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1、Engineering Fluid Mechanics,工程流体力学,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,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,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
2、分析和确认,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,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。,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,对0-0，c-c 列能量方程,其中,设,则,流
3、速系数,流量系数,其中,1.薄壁小孔口自由出流,其中,则,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,大孔口出流的流量系数，可查表,大孔口形心的水头,3.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。,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,4. 孔口非恒定出流,
4、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)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,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,？,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。,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
5、真空度可达作用水头的75,以 代入,则,得,所以,得,又,三、管嘴真空度,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) d,H09m,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项。,短管：,长管：,hf 与 hj 均较大，不能忽略不计（hj5hf）,hf 很大
6、，不能忽略，而hj可忽略不计（ hj 5hf）,=,H,0,=,0,=,=,管系流量系数,作用水头 H,一、短管的水力计算,自由出流,v,O,O,1,1,2,2,3,3,H,h,=,H+h,0,=,=,=,h,作用水头 H,淹没出流,=,H+h,0,=,=,=,用3-3断面作下游断面,0,h,=,出口水头损失按突扩计算,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，局部损失中不包含2-2断面出口损失。,z,z2,1,1,2,2,3,3,l2,l1,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
7、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,z,z2,1,1,2,2,3,3,l2,l1,【解】,水泵允许安装高度,z,z2,1,1,2,2,3,3,l2,l1,水泵扬程 = 提水高度 + 全部水头损失,2 有压泄水道的水力计算,泄流量Q，画出水头线,圆形隧洞,求,已知,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,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,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
8、。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,v12,2g,v22,2g,管道突然缩小,总水头线,测压管水头线,v12,2g,v22,2g,管道突然放大,总水头线,测压管水头线,作用水头全部用于支付沿程损失,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,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,【例】已知简单管路的l =2500m，H =30m，Q =250l/s， n =0.011。求管径d。,【解
9、】,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,串联管路,并联管路,二、复杂管路,【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,沿程均匀泄流管路,管路中任一点处流量,则,取比阻S为常量，上式积分得,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,管网,管线短，管径相对大，投资小，但可靠性差,管线长，管
10、径相对小，投资大，但可靠性好,分叉管路,各支管按串联算，支管之间按并联算。,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,【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。,【解】,对1，2列伯努利方程,Hs,z
11、s,d1,d2,l1,l2,水泵,阀门,逆止阀,底阀,对1，3列伯努利方程,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,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
12、，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：,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,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。,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
13、的。,本章作业,习题 5.2， 习题 5.4， 习题 5.10， 习题 5.16,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、,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。,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，入口局部阻力系数c=1.0，各弯头局部阻力系数0.2，管顶允许真空度7m，求通过流量及最大允许超高hs。,最大允许超高：,5.16 如图已知水泵的功率N=25kW，流量Q=60L/s，水泵的效率p=75%,L1=8m,L2=50m,d1=250mm,d2=200mm, =0.025,底阀=4.4，一个弯头=0.2，阀门=0.5，逆止阀=5.5，水泵的允许真空度hv=6m,求： 1、水泵的安装高度zs; 2、水泵的提水高度Hg.,解：,以水池水面为基准面00，先对00与水泵进口前11列能量方程：,仍以水池水面为基准面00，对00与水塔水面22列能量方程：,