《有压管流》PPT课件

第 6 章 有压管流 有压管流指液体在管道中的满管流动。除特殊点外，管中液体的相对压强一般不为零，故名。 根据沿程水头损失与局部水头损失的比例，有压管流分为短管出流与长管出流 短管出流指水头损失中沿程水头损失与局部水头损比例相当、均不可以忽略的有压管流；如虹吸管或建筑给水管等。 长管出流则是与沿程水头损失相比，局部水头损失可以忽略或按比例折算成沿程水头损失的有压管流；按连接方式，长管又有简单管路与复杂管路之分,如市政给水管道等。 有压管道无压管道有压流无压流简单管道复杂管道长管短管自由出流淹没出流简单管道串联管道并联管道水 头 损 失 以 沿 程 水 头 损 失 为 主 ， 局 部 水 头 损 失 和 流 速 水 头 在总 损 失 中 所 占 比 重 很 小 ， 计 算 时 可 以 忽 略 的 管 道局 部 损 失 在 总 损 失 中 占 有 相 当 的 比 重 ， 计 算 时 不 能 忽 略的 管 道 前进 6.1 短管的水力计算 6.1.1 基本公式 短管水力计算可直接应用伯努利方程求解，也可将伯努利方程改写成工程应用的一般形式，然后对短管进行求解。 短管出流有自由出流和淹没出流之分。 液体经短管流入大气为自由出流。 设一短管，列1-2断面伯努利方程，得11 220 0v H lhgH 2 2v 式中水头损失可表示为解出流速gdlhhhl 22mf v gHDl 21 v流量为 gHAAQ 2s v令为短管管系流量系数Dl 1s 液体经短管流入液体为淹没出流。管系流量系数为流量计算与自由出流相同，即gHAQ 2 s Dl 1s 0 0Hv 11 22 自由出流11 22 HO O淹没出流2211 Z OO2 cQ A gH 2cQ A gZ其中11c ld 1c ld 返回1 21V gHld 1 2V gzld 短管水力计算的基本类型当已知管道尺寸和输水能力时，计算水头损失；即要求确定通过一定流量时所必须的水头。管线布置已定，当要求输送一定流量时，确定所需的断面尺寸。当管道布置、断面尺寸及作用水头已知时，要求确定管道通过的流量。对一个已知管道尺寸、水头和流量的管道，要求确定管道各断面压强的大小。 返回 短 管 管 道 系 统 水 头 线 的 绘 制1.绘 制 步 骤（ 1） 根 据 已 知 条 件 ， 计 算 沿 流 程 各 管 段 的 沿 程水 头 损 失 和 各 项 局 部 水 头 损 失（ 2） 从 管 道 进 口 断 面 的 总 水 头 开 始 ， 沿 流 程 依次 减 去 各 项 水 头 损 失 ， 得 各 相 应 断 面 的 总 水 头 值 ，并 连 结 得 到 总 水 头 线 。（ 3） 由 总 水 头 线 向 下 位 移 一 个 沿 流 程 相 应 断 面的 流 速 水 头 值 ， 即 可 得 到 测 压 管 水 头 线 。 2.绘 制 注 意 事 项（ 1） 局 部 水 头 损 失 可 等 效 地 集 中 绘 制 在 局 部 构 件所 在 的 断 面 上 。 所 以 局 部 构 件 前 后 有 两 个 总 水 头 ，以 实 降 的 “ 台 阶 ” 高 度 表 示 局 部 水 头 损 失 的 大 小（ 2） 实 际 液 流 的 总 水 头 线 永 远 是 沿 程 下 降 的 ， 任意 两 过 水 断 面 间 总 水 头 下 降 值 即 为 这 个 断 面 间 液 流的 水 头 损 失 ； 测 压 管 水 头 线 可 以 是 沿 流 程 下 降 、 上升 或 水 平 的 ， 取 决 于 动 能 与 势 能 的 相 互 转 化 关 系 。 （ 3） 应 注 意 管 道 进 出 口 处 的 边 界 条 件 。 进 口 ， 起 点 为 上 游 容 器 的 总 水 头 出 口 ， 自 由 出 流 Hp交 于 出 口 断 面 的 形 心 上 淹 没 出 流 Hp在 下 游 断 面 的 自 由 表 面 上（ 4） 测 压 管 水 头 与 相 应 断 面 的 管 轴 位 置 高 差 即为 压 强 水 头 。 所 以 Hp高 出 管 道 轴 线 的 区 域 为 正压 区 ， 低 于 则 为 负 压 区 O HV00 11 测压管水头线的定性分析 22Vgpg前进 V00202Vg 22Vg 前进 22 11V00 V 下022Vg前进 管道水力计算特例虹吸管及水泵ZZs 虹吸管是一种压力管，顶部弯曲且其高程高于上游供水水面。其顶部的真空值一般不大于78m水柱高。虹吸管安装高度Z s越大，顶部真空值越大。 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，故按短管计算。11 22 通过水泵转轮转动的作用，在水泵进口端形成真空，使水流在池面大气压作用下沿吸水管上升，流经水泵时从水泵获得新的能量，从而输入压力管，再流入水塔。 安装高度提水高度安装高度Z Zs吸水管压水管水泵向单位重量液体所提供的机械能，称为水泵的扬程 t w wH Z h h 吸水管压水管返回 例 题 ： 用 水 泵 自 水 库 A向 水 库 B作 恒 定 输 水 。 水 泵 扬 程 H 10m，管 道 直 径 d 100mm， 管 长 L 100m， 管 壁 谢 才 系 数 C 62.6m1/2/s， 进 0.8， 出 1.0， 略 去 弯 头 损 失 ； 水 库 水 位 差 为 7.82m，管 最 高 处 中 心 点 C与 B水 库 水 面 高 差 为 3m， C点 至 水 库 A的 管 长 为60m。 求 管 内 流 量 Q及 C点 真 空 度 。 例 题 ： 用 水 泵 自 水 库 A向 水 库 B作 恒 定 输 水 。 水 泵 扬 程 H 10m，管 道 直 径 d 100mm， 管 长 L 100m， 管 壁 谢 才 系 数 C 62.6m1/2/s， 进 0.8， 出 1.0， 略 去 弯 头 损 失 ； 水 库 水 位 差 为 7.82m，管 最 高 处 中 心 点 C与 B水 库 水 面 高 差 为 3m， C点 至 水 库 A的 管 长 为60m。 求 管 内 流 量 Q及 C点 真 空 度 。解 ： 求 Q取 水 库 A水 面 为 基 准 面 ， 取 水 库 水 面 A-A、 B-B为 计 算 断 面 ， 自由 液 面 点 为 计 算 点 ， 列 A-A至 B-B能 量 方 程 如 下 ：0 0 0 7.82 0 0 wH h 2 28 8 9.8 0.0262.6gC 2 2(0.8 1.0)2 2w L V Vh d g g 代 入 (1)式 得 :V 1.4m/s故 Q=3.14 0.12 1.4/4 0.011m3/s 11L/s(1) 求 C点 真 空 度列 A-A断 面 至 C-C断 面 能 量 方 程 ：0+0+0+H 7.82+3+pC/+V2/2g+hW1 （ 2）hW1 （ L1/d） （ V2/2g） +0.8V2/2g 1.28m取 1.0， 代 入 （ 2） 式 得 ：p C/ -2.2m故 C点 真 空 度 pV/ 2.2m 例 题 ： 通 过 管 长 l1=5m、 管 径 d1 50mm管 道 连 接 水 库 和 水 箱 。 水库 和 水 箱 水 位 差 h 5m， 水 箱 后 又 接 一 d2=d1的 水 平 管 道 ， 且l2=l1， 管 道 沿 程 阻 力 系 数 =0.03， 水 流 为 恒 定 流 （ 图 5-4） 。求 流 量 Q， 并 绘 制 全 管 道 的 测 压 管 水 头 线 （ 直 接 在 图 中 绘 出 ） 。又 ， 如 果 l2管 倾 斜 30 ， 水 库 内 水 位 不 变 ， 求 管 内 流 量 Q及此 时 的 两 水 位 差 h。 （ 14分 ）解 ： 列 1、 2断 面 的 能 量 方 程 ：h+0+0=0+0+hw设 在 l1管 道 中 的 流 速 为 v， 则 21 2w l vh d g 收扩24 Qv d 2 2 21 2 4 2 45 16 36 0.03 0.5 1.02 0.05 2w l v Q Qh d g d g d g 收扩24.52vh g 2 2 9.8 5 4.67 /4.5 4.5ghv m s 2 4 2 4 3 30.05 9.8 5 9.16 10 /36 36d ghQ m s 列 2、 3断 面 的 能 量 方 程设 v2为 l2中 的 流 速 ， 2 222 0 0 2 wvh hg 因 为 d2=d1， 所 以 v2=v 2 22 2w l vh d g 收 2 2 222 1 3 0.5 52 2 2lv v vh mg d g g 收 当 l2管 倾 斜 30 时 ， 列 1、 3断 面 的 能 量 方 程 ：设 H=h+h2+ l2sin30 =5+5+5 2=12.5m20 0 2 wvH hg 2 2 2 2 1 2 4.5 3.5 82 2 2 2w l lv v v vh d g d g g g 收扩收2 2 28 92 2 2v v vH g g g 2 2 9.8 12.5 5.22 /9 9gHv m s 2 2 2 30.05 5.22 1.02 10 /4 4dQ v m s 2 211 5.22 4.5 6.262 2 9.8w l vh h md g 收扩 例 题 ： 如 图 所 示 ， 用 一 根 虹 吸 管 从 水 箱 中 取 水 ， 虹 吸 管 管 径 d 5cm，管 总 长 10. 5m， 管 道 沿 程 阻 力 系 数 0.30， 弯 管 局 部 阻 力 系 数 弯 0.2， 进 口 处 局 部 阻 力 系 数 为 1， lAB 3.5m， 试 求 管 中 流量 和 管 内 最 大 真 空 度 。 （ 15分 ） 例 题 ： 如 图 所 示 ， 用 一 根 虹 吸 管 从 水 箱 中 取 水 ， 虹 吸 管 管 径 d 5cm，管 总 长 10. 5m， 管 道 沿 程 阻 力 系 数 0.30， 弯 管 局 部 阻 力 系 数 弯 0.2， 进 口 处 局 部 阻 力 系 数 为 1， lAB 3.5m， 试 求 管 中 流量 和 管 内 最 大 真 空 度 。 （ 15分 ）解 ： 以 管 出 口 处 为 基 准 面 ， 列 1-1,2-2断 面 的 能 量 方 程20 0 0 0 2 wvH hg 2 22 2w f j bl v vh h h d g g 进进1.0 22 wvH hg gvgv 2)05.0 5.103.02.00.1(25 22 解得v=1.226m/s, 故sLvdQ /41.24 2 管 道 最 高 点 B处 的 真 空 度 为 最 大 ， 以 水 箱 水 面 为 基 准 面 ，在 水 箱 水 面 与 管 道 B点 之 间 建 立 伯 努 利 方 程 ： gvgvpB 2)05.0 5.33.02.00.1(25.65 22 解 得 mpB 28.3所 以 B点 真 空 度 为 ： 3.28m水 柱 6-2长 管 的 水 力 计 算 2 22 482V Qg g d24Q QV A d 2 2 202 582l V Q lH S lQd g g d 列1-1,2-2断面能量方程22f l VH h d g 自由出流1 1 22 HO O淹没出流2211 Z OO一、简单管路：管径、管壁粗糙状况和流量沿流程不变的无分枝的管道 0 2 58S g d 比 阻 比 阻 计 算 方 法 0 2 58S g d28gC 161C Rn（ ） 谢 才 公 式 0 2 5 264S d C将 代 入 上 式 得若 已 知 n,d即 可 求 出 S0 （ 3） 舍 维 列 夫 公 式 （ 针 对 旧 钢 管 与 旧 铸 铁 管 ） 紊 流 过 渡 区 V1.2m/s粗 糙 区 V1.2m/s 0.30.30.0179 0.867(1 )d v 0.30.0210d 0.30 5.3 5.30.867 0.001736 0.0017360.852(1 )S v d d 0 5.30.001736S d 【解】 首先计算作用水头m9)2545()1861( H【例1】采用铸铁管由水塔向车间供水。已知水管长2500m，管径400mm，水塔地面标高61m，水塔高18m，车间地面标高45m，供水点要求最小服务水头25m，求供水量。然后查表求比阻，查表6-1 62 m/s23.0a求得流量为s/m125.0250023.0 9 3 alHQ 求得比阻查表6-1，求管径【例2】其他条件同【例1】，供水量增至 0.152 m3/s，求管径。解】 作用水头不变6222 m/s156.0152.02500 9 lQHa；可见，所需管径界于上述两种管径之间，但实际上无此规m9)2545()1861( H格。采用较小管径达不到要求的流量，使用较大管径又将浪费投资。合理的办法是分部分采用，然后将二者串联起来。 二、串联管道的水力计算没有流量流出，各管段的联接点水流符合连续性方程： 1i i iQ Q q 计算特点：串联管道的总水头损失等于各串联管段水头损失之和201 1n nfi i i ii iH h S lQ Q2Q1 Q3q1 q2 H 返回2 0i iH Q S l 【例3】【例2】中，为充分利用水头和节省管材，采用450mm 2 121122211 )2500()( QlalaQlalaH 三、并联管道的水力计算各支管的流量与总流量应满足连续性方程各支管的水头损失相等Q 4 Q 1Q 2Q 3 Q 5 H 1 2 3f f f fh h h h 水流满足能量方程4 5f f fH h h h 或返回2 2 21 1 1 2 2 2 3 3 3S lQ S l Q S l Q 【例4】三根并联铸铁输水管道，总流量 Q = 0.28m3/s；各支管管长分别为 l1 = 500m，l2= 800m，l3= 1000m；直径分别为D1 = 300mm， D2 = 250mm， D3 = 200mm 。试求各支管流量及 AB 间的水头损失。 m07.140389.0100030.9 22333fAB Qlah解】查表6-1求比阻D1= 300mm，a1= 1.07s2/m6根据各管段水头损失的关系：D2= 250mm，a2= 2.83s2/m6233322222111 QlaQlaQla 或232221 930022645352 QQQ 再与流量关系321 QQQQ 联立解得：s/m0389.0 33 Q s/m0789.0 32 QAB 间水头损失：s/m1622.0 31 QD3= 200mm，a3= 9.30s2/m6 四、沿程均匀泄流管道的水力计算沿 程 均 匀 泄 流 管 路 ： 给 水 工 程 中 ， 有 的 配 水 管 和 冲 洗 管 要 求 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 ） ， 这 种 管 子 称 转输流量Q：通过这一段管路并继续向下游管道输送的流量设距出口x处的M断面上,流量为 Q M=qx+Q 2 2 20 1( )3fH h S l Q Qql q l 20f Mdh S Q dx2 2 2 20 00 0( ) ( 2 )l lfH h S Q qx dx S Q Qqx qx dx 近似写成20 ( 0.55 )H S l Q ql 20 ( 0.55 )H S l Q ql 0.55cQ Q ql 20 013H S lQ 实际计算中,常引用计算流量 当转输流量Q =0时20 cH S lQ若沿程均匀泄流管道无转输流量Q ,而只有途泄流量Q0时 ,其 水 头损 失 仅 为 简 单 管 道 在 通 过 流 量 为 Q时 的 1/3 【例5】水塔供水的输水管道，由三段铸铁管串联而成，BC 为沿程均匀泄流段。管长分别为 l1 = 500m， l2= 150m ， l3= 200m；管径 D1 = 200mm ，D2 = 150mm，D3 = 100mm ， 节点B分出流量q = 0.07m3/s ，通过流量 Qp = 0.02m3/s，途泄流量Qs = 0.015m3/s，试求所需作用水头H。解】BC 段途泄流量折算后s/m045.0 3 ps1 QQqQ s/m028.055.0 3ps2 QQQ s/m02.0 3p3 QQ作用水头为各段损失之和，即m51.232 333222111f QlaQlaQlahH i 例 题 ： 图 示 为 水 塔 供 水 的 串 联 管 道 。 各 管 段 的 管 长 L1 300m， L2 200m， L3 100m。 各 管 管 径 d1=200mm， d2=150mm， d3=100mm，沿 程 阻 力 系 数 0.03， 在 L2段 内 均 匀 泄 流 量 q 0.1L/sm， Q3 10L/s， 求 水 头 H。解 ： 按 长 管 计 算 ， H hf 计 算 各 管 段 比 阻 ：2 61 2 6 2 6 18 8 0.03 7.76( / )9.8 3.14 0.2S s mg d 2 62 2 6 2 628 8 0.03 32.71( / )9.8 3.14 0.15S s mg d 2 63 2 6 2 6 38 8 0.03 248.39( / )9.8 3.14 0.1S s mg d 1 3 2 10 0.1 200 30 /Q Q qL L s 2 3 20.55 10 0.55 0.1 200 21 /Q Q qL L s 3 10 /Q L s 2 2 2 1 1 1 2 2 2 3 3 3 7.46H S LQ S L Q S L Q m 例 题 ： 有 一 等 径 的 串 联 铸 铁 管 路 ABCD， n=0.012， 其 中 l 500m，而 lBC 100m， lCD 50m， d=250mm。 配 水 点 处 QB 25L/s， QC40L/s， QD 50L/s， BC段 的 均 匀 泄 流 量 为 qBC=0.40L/s.m， CD段 的均 匀 泄 流 量 qCD=0.30L/s.m。 求 水 池 的 水 头 H。解 ： 当 n=0.012时 ， 2 60 2 22 5 2 1/6 1/62 5 2 564 64 64 2.41 /1 1 0.250.254 0.012 4S s md C dd n 50 0.3 50 40 0.4 100 25 170 /AB D CDCD C BC BC BQ Q q l Q q l Q L s 0.5550 0.3 50 40 0.55 0.4 100 127 /BC D CD CD C BC BCQ Q q l Q q l L s 0.55 50 0.55 0.3 50 58.25 /CD D CD CDQ Q q l L s 2 2 20 2 2 22.41 500 100 50 0.17 100 0.127 50 0.05825 28.67AB AB BC BC CD CDH S l Q l Q l Q 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