第5章 孔口、管嘴出流和有压管路.ppt
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1、水力学,第5章 孔口、管嘴出流和有压管路,主讲:马金花,5.1 孔口出流 5.2 管嘴出流 5.3 短管的水力计算 5.4 长管的水力计算 5.5 有压管路中的水击,【教学基本要求】,【学习重点】,回到总目录,教学基本要求,1、了解有压管流的基本特点,掌握管流分为长管流动和短管流动的条件。 2、掌握简单管道的水力计算和测压管水头线、总水头线的绘制,并能确定管道内的压强分布。 3、了解复杂管道的特点和计算方法。 4、了解有压管道中的水击现象和水击传播过程。,返回!,学习重点,1、掌握长管、短管以及有压流的计算及其应用,了解管道的串、并联; 2、理解有压管道的水击现象和水击传播过程。,返回!,以上
2、各章中讨论了液体运动的基本规律,导出了水力学的基本方程连续方程、能量方程及动量方程,并阐述了水头损失的计算方法,应用这些基本原理即可研究解决工程中常见的水力计算问题,如有压管道中的恒定流、明渠恒定流及水工建筑物的水力计算等。本章讨论的重点是有压管中恒定流的水力计算。即短管(水泵装置、虹吸管、倒虹吸管)、长管的水力计算和测压管水头线和总水头线的绘制。,返回!,有压管道:管道周界上的各点均受到液体压强的作用。有压管中的恒定流:有压管中液体的运动要素不随时间而变。 1.简单管道和复杂管道 根据管道的组成情况我们把它分为简单管道和复杂管道。简单管道是指直径和流量沿流程不变的管道;复杂管道是指由两根以上
3、管道组成的管道系统。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。,基本知识点,2.短管和长管 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)10%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。,5.1 孔口出流,液体经容器壁上孔口流出的水力现象。 孔口分类: 大孔口 H
4、/d10 小孔口 H/d10 流动分类:恒定和非恒定出流 出流分类:自由出流和淹没出流 收缩分类:完善收缩和不完善收缩,1、薄壁小孔口恒定出流 薄壁:出孔水流与孔壁仅在周线上接 触,即孔壁厚度对出孔水股没有影响。 小孔口:H/d10 1)小孔口的自由出流 pc=pa=0 薄壁小孔口自由出流的基本公式,薄壁小孔口出流的各项系数,流速系数 实验测得孔口流速系数 = 0.970.98。 孔口的局部阻力系数 0 , 孔口的收缩系数 孔口的流量系数 ,= 。 对薄壁小孔口= 0.600.62。,2)淹没出流,当出孔水流淹没在下游水面之下。 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”、
5、“小”孔口的区别。,3)小孔口的收缩系数及流量系数,实验证明,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,薄壁孔口的收 缩系数最小,圆边孔口收缩系数 较大,甚至等于1。孔口在壁面上 的位置,对收缩系数有直接影响 ,不完善收缩孔口的流量系数c大于完善收缩的流量系数。,2、孔口非恒定出流,如容器水面随时间变化,孔口的流量 也会随时间变化,称为变水头出流或 非恒定流。,当容器为柱体,=常数,则有: 当H1=H,H2=0,即得容器“泄空”(水面降至孔口处)所需时间 变水头出流时容器“泄空”所需要的时间,等于在起始水头H作用下恒定出流流出同体积水所需时间的二倍。,5.2 管嘴
6、出流,在孔口接一段长l=(34)d的短管,液流经过短管并充满出口断面流出的水力现象。 根据实际需要管嘴可设计成: 1)圆柱形:内管嘴和外管嘴 2)非圆柱形:扩张管嘴和 收缩管嘴。,1、圆柱形外管嘴恒定出流,管嘴的流量系数,管嘴阻力系数 n= 0.5 管嘴流速系数 管嘴流量系数,因出口无收缩n=n= 0.82 显然n= 1.32。可见在相同条件,管嘴的过流能力是孔口的1.32倍。,2圆柱形外管嘴的真空,孔口外面加管嘴后,增加了阻力,但是流量反而增加,这是由于收缩断面处真空的作用。 对圆柱形外管嘴: =1, =0.64, =0.82,圆柱形外管嘴的正常工作条件,收缩断面的真空是有限制的,如长江中下
7、游地区,当真空度达7米水柱以上时,由于液体的压强低于饱和蒸汽压时会发生汽化 。 圆柱形外管嘴的正常工作条件是: (1)作用水头H09米; (2)管嘴长度l=(34)d。,3)其他形式管嘴,工程上为了增加孔口的泄水能力或为了增加(减少)出口的速度,常采用不同的管咀形式 (1)圆锥形扩张管嘴 (=57 ) (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 ),孔口、管嘴的水力特性,5.3 简单短管中的恒定有压流,简单管道的水力计算可分为自由出流和淹没出流两种情况。,1.自由出流,管道出口水流流入大气,水股四周都受大气压强的作用,称为自由出流管道。,返回!,图5-1,图5
8、1中,列断面11、22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。,管道自由出流的流量系数,2.淹没出流,管道出口淹没在水下,称淹没出流。,图5-2,在图5-2中,列断面与的能量方程:,若不计上游流速水头,则,说明:简单管道在淹没出流的情况下,其作用水头完全被消耗于克服管道的沿程阻力和局部阻力所作负功而产生的水头损失上。,管中流速:,通过管道的流量:,管道淹没出流的流量系数,请特别注意: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。我们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相差一项“1”,但是计算淹没出流的流量系数c时,局
9、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”,在计算中不要遗忘。,5.3.2 压强沿程变化和水头线的绘制,用以下例子说明总水头线和测压管水头线的绘制。,步骤1:先定出不计能量损失的总水头,步骤2:定出管道末端的总水头,步骤3:寻求最后一个局部损失处(4)下游,步骤4:计算45段的能量损失hf 45,步骤7:逐次向上游推进,便可得到总水头线,hf 45,步骤8:从总水头线向下扣除一个相应管道的 流速水头,便可得到测压管水头线,hf 45,注意:局部水头损失处:水头线发生突变,注意:测压管水头线和总水头线相差一个流速水头,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
10、。在虹吸管内造成真空,使水流则能通过虹吸管最高处引向其他处。,5.3.3 计算实例,(1)虹吸管的水力计算,虹吸管的优点在于能跨越高地,减少挖方。 虹吸管 长度一般不长,故按照短管计算。,虹吸管顶部的真空的理论值不能大于最大真空值 (10mH2O)。 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,破坏水流连续性,可能产生空蚀破坏, 故一般虹吸管中的真空值78mH2O。,例 有一渠道用两根直径为1.0m的混凝土虹吸管来跨 越山丘, 渠道上游水位为1100.0m,下游水位为2 99.0m,虹吸管长度l1 = 8m l2= 15m;l3 = 15m,中间 有60的折弯两个,每个弯头的局部
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