大 于 完 善 收 縮 的流 量 系 數(shù) 。 薄 壁 小 孔 口 各 項(xiàng) 系 數(shù) 收 縮 系 數(shù) 阻 力 系 數(shù) 流 速 系 數(shù) 流 量 系 數(shù) 0.64 0.06 0.97 0.62 2、 孔 口 非 恒 定 出 流 如 容 器 水 面 隨 時(shí) 間 變 化 ， 孔 口 的 流 量 也 會(huì) 隨 時(shí) 間 變 化 ， 稱 為 變 水 頭 出 流 或 非 恒 定 流 。 dtghAQdt 2dhQdt dhdtghA 2 hdhgA

10、dt 2 hdhgAt H H 221 當(dāng) 容 器 為 柱 體 ， =常 數(shù) ， 則 有 ： 當(dāng) H1=H， H2=0， 即 得 容 器 “ 泄空 ” (水 面 降 至 孔 口 處 )所 需 時(shí) 間 變 水 頭 出 流 時(shí) 容 器 “ 泄 空 ” 所 需 要 的 時(shí)間 ， 等 于 在 起 始 水 頭 H作 用 下 恒 定 出 流 流出 同 體 積 水 所 需 時(shí) 間 的 二 倍 。 2122 HHgAt max22222 QVgHA HgA Ht 5.2 管 嘴 出 流 在 孔 口 接 一 段 長(zhǎng)l=(3 4)d的 短 管 ， 液流 經(jīng) 過(guò) 短 管 并 充 滿 出口 斷 面 流 出 的 水 力

11、 現(xiàn)象 。 根 據(jù) 實(shí) 際 需 要 管 嘴可 設(shè) 計(jì) 成 ：1） 圓 柱 形 ： 內(nèi) 管 嘴 和外 管 嘴2） 非 圓 柱 形 ： 擴(kuò) 張 管嘴 和 收 縮 管 嘴 。 1、 圓 柱 形 外 管 嘴 恒 定 出 流 whgvgvH 22 2200 00 221 gHgHv nn gvh nw 2 2 管 嘴 的 流 量 系 數(shù) 管 嘴 阻 力 系 數(shù) n= 0.5 管 嘴 流 速 系 數(shù) 管 嘴 流 量 系 數(shù) ， 因 出 口 無(wú) 收 縮 n= n= 0.82 顯 然 n= 1.32 。 可 見 在 相 同 條 件 ， 管嘴 的 過(guò) 流 能 力 是 孔 口 的 1.32倍 。 82.05.01

12、 11 nn 2 圓 柱 形 外 管 嘴 的 真 空 孔 口 外 面 加 管 嘴 后 ， 增 加 了 阻 力 ， 但 是流 量 反 而 增 加 ， 這 是 由 于 收 縮 斷 面 處 真空 的 作 用 。 對(duì) 圓 柱 形 外 管 嘴 ： =1， =0.64， =0.82 jcc hgvgvp 22 22 vvAAv cc 1gvgvvp sec 2229 222 2 0222 11 Hpc 075.0 Hpc 圓 柱 形 外 管 嘴 的 正 常 工 作 條 件 收 縮 斷 面 的 真 空 是 有 限 制 的 ， 如 長(zhǎng)江 中 下 游 地 區(qū) ， 當(dāng) 真 空 度 達(dá) 7米 水 柱以 上 時(shí) ，

13、由 于 液 體 的 壓 強(qiáng) 低 于 飽 和蒸 汽 壓 時(shí) 會(huì) 發(fā) 生 汽 化 。圓 柱 形 外 管 嘴 的 正 常 工 作 條 件 是 ：(1)作 用 水 頭 H0 9米 ；(2)管 嘴 長(zhǎng) 度 l=(3 4)d。 3） 其 他 形 式 管 嘴 工 程 上 為 了 增 加 孔 口 的 泄 水 能 力 或 為 了增 加 (減 少 )出 口 的 速 度 ， 常 采 用 不 同 的 管咀 形 式 (1)圓 錐 形 擴(kuò) 張 管 嘴 （ =5 7 ） (2)圓 錐 形 收 斂 管 嘴 （ 較 大 的 出 口 流 速 ） (3)流 線 形 管 嘴 （ 阻 力 系 數(shù) 最 小 ） 孔 口 、 管 嘴 的 水

14、 力 特 性 5.3 簡(jiǎn) 單 短 管 中 的 恒 定 有 壓 流 簡(jiǎn) 單 管 道 的 水 力 計(jì) 算 可 分 為 自 由 出 流和 淹 沒 出 流 兩 種 情 況 。 1.自 由 出 流 管 道 出 口 水 流 流 入 大 氣 ， 水 股 四 周 都 受大 氣 壓 強(qiáng) 的 作 用 ， 稱 為 自 由 出 流 管 道 。 圖 5-1 圖 5 1中 ， 列 斷面 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 頭 損 失 和 保 持 出 口 的 動(dòng) 能 。時(shí)當(dāng) 01 v 管 道 自由 出 流的 流 量系 數(shù) 2.淹 沒

15、 出 流管 道 出 口 淹 沒 在 水 下 ， 稱 淹 沒 出 流 。 圖 5-2在 圖 5-2中 ， 列 斷 面 與 的 能 量方 程 ： 20 0 1 22 wz hg 0z z 若 不 計(jì) 上 游 流 速 水 頭 ， 則 220 1 2 2f j Lz h h d g 說(shuō) 明 ： 簡(jiǎn) 單 管 道 在 淹 沒 出 流 的 情 況 下 ， 其作 用 水 頭 完 全 被 消 耗 于 克 服 管 道 的 沿 程 阻 力 和局 部 阻 力 所 作 負(fù) 功 而 產(chǎn) 生 的 水 頭 損 失 上 。管 中 流 速 ： 通 過(guò) 管 道 的 流 量 ：管 道 淹 沒 出 流的 流 量 系 數(shù)請(qǐng) 特 別 注

16、意 ： 短 管 自 由 出 流 和 淹 沒 出 流 的 計(jì) 算 關(guān)鍵 在 于 正 確 計(jì) 算 流 量 系 數(shù) 。 我 們 比 較 短 管 自 由 出流 和 淹 沒 出 流 的 流 量 系 數(shù) 公 式 ， 可 以 看 到 兩 式 在分 母 中 相 差 一 項(xiàng) “ 1” ， 但 是 計(jì) 算 淹 沒 出 流 的 流量 系 數(shù) c時(shí) ， 局 部 水 頭 損 失 系 數(shù) 中 比 自 由 出 流多 一 項(xiàng) 管 道 出 口 局 部 水 頭 損 失 系 數(shù) “ 1”， 在 計(jì)算 中 不 要 遺 忘 。 5.3.2 壓 強(qiáng) 沿 程 變 化 和 水 頭 線 的 繪 制 用 以 下 例 子 說(shuō) 明 總 水 頭 線

17、和 測(cè) 壓 管 水 頭 線 的 繪 制 。 v122g v222g管 道 突 然 縮 小 總 水 頭 線測(cè) 壓 管 水 頭 線 v122g v222g管 道 突 然 放 大 總 水 頭 線測(cè) 壓 管 水 頭 線 v22g v22g管 道 中 的 閥 門 總 水 頭 線測(cè) 壓 管 水 頭 線 管 道 測(cè) 壓 管 水 頭 線 和 總 水 頭 線11 H1 22 33 44 55ipi /v0 hwi H10總 水 頭 線測(cè) 壓 管 水 頭 線v022g 步 驟 1： 先 定 出 不 計(jì) 能 量 損 失 的 總 水 頭11 H1 22 33 44 55ipi /v0 hwi H10總 水 頭 線測(cè)

18、壓 管 水 頭 線v022g 步 驟 2： 定 出 管 道 末 端 的 總 水 頭11 H1 22 33 44 55ipi /v0 hwi H10總 水 頭 線測(cè) 壓 管 水 頭 線v022g 步 驟 3： 尋 求 最 后 一 個(gè) 局 部 損 失 處 （ 4） 下 游11 H1 22 33 44 55ipi /v0 hwi H10總 水 頭 線測(cè) 壓 管 水 頭 線v022g 步 驟 4： 計(jì) 算 45段 的 能 量 損 失 hf 4511 H1 22 33 44 55ipi /v0 hwi H10總 水 頭 線測(cè) 壓 管 水 頭 線v022g 步 驟 6： 以 管 道 末 端 總 水 頭 線

19、 為 基 礎(chǔ) ， 在 4處 向 上 量 取 hf 45， 得 4-4斷 面 右 側(cè) 總 水 頭 點(diǎn)11 H1 22 33 44 55ipi /v0 hwi H10總 水 頭 線測(cè) 壓 管 水 頭 線v022g hf 45 步 驟 6： 以 右 側(cè) 總 水 點(diǎn) 起 ， 再 量 取 一 個(gè) 4處 的 局 部 水 頭 損 失 ， 得 到 4-4斷 面 左 側(cè) 的 總 水 頭 點(diǎn) 11 H1 22 33 44 55ipi /v0 hwi H10總 水 頭 線測(cè) 壓 管 水 頭 線v022g hf 45 步 驟 7： 逐 次 向 上 游 推 進(jìn) ， 便 可 得 到 總 水 頭 線11 H1 22 33

20、44 55ipi /v0 hwi H10總 水 頭 線測(cè) 壓 管 水 頭 線v022g hf 45 步 驟 8： 從 總 水 頭 線 向 下 扣 除 一 個(gè) 相 應(yīng) 管 道 的 流 速 水 頭 ， 便 可 得 到 測(cè) 壓 管 水 頭 線11 H1 22 33 44 55ipi /v0 hwi H10總 水 頭 線測(cè) 壓 管 水 頭 線v022g hf 45 注 意 ： 起 ： 水 面 或 總 水 頭 線 11 H1 22 33 44 55ipi /v0 hwi H10總 水 頭 線測(cè) 壓 管 水 頭 線v022g 注 意 ： 局 部 水 頭 損 失 處 ： 水 頭 線 發(fā) 生 突 變11 H1

21、 22 33 44 55ipi /v0 hwi H10總 水 頭 線測(cè) 壓 管 水 頭 線v022g 注 意 ： 測(cè) 壓 管 水 頭 線 和 總 水 頭 線 相 差 一 個(gè) 流 速 水 頭11 H1 22 33 44 55ipi /v0 hwi H10總 水 頭 線測(cè) 壓 管 水 頭 線v022g 當(dāng) 測(cè) 壓 管 水 頭 線 低 于 管 道 軸 線 時(shí) ， 管 道 存 在 負(fù) 壓 （ 真 空 ）11 H1 22 33 44 55ipi /v0 hwi H10總 水 頭 線測(cè) 壓 管 水 頭 線v022g 虹 吸 管 是 一 種 壓 力 輸 水 管 道 ， 頂 部 彎 曲 且 其 高 程 高于

22、上 游 供 水 水 面 。 在 虹 吸 管 內(nèi) 造 成 真 空 ， 使 水 流 則 能 通過(guò) 虹 吸 管 最 高 處 引 向 其 他 處 。5.3.3 計(jì) 算 實(shí) 例（ 1） 虹 吸 管 的 水 力 計(jì) 算 虹 吸 管 的 優(yōu) 點(diǎn) 在 于 能 跨 越 高 地 ， 減 少 挖 方 。 虹 吸 管長(zhǎng) 度 一 般 不 長(zhǎng) ， 故 按 照 短 管 計(jì) 算 。 pa11 22 zzs虹 吸 管 頂 部 虹 吸 管 頂 部 的 真 空 的 理 論 值 不 能 大 于 最 大 真 空 值（ 10mH2O） 。 當(dāng) 虹 吸 管 內(nèi) 壓 強(qiáng) 接 近 該 溫 度 下 的 汽 化 壓 強(qiáng) 時(shí) ， 液 體將 產(chǎn) 生

23、汽 化 ， 破 壞 水 流 連 續(xù) 性 ， 可 能 產(chǎn) 生 空 蝕 破 壞 ，故 一 般 虹 吸 管 中 的 真 空 值 7 8mH2O。 例 有 一 渠 道 用 兩 根 直 徑 為 1.0m的 混 凝 土 虹 吸 管 來(lái) 跨越 山 丘 ， 渠 道 上 游 水 位 為 1 100.0m， 下 游 水 位 為 2 99.0m， 虹 吸 管 長(zhǎng) 度 l1 = 8m l2= 15m； l3 = 15m， 中 間有 60 的 折 彎 兩 個(gè) ， 每 個(gè) 彎 頭 的 局 部 水 頭 損 失 系 數(shù) 為0.365， 若 進(jìn) 口 局 部 水 頭 損 失 系 數(shù) 為 0.5； 出 口 局 部 水 頭損 失 系

24、 數(shù) 為 1.0。 試 確 定 ： 當(dāng) 虹 吸 管 中 的 最 大 允 許 真 空 度 為 7mH 2O 時(shí) ， 虹 吸 管最 高 安 裝 高 程 z s為 多 少 ？ 0 0 BBzszl1 l3l2 虹 吸 管 為 淹 沒 出 流0 0 BBzszl1 l3l2 0 0 BBzszl1 l3l2 s/.gHAQ .)dl( . .Cg .RnC .z gzAvAQ c ic c 3222 6161 21 98511619114325057102 5710136502501350240 11 0240756 8988 75641014011 010099001002 mm ）（求 流 量 虹

25、 吸 管 中 最 大 真 空 一 般 發(fā) 生 在 管 道 最 高 位 置 。本 題 最 大 真 空 發(fā) 生 在 第 二 個(gè) 彎 頭 后 的 B-B 斷 面 ?？?慮 0-0斷 面 和 B-B 斷 面 的 能 量 方 程 ， 則 0 0 BBzszl1 l3l2 m24.62)2( 2)2( 2)2(22200 22121 221 22122200 gvdllhz hgvdlzp gvdlgvpzhgvpzgvvs vBsB BBswBs 0 0 B Bzszl1 l3l2v 一 個(gè) 抽 水 系 統(tǒng) 通 過(guò) 水 泵 轉(zhuǎn) 動(dòng) 轉(zhuǎn) 輪 的 作 用 ， 在 水 泵進(jìn) 口 處 形 成 真 空 ， 使 水

26、 流 在 池 面 大 氣 壓 強(qiáng) 的 作 用 下 沿吸 水 管 上 升 ， 流 經(jīng) 水 泵 時(shí) 從 水 泵 獲 得 新 的 能 量 ， 進(jìn) 入 壓力 管 ， 再 流 入 水 塔 。 （ 2） 水 泵 的 水 力 計(jì) 算 110 022 33 44z 測(cè)壓管水頭線zs 吸 水 管 壓 水 管 水 泵 的 水 力 計(jì) 算 吸 水 管 和 壓 力 水 管 吸 水 管 : 短 管 壓 力 水 管 :長(zhǎng) 管 l 吸 水 管 的 水 力 計(jì) 算確 定 管 徑 和 水 泵 最 大 允 許 安 裝 高 程 吸 水 管 的 管 徑 一 般 是 根 據(jù) 允 許 流 速 計(jì) 算 ， 通 常 吸 水 管 的 允 許

27、流 速 約 為 0.8 1.25 m/s， 或 根 據(jù) 有 關(guān) 規(guī) 范 確 定 。 流 速 確 定 后 ， 管 徑 可 按 下 式 計(jì) 算 允v Qd 4 水 泵 的 最 大 允 許 安 裝 高 程 ， 取 決 于 水 泵 的 最 大 允 許 真 空 度 hv 以 及 吸 水 管 水 頭 損 失 hw 。 計(jì) 算 方 法 和 虹 吸 管 允 許 安 裝 高 程 的 計(jì) 算 方 法 相 同 。 考 慮 1-1斷 面 和 4-4斷 面 的 能 量 方 程 ， 注 意 兩 者 之 間 存在 水 泵 。 考 慮 兩 個(gè) 斷 面 之 間 的 能 量 方 程 時(shí) ， 應(yīng) 考 慮 有水 力 機(jī) 械 對(duì) 水

28、流 所 作 功 。水 泵 的 揚(yáng) 程 110 022 33 44z 測(cè)壓管水頭線zs 吸 水 管 壓 水 管考 慮 1-1斷 面 和 4-4斷 面 的 能 量 方 程 ， 注 意 兩 者 之 間 存在 水 泵 。 考 慮 兩 個(gè) 斷 面 之 間 的 能 量 方 程 時(shí) ， 應(yīng) 考 慮 有水 力 機(jī) 械 對(duì) 水 流 所 作 功 。水 泵 的 揚(yáng) 程 110 022 33 44z 測(cè)壓管水頭線zs 吸 水 管 壓 水 管20 0 1 41 4 1 2 3 40 0 02 (kW)1000 t wt w w wtP Pv H z hgH z h z h hQHN 20 0 1 41 4 1 2 3

29、40 0 02 (kW)1000 t wt w w wtP Pv H z hgH z h z h hQHN 式 中 ， Ht 為 水 泵 向 單 位 液 體 所 提 供 的 機(jī) 械 能 ， 稱 為 水 泵 的 水 頭 或 者 揚(yáng) 程 （ m） ； P 為 水 泵 和 動(dòng) 力 機(jī) 械 的 總 效 率 。 上 式 表 明 ： 水 泵 向 單 位 重 量 液 體 所 提 供 的 機(jī) 械 能20 0 1 41 4 1 2 3 40 0 02 (kW)1000 t wt w w wtP Pv H z hgH z h z h hQHN l 將 水 流 提 高 一 個(gè) 幾 何 高 度 ，水 泵 的 靜 揚(yáng)

30、程l 克 服 全 部 水 頭 損 失 水 泵 的 輸 入 功 率 例 題 ： 用 離 心 泵 將 湖 水 抽 到 水 池 中 去 ， 流 量 為0.2（ m3/s） ， 湖 面 高 程 為 85.0m， 水 池 水 面 高 程 為105.0m， 吸 水 管 長(zhǎng) 度 為 10.0m， 水 泵 的 允 許 真 空 hv = 4.5m， 吸 水 管 底 閥 的 局 部 水 頭 損 失 系 數(shù) 為 2.5； 彎管 的 局 部 水 頭 損 失 系 數(shù) 0.3， 水 泵 入 口 前 的 漸 變 收 縮段 局 部 水 頭 損 失 系 數(shù) 為 0.1； 吸 水 管 沿 程 水 頭 損 失 系數(shù) 為 0.022

31、， 壓 力 管 道 采 用 鑄 鐵 管 ， 其 直 徑 為 500mm，長(zhǎng) 度 為 1000m， n = 0.013。 110 022 33 44z 測(cè)壓管水頭線zs 例 用 離 心 泵 將 湖 水 抽 入水 池 ， 流 量 為 0.2m3/s，湖 面 高 程 為 85.0m 110 022 33 44z 測(cè)壓管水頭線zs 水 池 水 面 高 程 為 105m， 吸 水 管 長(zhǎng) 度 為 10.0m，水 泵 允 許 真 空 hv= 4.5m 110 022 33 44z 測(cè)壓管水頭線zs 吸 水 管 底 閥 局 部 水 頭 損失 系 數(shù) 為 2.5； 彎 管 的 局部 水 頭 損 失 系 數(shù) 0

32、.3， 水泵 入 口 前 的 漸 變 收 縮 段局 部 水 頭 損 失 系 數(shù) 0.1； 110 022 33 44z 測(cè)壓管水頭線zs 吸 水 管 沿 程 水 頭 損 失 系數(shù) 為 0.022， 壓 力 管 用 鑄鐵 管 ， 直 徑 500mm， 長(zhǎng)度 1000m， n = 0.013 110 022 33 44z 測(cè)壓管水頭線zs 試 確 定 ： 吸 水 管 直 徑水 泵 安 裝 高 度水 泵 功 率 例 題 水 泵 管 路 如 圖 所 示 ， 鑄 鐵 管 直 徑 d=150mm， 長(zhǎng) 度 ， 管 路 上 裝 有 濾 水 網(wǎng) 一 個(gè) ， 全 開 截 止 閥 一 個(gè) ，管 半 徑 與 曲 率

33、 半 徑 之 比 為 的 彎 頭 三 個(gè) ， 高 程 h =100 m ，流 量 ， 水 溫 。試 求 水 泵 輸 出 功 率 mml 180 6 5.0RrhmQ 3225 C020 解 首 先 需 要 判 斷 流 動(dòng) 狀 態(tài) 以 便 確 定 沿 程 阻 力 系 數(shù) 時(shí) ， 水 的 運(yùn) 動(dòng) 粘 度 ， 于 是 C020 smv 2610007.1 56 1027.5007.115.03600 1022544Re dvQvd鑄 鐵 管 Re332006002.222.22 600 ,00166.0,25.0 78 dd dmm非 光 滑 管 紊 流 Re1097.7597 589 d可 知 流

34、 動(dòng) 狀 態(tài) 為 紊 流 過(guò) 渡 區(qū) 。 d h圖 水 泵 管 路 先 用 經(jīng) 驗(yàn) 公 式 求 的 近 似 值 0227.0Re6811.0 25.0 d 212.6Re51.27.3lg21 d 解 出 ， 與 第 一 次 近 似 值 相 差 不 多 ， 即 以 此 值 為 準(zhǔn) 。02559.0將 此 值 代 入 半 經(jīng) 驗(yàn) 公 式 的 右 端 ， 從 其 左 端 求 的 第 二 次 近 似值 ， 于 是 從 局 部 阻 力 系 數(shù) 表 及 題 給 出 數(shù) 據(jù) 可 知 ： 入 口 ， 彎 頭 截 止 閥 ， 濾 水 網(wǎng) ， 出 口 ， 于 是得 局 部 阻 力 的 當(dāng) 量 管 長(zhǎng) 5.0 2

35、9443.0 9.3 6 1mdle 98.7115.002559.0 28.12 管 路 總 阻 力 長(zhǎng) 度水 泵 揚(yáng) 程最 后 得 水 泵 輸 出 功 率 mllL e 25298.71180 將 代 入 公 式 中 可 得24dQ gdLhf 22 mQdg Lhf 4.27360015.081.9 22525202559.088 252 2252 mhhH f 4.1274.27100 kWWgQHP 78780004.12736002259810 5.4.1簡(jiǎn) 單 管 路 定 義 ： 直 徑 和 流 量 沿 程 不 變 的 管 路 稱 為 簡(jiǎn)單 管 路 。長(zhǎng) 管 的 水 力 計(jì) 算

36、5.4 長(zhǎng) 管 的 水 力 計(jì) 算 圖 中 ， 列 斷 面 11、 2 2的 能 量 方 程 時(shí)當(dāng) 01 v 212222 fj hhgv由 于 22522 82 lQlQdggvdlhH f 故 g 管 道 出 口 中 心 到 上 游 水 位 的 高 差 ， 全 部 消耗 于 管 道 的 沿 程 水 頭 損 失 。 222 1KlQlQh JKJlhQf f 管 道 的 比 阻 ；K 管 道 的 流 量 模 數(shù) 。 簡(jiǎn) 單 管 道 水 力 計(jì) 算 的 基 本 類 型2.當(dāng) 已 知 管 道 尺 寸 和 輸 水 能 力 時(shí) ， 計(jì) 算 水 頭 損 失 ；即 要 求 確 定 通 過(guò) 一 定 流 量

37、 時(shí) 所 必 須 的 水 頭 。3.管 線 布 置 已 定 ， 當(dāng) 要 求 輸 送 一 定 流 量 時(shí) ， 確 定所 需 的 斷 面 尺 寸 。1.當(dāng) 管 道 布 置 、 斷 面 尺 寸 及 作 用 水 頭 已 知 時(shí) ， 要求 確 定 管 道 通 過(guò) 的 流 量 。4.對(duì) 一 個(gè) 已 知 管 道 尺 寸 、 水 頭 和 流 量 的 管 道 ， 要 求確 定 管 道 各 斷 面 壓 強(qiáng) 的 大 小 。 5.4.2 串 聯(lián) 管 道 的 水 力 計(jì) 算串 聯(lián) 管 道 : 由 直 徑 不 同 的 幾 段 管 道 依 次 連 接 而 成 的 管 道 。特 點(diǎn) ： 管 道 內(nèi) 流 量 可 沿 程 不 變

38、 或 各 段 流 量 不 同 （ 沿 管 道 節(jié) 點(diǎn) 有 流 量 分 出 ） 1 v0 Q 1 Q2 Q3q1 q2l1 d1 l2 d2 l3 d3hf1 hf2 hf 3 H11 1） 按 長(zhǎng) 管 計(jì) 算給 水 管 道 中 的 串 聯(lián) 管 道 一 般 按 長(zhǎng) 管 計(jì) 算 ， 則 v0 Q1 Q2 Q3q1 q2l1 d1 l2 d2 l3 d3hf1 hf2 hf 3 H11 232 121 323232222212121321 qQQ qQQ lKQlKQlKQhhhH fff 上 式 是 串 聯(lián) 管 道 的 基 本 公 式 ， 聯(lián) 立 以 上 三 式 ， 可解 算 Q、 d、 H 等

39、問 題 。 232 121 323232222212121321 qQQ qQQ lKQlKQlKQhhhH fffIR1 UIR2 IR3 v0 Q1 Q2 Q3q1 q2l1 d1 l2 d2 l3 d3hf1 hf2 hf 3 H11 在 長(zhǎng) 管 的 條 件 下 ， 各 段 的 測(cè) 壓 管 水 頭 線 與 總 水 頭線 重 合 ， 管 道 水 頭 線 呈 折 線 ， 因 為 各 管 段 流 速 不 同 ，水 頭 線 坡 度 也 各 不 相 同 。 v01 l1 d1 v1 l2 d2 v2 l3 d3 v3 v3H1 2 v222g1 v122g 3 v322g2） 按 短 管 計(jì) 算

40、v01 l1 d1 v1 l2 d2 v2 l3 d3 v3 v3H1 2 v222g1 v122g 3 v322g對(duì) 上 游 斷 面 和 出 口 斷 面 列 能 量 方 程 ， 則 2 22 2i0 ( )2 2 2 2i ifi j i i i v vv l vH h hg g g gd v01 l1 d1 v1 l2 d2 v2 l3 d3 v3 v3H1 2 v222g1 v122g 3 v322g2 22 2i0 ( )2 2 2 2i ifi j i ii v vv l vH h hg g g gd 運(yùn) 用 連 續(xù) 方 程 ， 將 第 i 段 斷 面 的 平 均 流 速 vi 換

41、成 出 口斷 面 平 均 流 速 v ， 并 取 動(dòng) 能 修 正 系 數(shù) 為 1， 則 2 22 2i0 ( )2 2 2 2i ifi j i ii v vv l vH h hg g g gd 2 22 2i0 02 2i ( ) ( ) 12 22 1( ) ( ) 1fi j i ii iiii ii iiv l vA AH h hg A A gdQ vA A gH Ql A AA Ad 式 中 ， 下 標(biāo) i 為 第 i 段 的 管 段 ， 其 他 符 號(hào) 同 前 。 在 短 管 的 情 況 下 ， 測(cè) 壓 管 水 頭 線 和 總 水 頭 線 不 重 合 ， 它 們 是 相 互 平 行

42、 的 折 線 。 v01 l1 d1 v1 l2 d2 v2 l 3 d3 v3 v3H1 2 v222g1 v122g 3 v322g 并 聯(lián) 管 道 ： 凡 兩 條 或 以 上 的 管 道 從 同 一 點(diǎn) 分 叉 ， 而 在 另 一 點(diǎn)匯 合 的 管 道特 點(diǎn) ： 一 般 按 長(zhǎng) 管 進(jìn) 行 水 力 計(jì) 算5.4.3 并 聯(lián) 管 道 I1R1 UI2R2I 2R1 I2R2U QhfQ HA BhfA hf1=hf2=hf3=hfl1 d1 K1 Q1l3 d3 K3 Q3l2 d2 K2 Q2 HBHA QhfQ HA BhfA hf1=hf2=hf3=hfl1 d1 K1 Q1l3 d

43、3 K3 Q3l2 d2 K2 Q2 HBHA設(shè) 各 管 徑 、 流 量 為 di、 Qi ， i =1， 3 ， 考 慮 能 量 方 程 ， 則 ffff hhhh 321 QhfQ HA BhfA hf1=hf2=hf3=hfl1 d1 K1 Q1l3 d3 K3 Q3l2 d2 K2 Q2 HBHA各 支 水 頭 損 失 ， 可 按 照 長(zhǎng) 管 計(jì) 算 ， 則 323231 222222 121211 lKQh lKQh lKQh fff QhfQ HA BhfA hf1=hf2=hf3=hfl1 d1 K1 Q1l3 d3 K3 Q3l2 d2 K2 Q2 HBHA 323231 22

44、2222 121211 lKQh lKQh lKQh fff 各 支 的 流 量 與 總 流 流 量 之 間 應(yīng) 滿 足 連 續(xù) 方 程 ， 即 ni iQQQQQ 1321 各 支 水 頭 損 失 ， 按 長(zhǎng) 管 計(jì) 算 ， 則 323231 222222 121211 lKQh lKQh lKQh fff各 支 的 流 量 與 總 流 流 量 之 間 應(yīng) 滿 足 連 續(xù) 方 程 ， 即 ni iQQQQQ 1321 設(shè) 各 管 徑 、 流 量 分 別 為 di、 Qi ， i =1， 3 。 考 慮 每 一 支 的 能 量 方 程 ， 則 ffff hhhh 321 2332211 2 3

45、32211 )( )( lKlKlK Qh hlKlKlKQf f hf 求 出 后 ， 再 求 出 各 支 管 的 流 量 若 總 流 的 流 量 及 各 并 聯(lián) 支 管 的 直 徑 、 長(zhǎng) 度 、 和 糙 率已 知 時(shí) ， 可 求 出 總 流 量 、 支 流 量 以 及 水 頭 損 失 ， 則 5.4.4 沿 程 均 勻 泄 流 管 路 前 面 討 論 的 管 道 ， 其 流 量 在 每 一 段 范 圍 內(nèi) 沿 程 不變 ， 流 量 集 中 在 管 道 末 端 泄 出 。 在 實(shí) 際 工 程 中 ， 可 能 遇 到 從 側(cè) 面 不 斷 連 續(xù) 泄 流 的管 道 。 例 如 ， 用 于 人

46、工 降 雨 的 管 道 ， 給 水 工 程 中 的配 水 管 等 。 一 般 說(shuō) ， 沿 程 泄 出 的 流 量 是 不 均 勻 的 ， 即 ， 流量 沿 程 變 化 ， 是 一 個(gè) 以 距 離 為 變 數(shù) 的 復(fù) 雜 函 數(shù) 。本 節(jié) 研 究 一 種 最 簡(jiǎn) 單 的 情 況 ： 沿 程 均 勻 泄 流 情 況 考 慮 距 起 點(diǎn) A為 x處 的 流 量 為 qxlQQ m )( 流 量 沿 管 道 不 斷 變 化 ， 水 流 是 變 流 量 且 非 均 勻 。 但在 微 小 流 段 內(nèi) dx ， 可 認(rèn) 為 流 量 不 變 ， 并 當(dāng) 作 均 勻 流 考 慮 A Bq l xdx dhf Q

47、Hx A Bq l xdx dhf QHx qxlQQ m )( )lqQqlQ(Klxq)xl(QKhH xq)xl(QKh lfABf 22220 22 22 3111 ddd 在 dx管 段 內(nèi) 的 沿 程 水 頭 損 失 為 上 式 可近 似寫 成 lKQqlQKlH rAB 2222 )55.0( 式 中 ， Qr 稱 為 折 算 流 量 。 )lqQqlQ(Klxq)xl(QKhH xq)xl(QKh lfABf 22220 22 22 3111 d dd lKQqlQKlH rAB 2222 )55.0( 式 中 ， Qr 稱 為 折 算 流 量 。 從 上 式 可 見 ， 引

48、入 折 算 流 量 ， 便 可 把 沿 程 均 勻泄 流 的 管 道 按 照 只 有 一 種 流 量 通 過(guò) 的 管 道 進(jìn) 行 計(jì) 算 。 當(dāng) 通 過(guò) 流 量 Q 0 時(shí) ， 沿 程 均 勻 泄 流 的 水 頭 損 失 為 lqlKhH fABAB 22131 )( 上 式 表 明 ， 當(dāng) 流 量 全 部 沿 程 均 勻 泄 出 時(shí) ， 其 水 頭損 失 只 等 于 全 部 流 量 集 中 在 末 端 泄 出 時(shí) 的 水 頭 損 失 的三 分 之 一 。 在 沿 程 均 勻 泄 流 的 情 況 下 ， 因 流 速 沿 程 變 化 ， 水力 坡 度 也 變 化 。 不 計(jì) 水 頭 損 失 ，

49、其 測(cè) 壓 管 水 頭 線 和 總水 頭 不 重 合 。 A Bq l xdx dhf QHx i 1 2 3 li (m) 300 200 100di (mm) 200 150 100例 題 有 一 由 水 塔 供 水 的 輸 水 管 道 ， 全 管 道 包 括 三 段 ，AB、 BC、 CD。 BC為 沿 程 均 勻 泄 流 管 道 ， 每 米 長(zhǎng) 連 續(xù) 分泄 的流 量 q = 1000cm3/s； 在 管 道 接 頭 B點(diǎn) 要 求 分 泄 流 量q1 = 15000cm3/s； CD段 末 端 的 流 量 Q3 = 10000 cm3/s；各 管 段 為 鑄 鐵 管 ， n 0.012

50、5， 各 段 管 徑 分 別 為 ： 試 求 需 要 的 水 頭 H ？ q1A B C D H Q3l3 d3ql2 d2l1 d1 Q1 q1A B C D H Q3l3 d3ql2 d2l1 d1 /scm2100020010055.01000055.0 /scm450001500020010010000 3232 31231 323232222212121321 qlQQQ qqlQQ lKQlKQlKQhhhH r fff解 ： 本 題 中 三 段 管 道 為 串 聯(lián) 管 道 ， 管 道 水 頭 損 失 為 ： /scm2100020010055.01000055.0 /scm450

51、001500020010010000 3232 31231 323232222212121321 qlQQQ qqlQQ lKQlKQlKQhhhH r fff由 n = 0.0125， 及 各 段 管 徑 di 計(jì) 算 Ki 為 m201210005370 01020015840 021030034110 0450 053701584034110 222222 323232222212121 321 . . lKQlKQlKQH .K;.K;.K 5.5.1水 擊 現(xiàn) 象水 擊 是 有 壓 管 道 中 的 非 恒 定 流 現(xiàn) 象 。 當(dāng) 有 壓 管 道 中的 閥 門 突 然 開 啟 、 關(guān)

52、閉 或 水 泵 因 故 突 然 停 止 工 作 ，使 水 流 流 速 急 劇 變 化 ， 引 起 管 內(nèi) 壓 強(qiáng) 發(fā) 生 大 幅 度 交替 升 降 。 這 種 變 化 以 一 定 的 速 度 向 上 游 或 下 游 傳 播 ，并 且 在 邊 界 上 發(fā) 生 反 射 ， 這 種 水 流 現(xiàn) 象 叫 作 水 擊 ，交 替 升 降 的 壓 強(qiáng) 稱 為 水 擊 壓 強(qiáng) 。 產(chǎn) 生 水 擊 現(xiàn) 象 的 原 因 是 由 于 液 體 存 在 慣 性和 可 壓 縮 性 。 水 擊 現(xiàn) 象 的 實(shí) 質(zhì) 上 是 由 于 管 道內(nèi) 水 體 流 速 的 改 變 ， 導(dǎo) 致 水 體 的 動(dòng) 量 發(fā) 生 急劇 改 變 而

53、 引 起 作 用 力 變 化 的 結(jié) 果 。 5.5 有 壓 管 路 中 的 水 擊 水 擊 具 有 破 壞 性 1.水 擊 的 物 理 過(guò) 程 水 擊 具 有 破 壞 性第 一 階 段00 v ppp 00水 擊 的 傳 播 速 度 為 a在 t=l/a時(shí) 到 達(dá) 管 道 口 第 二 階 段 00 v 00 ppp 在 t=2l/a時(shí) 到 達(dá) 閥 門第 三 階 段 0 0 v ppp 00在 t=3l/a時(shí) 到 達(dá) 管 道 口 第 四 階 段00 v 00 ppp 在 t=4l/a時(shí) 到 達(dá) 閥 門 水 擊 具 有 破 壞 性 循 環(huán) 、 衰 減水 擊 具 有 破 壞 性水 擊 波 的 傳

54、播 過(guò) 程 5.5.2水 擊 壓 強(qiáng) 的 計(jì) 算1.水 擊 的 分 類t=2l/c相 長(zhǎng) Ts閥 門 關(guān) 閉 時(shí) 間閥 門 處 vvcp 0Edcc 1 0c 0水 中 聲 音 傳 播 速 度 （ 1435m/s）水 的 彈 性 系 數(shù) （ 2 109Pa）E管 材 彈 性 系 數(shù) （ 鋼 ： 206 106kPa）管 材 壁 厚 水 擊 具 有 破 壞 性 根 據(jù) 閘 門 關(guān) 閉 （ 或 開 啟 ） 的 時(shí) 間 Ts與 相 長(zhǎng) T的比 值 ， 我 們 把 水 擊 分 為 兩 類 ： （ 1） 直 接 水 擊 ： 閘 門 關(guān) 閉 （ 或 開 啟 ） 的 時(shí)間 Ts T（ 相 長(zhǎng) ） 。 （ 2

55、） 間 接 水 擊 ： 指 閘 門 關(guān) 閉 （ 或 開 啟 ） 的時(shí) 間 Ts T（ 相 長(zhǎng) ） 。 水 擊 具 有 破 壞 性 由 于 直 接 水 擊 壓 強(qiáng) 遠(yuǎn) 大 于 間 接 水 擊 壓 強(qiáng) ，破 壞 性 較 強(qiáng) ， 在 實(shí) 際 工 程 中 應(yīng) 盡 可 能 采 取措 施 ， 避 免 產(chǎn) 生 直 接 水 擊 破 壞 。2.直 接 水 擊 壓 強(qiáng) 的 計(jì) 算用 水 柱 表 示 水 擊 具 有 破 壞 性 式 中 ： 是 水 擊 波 速 ， 是 管 內(nèi) 原 來(lái) 流速 ， 是 閥 門 啟 閉 后 的 流 速 。3.防 止 產(chǎn) 生 直 接 水 擊 破 壞 的 措 施（ 1） 縮 短 壓 力 管 道

56、 的 長(zhǎng) 度 ；（ 2） 延 長(zhǎng) 閥 門 關(guān) 閉 的 時(shí) 間 Ts；（ 3） 減 小 壓 力 管 道 中 的 水 流 流 速 ；（ 4） 安 裝 水 擊 消 除 閥 ；（ 5） 設(shè) 置 調(diào) 壓 室 。 水 擊 具 有 破 壞 性 例 題 ： 有 一 水 電 站 引 水 鋼 管 ， 管 長(zhǎng) l = 2000 m，管 徑 D = 500 mm， 管 壁 厚 度 = 10 mm， 水 的彈 性 系 數(shù) 為 K = 19.6 10 8 N /m2， 鋼 管 的 彈性 系 數(shù) 為 E = 19.6 1010 N/m2 。 試 求 ： 在 3秒內(nèi) 閥 門 全 部 關(guān) 閉 時(shí) 的 水 擊 壓 強(qiáng) 。解 ： 水 擊 波 的 波 速 為 8101435 1435 117219.6 10 5001 1 19.6 10 10c m sk DE 相 長(zhǎng) 為 2 2 2000 3.411172LT sc Ts= 2 s T= 3.41s 水 擊 為 直 接 水 擊 0 1172 3 358.89.8cH V mg 水 擊 壓 強(qiáng) 為 水 擊 具 有 破 壞 性