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1、孔口、管嘴出流和有压管路,孔口出流 管嘴出流 短管的水力计算 长管的水力计算 有压管道中的水击,基本介绍： 前面几章主要阐述了流体运动的基本概念和基本规律。从本章起，将应用前面各章所阐述的基本概念和基本方程，对给水排水、道路、桥梁等建筑工程中常见的水流现象归纳为各类典型流动进行具体分析研究。 孔口出流若在容器壁上开孔，水经孔口流出的水力现象。 管嘴出流若在孔口上连接长为34倍孔径的短管，水经过短管并在出口断面满管流出的水力现象。 有压管流水沿管道满管流动的水力现象。,水力计算特点： 孔口、管嘴出流和有压管流的水力计算，是连续性方程、能量方程以及流动阻力和水头损失规律对工程实践的具体应用。 孔口
2、出流仅考虑局部损失 管嘴出流仅考虑局部损失 短管既考虑局部损失又考虑沿程损失 长管仅考虑沿程损失,根据孔口出流的条件，孔口出流可有以下分类： 1小孔口、大孔口出流： 孔口出流时其断面上各点的流速是有差异的。 若d/H0.1时，这种孔口称为小孔口； 若d/H0.1时，则称为大孔口。 2恒定、非恒定出流： 区别于孔口的作用水头是否变化。 3薄壁孔口、厚壁孔口出流： 若在容器壁上开一孔口，如壁的厚度不影响水的出流，水流与孔壁的接触仅仅在一条周线上，则此孔口称为薄壁孔口。反之，则称为厚壁孔口出流。 4.自由式、淹没式出流： 视容器中的流体与外面的流体介质是否相同而定。,孔口出流分类,物理意义：除了克服
3、阻力外，全部能量都转化为动能,特例 自由液面：pA=papc,收缩断面流速,孔口的流速系数， =0.970.98。是粘性流体与理想流 体速度的比值,薄壁锐缘小孔口的恒定自由式出流,列断面00与收缩断面cc的能量方程：,孔口的局部阻力系数，,孔口流量,如部分收缩,A是孔口面积，A0是孔口所在的壁面面积,(不完善收缩),如全部收缩（完善收缩）,其大小取决于收缩程度,恒定薄壁小孔口淹没式出流 物理意义：克服阻力后,仍恢复为势能,特例：p1= p2=pa，v1= v2 =0,收缩断面流速,孔口流量,与自由出流一致,H0与孔口位置无关,应用：孔板流量计,注意：A孔口面积，也可查表,薄壁大孔口出流,如果用
4、孔口中心高度H作为孔口作用水头，将孔口断面各点的压强水头视为相等，按小孔口计算的流量为,大孔口的流量系数,d/H0.1,非恒定出流（以液面下降为例）,等截面S容器，t时刻孔口水头h,dt内流出体积,容器减少体积,S,容器放空：H2=0,V放空容器的体积 Qmax开始出流时最大流量,放空时间是水位不下降时放空所需时间的两倍,圆柱形外伸管嘴的恒定出流,在孔口断面处接一直径与孔口直径完全相同的圆柱形短管. 圆柱形短管内形成收缩,然后又逐渐扩大.,特征：,流速,流量,与孔口比较:增加了局部损失，但流量却增加1.32倍,对锐缘进口的管嘴，=0.5，,寻找增加流量的原因,求收缩断面的压强pc,列C-C、B
5、-B断面能量方程,连续性方程,突然扩大,取,解得C-C断面真空值,防止汽化的允许真空值,H0的极限值,管嘴正常使用条件之一,管嘴正常使用条件之二,管嘴的种类,（a）圆柱外伸管嘴； （b）圆柱内伸管嘴 ； （c）外伸收缩型管嘴 ； （d）外伸扩张型管嘴 ； （e）流线型外伸管嘴,例：水箱中用一带薄壁孔口的板隔开，孔口及两出流管嘴直径均为d=100mm，为保证水位不变，流入水箱左边的流量Q=80L/s，求两管嘴出流的流量q1、q2,2,解：设孔口的流量为q,对管嘴,连续性方程,解得,短 管 出 流,定义和分类: 定义:所谓短管，是指管道的总水头损失中，沿程水头损失和局部水头损失均占相当比例，在进行
6、水力计算时均不能忽略的管路。如有压涵管、倒虹管、水泵的吸水管和压水管等就属于短管。 分类:自由出流和淹没出流两种。,自 由 出 流,自由出流短管中的液体经出口流入大气， 水股四周受大气压作用。 能量方程 作用水头 流速 流量 流量系数,淹 没 出 流,淹没出流短管中的液体经出口流入下游自由表面的液体中。 能量方程 作用水头 流速 流量 流量系数,自由出流与淹没出流的异同点,相同点： 流量计算公式的形式以及流量系数的数值均相同 不同点： 两者的作用水头在计量时有所不同，自由出流时是指上游水池液面至下游出口中心的高度，而淹没出流时则指得是上下游水位差。 出口位置处的总水头线和测压管水头线的画法不同
7、,例：定性作水头线,p,p,总水头线,总水头线,测压管水头线,测压管水头线,p,总水头线,测压管水头线,p,总水头线,测压管水头线,短管水力计算的内容,四类问题： 已知水头H、管径d，计算通过流量Q； 已知流量Q、管径d，计算作用水头H，以确定水箱、水塔水位标高或水泵扬程H值； 已知流量Q、水头H，设计管道断面，即计算管径d； 分析计算沿管道各过水断面的压强。,校核输水能力,设计水塔或选泵,设计管路系统,画总水头线、测压管水头线,虹吸现象,流速,虹吸管正常工作条件,最大真空度,列1-1和最高断面C-C的能量方程,流量,最大安装高度,长管的水力计算仅考虑沿程损失,局部损失（包括速度水头）不计，损
8、失线性下降，总水头线与测压管水头线重合,单位长阻抗比阻a,s2/m6,一.简单管道,谢才公式,对于钢筋混凝土管道，通常采用谢才公式来 计算水力坡度 式中 R水力半径； C谢才系数，C=,用满宁公式代入后，得到：,式中，管径d的单位为米。,计算比阻的公式,长管的计算，如管道长度,已知H、d，求Q。 已知Q、d，求H。 已知H、Q，求d。,利用长管计算的基本公式,可以解决以下三类问题：,一定，管壁材料已知时，,二.复 杂 管 道,1.串联管道几段不同管径的简单管路依次连接,类比电路,如,如,节点流量满足连续性方程,适用于流量变化的管路,或充分利用作用水头,例：铸铁管长L=2500m，流量Q=0.2
9、5m3/s，作用水头H=25m，试设计管路.为充分利用水头，设计串联管道,解：（1）如按简单长管计算,查水力计算表,a1=0.105d1=450mm 浪费水头，投资加大 a2=0.196d2=400mm 水头不够或流量不够,（2）设计串联管路,充分利用水头,d1=450mmL1 d2=400mmL2,解得,2.并联管道两根以上的管道，两端都接在公共点上,特点：增加流量；提高供水可靠性,流体的自调性，阻力平衡,必须满足连续性条件,能量关系:,质量关系:,例2：流量Q=4L/s的泵从两个有初始液位差h=0.5m的油箱中吸油，在节点A以前的两条管路有相同的长度l=10m和直径d=50mm，若=0.0
10、3，不计局部阻力，求：（1）泵开始吸油时，每个油箱流出的流量q1和q2各为多少？,解：,A点连续性方程,解得,（1）,必须pA0，列低油箱到A点的能量方程,会出现高位油箱向低位油箱倒灌的现象,注意：因q1=0，故q2=Q， 解得z1.27m,（2）当h是多少时，由低位油箱流出的q2=0？,（4）当z为多高，高位油箱泄空后空气不会进入泵 内，且又可使低位油箱可泄空？,令q2=0，解得h=1.27m,（3）当h1.27m时会出现什么情况？,给水工程中，有的配水管和冲洗管，要求流量沿着管子泄出，若单位长度上泄出的流量均为q（q称为途泄流量），则这种管路称为沿程均匀泄流管路，,沿程均匀泄流管路,假设：
11、将这种沿程均匀泄流看成是连续的,QM=Q+qx,近似,当转输流量Q=0时,管 网 计 算,两种形式：枝状管网、环状管网,枝状管网常用于中、小城市或山区管网系统；,环状管网常用于大、中城市的管网系统。,管网内各管段的管径是根据流量Q和速度来决定的,确定管径时，应该作综合评价 ，采用经济流速,经济流速在选用时应使得给水的总成本（包括铺设水管的建筑费、泵站建筑费、水塔建筑费及抽水经常运转费之总和）最小的流速。,一般的中、小直径的管路大致为：,当直径,当直径,400mm，经济流速,=1.01.4m/s。,经济流速v,=0.61.0m/s；,水击在有压管路中流动的液体，由于外界因素（诸如阀门突然关闭、水
12、泵突然停车等）使其流速发生突然变化（即动量发生变化），从而引起压强突然变化（升压和降压交替进行）。,有压管道的水击（水锤） 可压缩、非恒定流,水击具有破坏性,水击危害水击时所产生的升压，可达原来正常压强的几倍甚至几十倍，而且增压和减压的频率很高，往往会引起管道激烈震动，严重时会造成阀门破坏、管道接头脱落，甚至管道爆裂等重大事故。,水击的传播过程,第一阶段,水击速度c,在t=l/c时到达管道口,发生水击的原因,引起管道水流速度突然变化的因素是发生水击的外加条件，水流本身具有惯性和压缩性则是发生水击的内在原因。,减速增压过程,第二阶段,在t=2l/c时到达阀门,第三阶段,在t=3l/c时到达管道口
13、,减速减压过程,增速减压过程,第四阶段,在t=4l/c时到达阀门,增速增压过程,在水击的过程中，管道各断面的流速和压强都随时间周期性的升高和降低，不断地变化。,循环、衰减,如果关闭阀门的时间T小于一个相长，即T,那么最早发出的水击波的反射波在到达阀门之前，阀门已经关闭完毕。这种水击波的运动特征仍然相同于上面讨论的阀门突然关闭（T=0）的水击波特征。,直接水击,水击压强增量,p=c（0）,流速从0减至,全部关闭，即=0,p=c0,间接水击,如果管道长度较短，或阀门关闭的时间较长，关闭时间T,那么阀门开始关闭时发出的水击波（增压波）的反射波（减压波）到达阀门时，阀门仍在继续关闭，则增压和减压会相互叠加后抵消，使这种水击在阀门处的水击压强小于直接水击的水击压强。,间接水击的最大升压p为,T=2l/c相长 Tz阀门关闭时间,c0水中声音传播速度（1440m/s） K水的弹性系数（2.07109Pa） E管材弹性系数（钢：206109Pa） 管材壁厚,水击波的传播速度,3.减小水击压强的措施,(3).缩短管道长度、采用弹性模量较小材质的管道；,(1).限制管中流速;,(2).延长阀门关闭时间;,(4).在管道上设置安全阀、水击消除阀、空气室、调压塔 等装置。,