有壓管道中的定常流與孔口管嘴出流.ppt

第五章 有壓管道中的定常流與孔口管嘴出流,5.1 簡單管道的水力計算 5.2 復(fù)雜管道的水力計算 5.3 管網(wǎng)的計算原理與方法 5.4 孔口、管嘴出流,一、概念,概述,有壓管流（Penstock）：流體完全充滿管道全部橫截面的流動。 有壓管道：輸送有壓液流的管道。 有壓恒定管流：當(dāng)管流的所有運動要素均不隨時間變化的管流。 有壓非恒定管流：管流的運動要素隨時間變化的管流。,二、分類,1、有壓管道根據(jù)布置的不同，可分為：,2、按局部水頭損失和流速水頭之和在總水頭損失中所占的比重，管道可分為：,長管：指管道中以沿程水頭損失為主，局部水頭損失和流速水頭所占比重小予以忽略的管道。,短管：需要同時計算沿程水頭損失、局部水頭損失和流速水頭的管道。,概述,三、有壓管道水力計算的主要問題,1、驗算管道的輸水能力：在給定作用水頭、管線布置和斷面尺寸的情況下，確定輸送的流量。 2、確定水頭：已知管線布置和必需輸送的流量，確定相應(yīng)的水頭。 3、繪制測壓管水頭線：確定了流量、作用水頭和斷面尺寸（或管線）后，計算沿管線各斷面的壓強，即繪制沿管線的測壓管水頭線。 4、確定斷面尺寸：要求輸送一定流量時，確定所需的斷面尺寸。,概述,H0 作用水頭，指管道出口形心至上游水池水面的水頭與上游 行進流速的流速水頭之和。,1、自由出流,5.1 簡單管道的水力計算,2、淹沒出流,列斷面-與-的能量方程：,管道中的流速與流量為：,H0 作用水頭，指上、下游水位差加上游行進流速的動能水頭。,式中：,管系流量系數(shù)，,說明：簡單管道在淹沒出流的情況下，其作用水頭H0完全被消耗于克服管道由于沿程阻力、局部阻力所作負(fù)功所產(chǎn)生的水頭損失。即：,3、簡單管道水力計算的簡化計算,4、動水壓強沿程分布,5、管徑的計算與選定,（1）已知Q、l、管道布置，求管徑d與水頭H。,（2）已知Q、l、H、管道布置及設(shè)備，求管徑d。,允許流速 經(jīng)濟流速,6、水泵裝置的水力計算,（1）水泵安裝高度的計算,6、水泵裝置的水力計算,（2）水泵揚程的確定,7、虹吸管的水力計算,（1）虹吸管輸水流量的確定,7、虹吸管的水力計算,（2）虹吸管安裝高度的確定,5.2 復(fù)雜管道的水力計算,復(fù)雜管道：工程中用幾條不同直徑、不同長度的管段組合而成的管道。,一、串聯(lián)管道,串聯(lián)管道（Pipes in Series） ：由直徑不同的幾段管段順次連接而成的管道稱為串聯(lián)管道。,式中： n管段的總數(shù)目， m局部阻力的總數(shù)目。,節(jié)點的連續(xù)性方程,串聯(lián)管道流量計算的基本公式,能量方程,二、并聯(lián)管道,并聯(lián)管道（Pipes in Parallel） ：兩條或兩條以上的管道同在一處分出，又在另一處匯合，這種組合而成的管道為并聯(lián)管道。,并聯(lián)管道的特點：流體通過所并聯(lián)的任何管段時水頭損失皆相等。即：,節(jié)點的連續(xù)性方程：,并聯(lián)管道流量計算的基本公式：,5.3 管網(wǎng)的計算原理與方法,一、管網(wǎng)的形式,按形狀分：樹狀管網(wǎng)、環(huán)狀管網(wǎng)、混合式管網(wǎng)。,樹狀網(wǎng),特點：即管網(wǎng)分布呈樹枝狀，隨管網(wǎng)向供水區(qū)延伸 ， 其管徑越來越小。 優(yōu)點：管線總長度短，構(gòu)造簡單，投資最省。 缺點：管網(wǎng)供水的水力條件差，易產(chǎn)生水錘，缺乏調(diào)節(jié)能力；安全可靠性差，故障時，下游斷水。 適用：對供水安全可靠性要求不高且允許斷的供水區(qū)域（小城鎮(zhèn)或小型工企業(yè)或建設(shè)初期）,環(huán)狀網(wǎng),特點：管線間連接呈閉合環(huán)狀，供水到用戶點均有兩條或兩條以上的供水路線。 優(yōu)點：水力條件好；水錘危害?。痪邆湟欢ㄗ晕艺{(diào)節(jié)能力。供水安全可靠性高。 缺點：管線總長度較大，建設(shè)投資大。 適用：對供水安全性、連續(xù)性要求較高的供水區(qū)域，大中城鎮(zhèn)和工企業(yè)常用。,二、樹狀管網(wǎng)的水力計算,連續(xù)性方程,能量方程,二、樹狀管網(wǎng)的水力計算,1、已知系統(tǒng)布置情況、管段流量與系統(tǒng)總作用水頭，確定系統(tǒng)各段的管徑。,二、樹狀管網(wǎng)的水力計算,2、已知系統(tǒng)布置情況、管段流量與流量，確定系統(tǒng)的總作用水頭。,（1）根據(jù)系統(tǒng)布置情況，選定干管和控制點。 （2）從選定干管的終點開始，從下至上計算管段水頭損失。 （3）根據(jù)計算出的系統(tǒng)的總作用水頭，以及實際地形高差確定水塔高度或水泵揚程。,環(huán)狀管網(wǎng)水力計算的基本原則,假定分流都發(fā)生在節(jié)點，則,1、在節(jié)點上應(yīng)滿足連續(xù)性方程，即：,2、在管網(wǎng)的任一閉合環(huán)路中，以順時針方向的水流所引起的水頭損失（正）與逆時針方向的水流所引起的水頭損失的代數(shù)和應(yīng)等于零，即：,3、在環(huán)路中，任一根簡單管道都根據(jù)長管計算，則：,三、環(huán)狀管網(wǎng)的水力計算,環(huán)狀管網(wǎng)計算方法,流量法：利用壓力損失方程qij和hij的關(guān)系消去hij，以qij 為未知量。 節(jié)點壓力法：利用壓力損失方程qij和hij的關(guān)系消去hij，以節(jié)點壓力為未知量。,管段的特征參量：流量q、壓力損失h、管徑d、管長L、管壁條件（阻力系數(shù)）。 管網(wǎng)計算的任務(wù)：確定管段流量q和節(jié)點壓力。,流量法,用流量表示的環(huán)能量平衡方程（L個）,節(jié)點流量平衡方程（J-S個）,未知量：管段流量qij，共P=L+J-S個,以環(huán)方程的微分增量qk為未知量時：,節(jié)點壓力法,由壓力損失方程,節(jié)點流量平衡方程（J-S個）,未知量：節(jié)點壓力Hi，共J-S個,管 道 概 論,5.4 孔口及管嘴出流,薄壁孔口出流 管嘴出流,薄壁孔口（Thin-wall Orifice）：當(dāng)孔口具有銳緣時，孔壁與水流僅在一條周線上接觸，即孔口的壁厚對出流并不發(fā)生影響。這種孔口叫做薄壁孔口。,一、概念,孔口出流（Orifice Discharge）：在容器壁上開孔，水經(jīng)孔口流出的水力現(xiàn)象就稱為孔口出流。,管嘴出流（Nozzle Discharge）：流體流經(jīng)外管嘴并在出口斷面上形成滿管流的水力現(xiàn)象稱為管嘴出流。,小孔口（Small Orifice ）：當(dāng)孔口直徑d（或高度e）與孔口形心以上的水頭高度H的比值小于0.1，即d/H0.1時，可認(rèn)為孔口射流斷面上的各點流速相等， 且各點水頭亦相等，這時的孔口稱為小孔口。,大孔口（Big Orifice） ：當(dāng)孔口直徑d（或高度e）與孔口形心以上的水頭高H的比值大于0.1，即d/H0.1時，需考慮在孔口射流斷面上各點的水頭、壓強、速度沿孔口高度的變化，這時的孔口稱為大孔口。,大孔口、小孔口,恒定出流（Steady Discharge）：當(dāng)孔口出流時，水箱中水量如能得到源源不斷的補充，從而使孔口的水頭不變，此時的出流稱為恒定出流。,非恒定出流（Unsteady Discharge）：當(dāng)孔口出流時，水箱中水量得不到補充，則孔口的水頭不斷變化，此時的出流稱為非恒定出流。,恒定出流、非恒定出流,自由出流、淹沒出流,淹沒出流（Submerged Discharge）：若經(jīng)孔口流出的水流不是進入空氣，而是流入下游水體中，致使孔口淹沒在下游水面之下，這種情況稱為淹沒出流。,自由出流（Free Discharge）：若經(jīng)孔口流出的水流直接進入空氣中，此時收縮斷面的壓強可認(rèn)為是大氣壓強，即pc = pa ，則該孔口出流稱為孔口自由出流。,全部收縮孔口（Full Contrastive Orifice）： 當(dāng)孔口的全部邊界都不與相鄰的容器底邊和側(cè)邊 重合時，孔口出流時的四周流線都發(fā)生收縮，這種 孔口稱為全部收縮孔口 (如a,b) 。,完善收縮（Perfect Contraction）：凡孔口與相鄰壁面的距離大于同方向孔口尺寸的3倍（l3a或 l3b），孔口出流的收縮不受距壁面遠近的影響，這就是完善收縮(如a) 。 不完善收縮( Non-Perfect Contraction) ：不滿足上述條件的孔口出流 為不完善收縮(如b) 。,全部收縮孔口又分完善收縮和不完善收縮：,孔口在壁面上的位置對收縮系數(shù)有直接的影響,二、薄壁小孔口恒定自由出流,收縮斷面與收縮系數(shù),收縮系數(shù)：是指收縮斷面面積與孔口斷面面積之比，以表示。,斷面0-0和收縮斷面C-C，列能量方程,根據(jù)試驗資料，收縮斷面直徑dc=0.8d。,薄壁小孔口恒定自由出流的流速與 流量計算,考慮到：1）小孔口自由出流，則有pc=pa； 2）水箱中的微小水頭損失可忽略不計，則有hw=hj=0c2/2g。,流速系數(shù)， ，是收縮斷面的實際流體流 速vc對理論流體流速 的比值。圓形小孔口在Re很大的時候， 流速系數(shù) ，流徑小孔口的局部阻力系數(shù) 。,則有：,孔口的流量系數(shù)， ，對于薄壁小孔口：,令,則,作用水頭（包括行進流速）；,式中：,水流經(jīng)孔口的局部阻力系數(shù)；,三、小孔口的淹沒出流,說明：小孔口淹沒出流時的作用水頭全部轉(zhuǎn)化為水流流經(jīng)孔口和從孔口流 出 后突然擴大的局部水頭損失。,列斷面1-1與斷面2-2的能量方程,則,。,孔口淹沒出流的流量系數(shù)，可取與自由出流時的流量系 數(shù)相同，即 。,式中：,注意：自由出流時，水頭H系水面至孔口形心的深度； 淹沒出流時，水頭H值系孔口上、下游水面高差。,四、 管嘴出流,1、圓柱形外管嘴的恒定出流,設(shè)水箱水位保持不變，表面為大氣壓強，管嘴為自由出流，則由斷面0-0與1-1的能量方程得：,管嘴出流（Nozzle Discharge）：流體流經(jīng)外管嘴并在出口斷面上形成滿管流的水力現(xiàn)象稱為管嘴出流。,結(jié)論：在相同水頭H0的作用下，同樣斷面面積的管嘴的過流能力是孔口的 1.32倍。,管嘴流量系數(shù)，因出口無收縮，,管嘴流速系數(shù)，,式中：,管嘴的局部水頭損失，等于進口損失與收縮斷面后的擴大 損失之和（忽略管嘴沿程水頭損失），即 。,管嘴阻力系數(shù)，即管道銳緣進口局部阻力系數(shù)，取 ；,圓柱形管嘴水流在收縮斷面處出現(xiàn)