有壓管流與孔口管嘴出流ppt課件
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第5章有壓管流與孔口、管嘴出流,基本概念：1、壓力管路：在一定壓差下，液流充滿全管的流動管路。管路中的壓強可以大于大氣壓，eg：泵的壓水管也可以小于大氣壓，eg：泵的吸水管,1,2、簡單管路：是指管徑、流速、流量沿程不變，且無分支的單線管道。d=C復雜管路：是指由兩根以上管道所組成的管路系統(tǒng)。3、長管：局部損失與速度水頭的總和與沿程損失相比很小，以至于可以忽略不計的管道。(局部水頭損失和流速水頭所占比重小于5%-10%)短管：局部損失與速度水頭的總和超過沿程損失或與沿程損失相差不大，計算水頭損失時不能忽略的管道。,2,4、管路的特性曲線：定義：水頭損失與流量的關系曲線。S——管道摩阻。,,,,l,3,5.1.1短管的水力計算沿程損失、局部損失分別計算，不可忽略5.1.2長管的水力計算如圖，由水池接出一根管路，建立如圖所示基準面，取1－1、2－2斷面建立伯努利方程：對于長管，則有：H＝hf，hf由蔡西公式確定：式中：K為流量模數(shù)或特性流量—水力坡度等于1時的流量。,5.1簡單管路的水力計算,4,例5.1：水泵管路如圖，鑄鐵管直徑d=150mm，管長l=180m，管路上裝有吸水網（無底閥）一個，全開截止閥一個，管半徑與曲率半徑之比為r/R=0.5的彎頭三個，高程h=100m，流量Q=225m3/h，水溫為20℃。試求水泵的輸出功率。,5,c值可按巴甫洛夫斯基公式計算：式中：R—水力半徑（米）。適用范圍0.1≤R≤3n—粗糙系數(shù)，視材料而定。y—與n及R有關的指數(shù)。對于一般輸水管道，常取y＝1/6。曼寧公式：K可根據d、n查表選取。,蔡西系數(shù),或,,6,1）已知流量Q、管長l、管壁粗糙系數(shù)n、能量損失hf（或作用水頭H）時，可通過特性流量K求出管道直徑d。（d需規(guī)格化）2)已知流量Q、管長l和管徑d時，可求出能量損失。3）已知管長l、管徑d和能量損失，可求出流量Q。問題：圖示兩根完全相同的長管道，只是安裝高度不同，兩管道的流量關系為：A.Q1Q2；C.Q1=Q2；D.不定。,公式,可用以解決下列三類問題：,C,7,例5.2已知流量Q＝250升/秒，管路長l＝2500米，作用水頭H＝30米。如用新的鑄鐵管，求此管徑是多少？解：由H＝hf，，得取n＝0.0111，查表5.2，當K＝2283升／秒時：管徑在350mm（K＝1727）和400mm（K＝2464）之間采用350mm管：，流量不足采用400mm管：，流量滿足，水頭有富余，管材消耗多。理想方案：350mm和400mm各用一部分（串聯(lián)）。,,,8,5.2.1串聯(lián)管路由直徑不同的數(shù)段管子串聯(lián)在一起組成的管路。流量：各段不一定相同，但每一段范圍內不變。（可在每段末端分出）——每一段都是簡單管路整個管路總水頭損失：按長管計算若無分出流量，各段流量相同，則：,5.2管網的水力計算基礎,9,5.2.2并聯(lián)管路兩條或兩條以上的簡單管道在同一點分出，又在另一點匯合的管路。如圖，管段1、2、3為節(jié)點A、B間的并聯(lián)管路，其在A、B間的水頭損失相同。即：hfAB=hf1=hf2=hf3流量關系：Q=Q1+Q2+Q3,注意：A、B間1、2、3管段的比能損失相等，各管段的總機械能損失不一定相等（流量不同）。,10,例5.4：如圖各并聯(lián)管段的直徑和長度分別為d1=150mm，l1=500m，d2=150mm，l2=350m，d3=200mm，l3=1000m。管路總的流量Q=80L/s，所有管段均為正常管。試求并聯(lián)管路各管段的流量是多少？并聯(lián)管路的水頭損失是多少？解：正常管K1=K2=158.4L/s，K3=341.0L/s根據并聯(lián)管路水頭損失hf1=hf2=hf3得：,,,11,并聯(lián)管路流量關系：Q=Q1+Q2+Q3=（1+1.195+1.522）Q1=3.717Q1=80∴Q1=21.52L/sQ2=25.72L/sQ3=32.76L/s并聯(lián)水頭損失：,,12,【例】如圖所示的具有并聯(lián)、串連管路的虹吸管，已知H＝40m，l1＝200m，l2＝100m，l3＝500m，d1＝0.2m，d2＝0.1m，d3＝0.25m，各管段均為正常管。求總流量Q?！窘狻抗?和管2并聯(lián)，此并聯(lián)管路又與管3串連，因此：H＝hf2+hf3，查表得：K1＝341.0L/s，K2＝53.72L/s，K3＝618.5L/s，總流量Q＝Q1＋Q2，故Q2＝0.1822Q即40＝0.002457Q，Q＝127.6升/秒,13,5.2.3連續(xù)均勻出流管路,連續(xù)出流管路：沿管長連續(xù)向外泄出流量Qp的管路。通過流量QT：某管段內通過的固定不變的流量。途泄流量Qp：沿管長連續(xù)向外泄出的流量。連續(xù)均勻出流管路：沿管段任一單位長度上連續(xù)分配的流量都一樣。對連續(xù)均勻出流管路：近似式,,比流量,14,實際計算時，引入計算流量：當QT＝0時：,結論：連續(xù)均勻出流管路的能量損失，僅為同一通過流量所損失能量的1/3。,15,,,16,類型,5.2.4管網的類型及水力計算,,枝（樹）狀管網,環(huán)狀管網,經濟流速：d=100~400mm：ve=0.6~0.9m/sd=400~1000mm：ve=0.9~1.4m/s,17,例：枝狀管網從水塔B沿B-1干線輸送用水，已知每段的流量及管路長度，B處地形標高為28m，供水點末端點4和7處標高為14m，保留水頭均為16m，管道用普通鋼管。求每段直徑、水塔高度。,1、枝狀網水力計算,18,25,45,80,13.5,25,40,120,,,,19,計算原則：（1）各節(jié)點流入流量等于流出流量。（流入為正，流出為負）（2）任一閉合環(huán)水頭損失之和為零。（順時針為正，逆時針為負）,2、環(huán)狀網水力計算,20,例題：環(huán)狀網計算。按最高時用水量Qh=219.8L/s，計算如下圖所示管網。,21,,,22,5.3孔口出流,孔口分類：大孔口H/d＜10小孔口H/d≥105.3.1薄壁小孔口定常出流薄壁：出孔水流與孔壁僅在周線上接觸，即孔壁厚度對出孔水流沒有影響。1、小孔口的自由出流,液體經容器壁上孔口流出的水力現(xiàn)象。,23,列0-0和c-c的伯努利方程：整理后得：,,,,,令：流速系數(shù)作用水頭忽略v0，則H0=H∴,,,24,小孔口自由出流流量：——薄壁小孔口自由出流的基本公式系數(shù)說明：μ：流量系數(shù)，μ=εμ=0.58~0.62ε：孔口的收縮系數(shù)0.60~0.64：流速系數(shù)，0.97~0.98ζ0：孔口局部阻力系數(shù),,,25,2、淹沒出流,孔口出流淹沒在下游水面之下。由伯努利方程：,,,整理后得：,,得：,,,孔口淹沒出流的流速和流量均與孔口的淹沒深度無關，也無“大”、“小”孔口的區(qū)別。,,淹沒孔口局部阻力系數(shù),26,5.4管嘴出流,在孔口接一段長l=（3~4）d的短管，液流經過短管并充滿出口斷面流出的水力現(xiàn)象。根據實際需要管嘴可設計成：1）圓柱形：內管嘴和外管嘴2）非圓柱形：擴張管嘴和收縮管嘴。1、圓柱形外管嘴定常出流管嘴面積為A，管軸為基準面，列0-0，b-b伯努利方程,,27,則：所以：若不考慮v0影響：μ=0.82結論：管嘴可增大出流量，管嘴出流量為孔口的1.32倍。,,,,,28,2．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。對圓柱形外管嘴：α=1，ζ=0.06，ε=0.64，=0.82,,,,29,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，如長江中下游地區(qū)，當真空度達7米水柱以上時，由于液體的壓強低于飽和蒸汽壓時會發(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)管嘴長度l=(3～4)d。,30,第五章小結,1、長管：局部損失與速度水頭的總和與沿程損失相比很小，以至于可以忽略不計。2、從水池引出長管，出口與水池液面高差為H，則有：H＝hf。3、串聯(lián)管路：由直徑不同的數(shù)段管子串聯(lián)在一起組成的管路。整個管路比能損失=各段管路比能損失之和4、并聯(lián)管路：兩條或兩條以上的管線在同一處分出，又在另一處匯合。各并聯(lián)管段的比能損失相等。,31,5、孔口出流：孔口淹沒出流的流速和流量均與孔口的淹沒深度無關，也無“大”、“小”孔口的區(qū)別。6、管嘴出流：管嘴可增大出流量，管嘴出流量為孔口的1.32倍。,32,,,33,5.2：水從高位水池流向低位水池，已知水面高差為H=12m，管長l=300m，水管直徑為100mm的清潔鋼管。求水管中流量為多少？當流量為Q=150m3/h時，水管的直徑應該多大？,34,5.4：如圖，設輸水管路的總作用水頭H=12m，管路上各管段的管徑和管長分別為：d1=250mm，l1=1000m，d2=200mm，l2=650m，d3=150mm，l3=750m。管子為清潔管，局部損失忽略不計。試求各管段中的損失水頭，并作出測壓管水頭線。解：K1=703.5L/s,K2=388.0L/s,K3=180.2L/s,,,35,由題意：所以：各管段水頭損失分別為：,,,,36,5.6：水由水塔A流出至B點后有三支管路，至C點又合三為一，最后流入水池D，各管段尺寸分別為d1=300mm，l1=500m，d2=250mm，l2=300m，d3=400mm，l3=800m，dAB=500mm，lAB=800m，dCD=500mm，lCD=400m。管子為正常情況，流量在B點為250L/s，試求全段管路的損失水頭。,37,5.10：如圖，兩水池的水位H=24m，l1=l2=l3=l4=100m，d1=d2=d4=100mm，d3=200mm，沿程阻力系數(shù)λ1=λ2=λ4=0.025，λ3=0.02，除閥門外，其他局部阻力忽略。（1）閥門局部阻力系數(shù)ζ=30，試求管路中的流量；（2）如果閥門關閉，求管路流量。,38,,明渠,39,第六章明渠均勻流與堰流,6.1明渠流的概念1、明渠（channel）：人工渠道、天然河道以及不滿流管道的統(tǒng)稱。2、明渠流（channelflow）：具有露在大氣中的自由液面的槽內液體的流動，或稱無壓流（freeflow）。3、明渠流動的特點：①具有自由液面，p0=0，為無壓流（滿管流為壓力流）②濕周是過流斷面固體壁面與液體接觸部分的周長，不等于過流斷面的周長；,40,4、明渠斷面常見形狀：5、明渠定常流：明渠中水力要素不隨時間變化。6、明渠定常均勻流：渠槽斷面形式不變，液流在固定水深下運動的明渠定常流。,③重力是流體流動的動力，為重力流（管流則是壓力流）④渠道的坡度影響水流的流速、水深。坡度增大，則流速增大，水深減小；⑤邊界突然變化時，影響范圍大。,41,對明渠定常均勻流：A、各斷面平均流速相等B、水力坡度i、水面坡度ip（壓力坡度）、渠底坡度ib相等，即i=ip=ib即：總比能線、比壓線、渠底坡面線是三條平行的直線。,42,7、明渠定常均勻流的發(fā)生條件：①流量Q＝常數(shù)；②過流斷面A、水深h、平均流速v沿程不變；③渠底坡度固定不變，且ib=ip=i；④渠槽粗糙系數(shù)n＝常數(shù)；⑤沒有局部摩阻。想一想：明渠流與滿管流最大的區(qū)別在于前者是，而后者是。,無壓流,有壓流,43,6.2明渠定常均勻流的水力計算,6.2.1基本計算公式明渠流受力：重力、槽壁摩擦力明渠定常均勻流：平均流速蔡西公式流量：式中：K—渠槽的流量模數(shù)，,蔡西系數(shù)c：單位m0.5/s,44,6.2.2計算平均流速的經驗公式蔡西系數(shù)c：常用計算公式：1、崗古立公式：適用于渠底坡度較小的明渠。n：粗糙系數(shù)。2、曼寧公式：說明：v與R、n、i的關系：R越大—v越大：A一定時，R大則濕周小，摩擦阻力小；n越大—v越小：n大，摩擦阻力大；i越大—v越大：i大，重力沿流向分量大，v大。適用于n＜0.02及R＜0.5米渠底坡度較陡的明渠。,,,,45,3、巴生公式：ε——粗糙度系數(shù)。4、巴甫洛夫斯基公式：適用于0.1m≤R≤3m的明渠?？刹楸怼?,,例：一矩形光滑木質明渠，底寬b=0.4m，渠底坡度ib=0.005，水深h=0.2m。如液流為定常均勻流，試分別用各經驗公式求其流量。,46,6.2.3流速分布規(guī)律流動狀態(tài)：層流、紊流。判別標準Recr=300雷諾數(shù)6.2.3.1層流的速度分布式中：h—水深；y—離渠底的距離。拋物線分布規(guī)律液流表面流速最大：積分得：斷面平均流速：,,,,47,6.2.3.2紊流的速度分布垂線上速度分布與圓管紊流速度分布的一半基本一致——符合對數(shù)規(guī)律。,液面處流速最大，液面下0.6h處的流速等于斷面垂線的平均速度。,48,6.3明渠的水力最佳斷面,6.3.1水力最佳斷面尺寸的確定1、水力最佳斷面（thebesthydraulicsection）：當渠道底坡、粗糙系數(shù)及面積大小一定時，能夠獲得最大流速或通過最大流量時的斷面形式?；蛘撸寒斄髁恳欢ǎ枳钚〉倪^流斷面。,（曼寧公式：),49,說明：1）具有水力最佳斷面的明渠均勻流，當i，n，A給定時，水力半徑R最大，即濕周χ最小的斷面能通過最大的流量。2）i，n，A給定時，濕周χ最小的斷面是圓形斷面，即明渠水力最佳斷面——半圓。實際工程中：多用梯形、矩形,50,2、梯形過流斷面渠道的水力最佳斷面：,渠底寬－b，水深－h(huán)，邊坡系數(shù)－m∴A＝（b+mh）h,即,對最佳斷面：濕周最小時，,可得：,（相對寬度）,,,,,,mh,（1）底寬和渠深的關系,51,（2）確定梯形最佳水力斷面的邊坡系數(shù)m,結論：明渠最佳水力斷面水力半徑等于水深的一半。（梯形、半圓、矩形都適用）,結論：斜邊與水平面夾角60時梯形水力斷面最佳。（3）l與b的關系：梯形最佳水力斷面：l＝b結論：梯形水力最佳斷面——正六邊形的一半,,得：,∴,,,,（4）水力半徑R,52,6.3.2水力計算的基本類型,通常，已知邊坡系數(shù)m、粗糙系數(shù)n1、求過流能力Q：已知ib、b、h，求Qb、h→A、χ→R→2、求渠底坡度ib：已知Q、b、h，求ibb、h→A、χ→R→，ib＝i＝Q2／c2A2R,53,3、確定斷面尺寸b、h：已知Q、ib，求b、h。①先給定一個h，用不同的b試算Q；②先給定一個b，用不同的h試算Q；③對水力最佳斷面，已知m，用不同的h試算Q（或K，）；或利用曼寧公式，，直接解出h。問題：水力最佳斷面是：A、造價最低的渠道斷面；B、壁面粗糙系數(shù)最小的斷面；C、對一定流量具有最大斷面面積的斷面；D、對一定的面積具有最小濕周的斷面。,D,54,例6.2已知明渠過流量Q＝0.2m3/s，渠底坡度ib=0.005，邊坡系數(shù)m＝1.0，粗糙系數(shù)n＝0.012，斷面為梯形，確定水力最佳斷面尺寸b和h。解：（1）假定不同的h，試算Q：R＝h/2查表6.6：m＝1.0時，α＝1.83，β＝0.83，即A＝1.83h2，b＝0.83hh＝0.2m：R＝0.1m，A＝0.0732m2，c＝56.77，Q＝0.093m3/sh＝0.3m：R＝0.15m，A＝0.165m2，c＝60.74，Q＝0.274m3/s,55,h＝0.27m：R＝0.135m，A＝0.133m2，c=59.69，Q＝0.206m3/s∴h＝0.27m時，流量基本符合要求。此時，b＝0.83h≈0.22m（2）利用曼寧公式計算，A＝1.83h2，R＝h/2，i＝0.005，n＝0.012∴Q＝6.793h8/3，0.2＝6.793h8/3，得h≈0.27m，b＝0.83h≈0.22m,56,6.1：一刨光矩形木質明渠，底寬b=0.5m，渠底坡度ib=0.0005，水深為h=0.2m，求過流能力Q及斷面平均流速v。6.4：梯形斷面明渠，已知Q=0.2m3/s，i=0.0001，m=1.0，n=0.02，求水力最佳斷面尺寸。6.5：矩形混凝土明渠，已知Q=0.1m3/s，i=0.0001，設計水力最佳斷面。,57,,,58,,,59,,,60,6、4堰流,6.4.1堰流的基本概念1、堰流：水流經堰頂下溢的水力現(xiàn)象。水面呈連續(xù)降落曲線。2、分類：薄壁堰＜0.67實用堰0.67＜＜2.5寬頂堰2.5＜＜10,61,,B：堰槽寬度，mb：堰口寬度，m,62,,,63,6.4.2矩形薄壁堰自由出流考察堰流的出流能力，H與Q的關系。如圖，列堰前1-1斷面與堰上過流斷面2-2的能量方程,,則：,所以：,,積分得流量：,,,忽略,64,忽略令所以：μ—流量系數(shù)令：2/3μ=m——矩形堰流量系數(shù)得：若不考慮行進速度v0，則,,,,,,——堰流基本公式,65,二級泵房,66,二級泵房,67,污水泵房,68,鼓風機房,69,鼓風機房,70,泵——用來輸送液體的葉輪機械。即把機械能轉換為液體能的葉輪機械。,,,,第十章流體機械：泵與風機,泵,葉輪式,離心式軸流式混流式旋流式,容積式,往復式：回轉式：,活塞泵；柱塞泵；隔膜泵,齒輪泵；螺桿泵；滑片泵；羅茨泵；,其他類型：,噴射泵；震動泵；水錘泵；真空泵,71,軸流泵,72,射流泵,73,真空泵,蠕動泵,74,10.1.1離心式泵的構造與工作原理1、組成2、工作原理：靠葉輪的高速旋轉，由葉片撥動液體旋轉，使液體產生離心力，離心力使液體產生動能和壓能，實現(xiàn)機械能向液壓能（液力能）的轉化。葉輪間預先充滿液體——葉輪旋轉，傳遞能量給液體——液體排出，同時吸入液體。,10.1離心式泵,75,3、多級泵：幾個葉輪按一定距離裝在同一根軸上多級泵可提高液體的能量，將液體送到更高更遠處。10.1.2泵的揚程單位重量液體在泵中實際獲得的能量。泵的可提供揚程：H=e2-e1e1：單位重量液體在泵入口處的能量e2：單位重量液體在泵出口處的能量,76,單位重量液體在進、出口處的能量分別為：,,,兩斷面的壓強：,,則總揚程為：,,77,整理后：忽略兩壓力表的高差，且當進出口管面積相等或相差不多時，得：泵的總揚程：泵進口處的真空表讀數(shù)與出口處壓力表讀數(shù)之和除以液體重度。,,,78,例：某工廠的水泵站，有一臺水泵的吸入管直徑d1=250mm，壓出管直徑d2=200mm，水泵出口的壓力表與入口處真空表的位置高差為0.3m。水泵正常運轉時，真空表的讀數(shù)pv=39200Pa，壓力表的讀數(shù)pM=833000Pa，測得流量Q=60L/s。求水泵的揚程H。,79,列0-0和1-1斷面的伯努利方程：列2-2和d-d斷面的伯努利方程：所以H又可表示為：,,,,,,,幾何揚程HG,,損失揚程Hl,,忽略,揚程的分配,80,即：若排液池與吸液池都與大氣相通，則pd＝p0＝pa則：H＝hs+hd+hls+hld＝HG+Hl,,81,例：由離心泵經管路向水塔供水，其裝置情況如下：吸水管：管直徑d1=250mm，管長l1=20m；每米長度的沿程損失i1=0.02mH2O；裝有一個帶底閥的濾水網（ξv=4.45），90彎頭（ξb=0.291）兩個。壓水管：管直徑d2=200mm，管長l2=200m；每米長度的沿程損失i2=0.03mH2O；裝有全開的閘閥（ξg=0.05）一個，90彎頭（ξb=0.291）三個。管路出口的局部阻力系數(shù)ξex=1。泵的吸入幾何高度hs=4m，壓出幾何高度hd=30m，輸水量Q=60L/s，吸水池與水塔的液面均為大氣。確定此水泵應具備的揚程H。,82,10.1.3葉輪,葉輪是葉輪動力式機械的主要部件?？煞譃橐韵氯N：,開式,半開式,封閉式,83,10.1.4泵中的能量損失,泵中的能量損失分為三類：水力損失、容積損失和機械損失。1、水力損失hh：,,摩擦損失與擴散損失：與Q的平方成正比,撞擊與脫流損失：與流量變化（Q-Qs）的平方成正比,實際揚程與理論揚程之比為水力效率，ηh,,H：實際揚程，m；Ht：理論揚程，m；hh：水力損失，m,84,2、容積損失：漏失流體而造成的損失。實際流量與理論流量之比為泵的容積效率，ηV3、機械損失：流體作用在葉輪輪盤上的摩擦，軸承內和填料箱封閉內的摩擦等造成的能量損失。機械效率ηMN：泵葉輪軸上功率；NM：消耗于機械摩擦的功率4、總效率總功率：,,,,,,85,10.1：用泵輸送重度γ=11760N/m3的鹽水，流量為Q=9000L/min。泵的出口直徑為250mm，入口直徑為300mm。出口與入口在同一水平面上，在入口處的真空度為150mmHg。泵出口處裝有壓力表，其中心高于泵的出口中心1.2m，讀數(shù)為1.4大氣壓。泵的效率為0.84，電動機輸出的功率是多少kW？,86,10.1.5泵的吸上揚程與氣蝕現(xiàn)象,吸上揚程：泵的安裝位置到吸液池液面的垂直距離hs。如圖，列出吸液池液面0-0與1－1斷面的伯努利方程：,,p0=pa，v0≈0，則：,式中：p1為泵入口處液體的絕對壓強；pa-p1為泵入口的真空度。,,87,若輸送液體為水（pa/γ＝10.332），且體積流量一定（v1、hls為定值），則吸上揚程hs將隨著p1的減少而增大，但不會超過10.332米。當p1
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