工程流体力学课件

工程流体力学课件第第第第1 1章章章章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质第第第第2 2章章章章 流体静力学流体静力学流体静力学流体静力学第第第第3 3章章章章 流体动力学基础流体动力学基础流体动力学基础流体动力学基础第第第第4 4章章章章 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失第第第第5 5章章章章 孔口、管嘴出流及有压管流孔口、管嘴出流及有压管流孔口、管嘴出流及有压管流孔口、管嘴出流及有压管流第第第第6 6章章章章 明渠均匀流明渠均匀流明渠均匀流明渠均匀流第第第第7 7章章章章 明渠水流的两种流态及其转换明渠水流的两种流态及其转换明渠水流的两种流态及其转换明渠水流的两种流态及其转换第五章第五章 孔口、管嘴出流孔口、管嘴出流 及有压管流及有压管流第一节第一节 孔口出流孔口出流第二节第二节 管嘴恒定出流管嘴恒定出流第三节第三节 短管的水力计算短管的水力计算第四节第四节 长管的水力计算长管的水力计算第五节第五节 离心式水泵装置及其离心式水泵装置及其 水力计算水力计算教学内容、重点及难点教学内容、重点及难点 基本内容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。孔口、管嘴出流进行水力计算。重、难点 水头损失的分析和确认HH0OOCAACdCvCv0第一节第一节 孔口出流孔口出流液体从孔口以射流状态流出，流线不能在孔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。变流段中，其上压强均匀。为收缩断面，收缩系数：为收缩断面，收缩系数：收缩断面面积收缩断面面积 孔口断面面积孔口断面面积ab完全收缩完全收缩非非完完全全收收缩缩无收缩无收缩边边壁壁的的整整流流作作用用会会影影响响收收缩缩系系数数，故故有有完完全全收收缩缩及及非非完完全全收收缩缩之之分分，收收缩缩系系数数视视孔孔口口边边缘缘与与容容器器边边壁壁距距离离与孔口尺寸之比的大小而定，大于与孔口尺寸之比的大小而定，大于3 3则可认为完全收缩。则可认为完全收缩。HH0OOCAACdCvCv0孔口出流的分类孔口出流的分类恒定出流、非恒定出流；恒定出流、非恒定出流；淹没出流、自由出流；淹没出流、自由出流；薄壁出流、厚壁出流。薄壁出流、厚壁出流。小孔口小孔口 大孔口大孔口对薄壁小孔口：对薄壁小孔口：=0.630.64=0.630.64对对0-0，列能量方程列能量方程其中其中设设则则流速系数流速系数流量系数流量系数其中其中1.1.薄壁小孔口自由出流薄壁小孔口自由出流HH0OOCAACdCvCv0其中其中则则H0 作用总水头作用总水头孔口流速系数孔口流速系数孔口流量系数孔口流量系数流经孔口的局部阻力系数流经孔口的局部阻力系数收缩断面突扩的局部阻力系数收缩断面突扩的局部阻力系数2.2.薄壁小孔口淹没出流薄壁小孔口淹没出流对对1-11-1，2-2 2-2 列能量方程列能量方程大孔口出流的流量系数，可查表大孔口出流的流量系数，可查表大孔口形心的水头大孔口形心的水头3.3.大孔口恒定出流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，具体的流量水头应近似取为孔口形心处的值，具体的流量系数也系数也及及小孔口出流不同。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。量。在在 时段内时段内则液面从则液面从 H1 降至降至 H2 所需时间所需时间容器放空（即容器放空（即H20）时间）时间H1H2hd hA0H1H2hd hH1H2hd hA04.4.孔口非恒定出流孔口非恒定出流第二节第二节 管嘴恒定出流管嘴恒定出流一一.管嘴出流的水力现象管嘴出流的水力现象(a)外管嘴外管嘴内管嘴内管嘴(b)(c)(d)(e)外管嘴外管嘴(a)(a)直角型外管嘴直角型外管嘴(b)(b)收缩型外管嘴收缩型外管嘴(c)(c)扩散型外管嘴扩散型外管嘴(d)(d)流线型外管嘴流线型外管嘴二、管嘴恒定出流二、管嘴恒定出流对对1-11-1，2-2 2-2 列能量方程列能量方程忽略管嘴沿程损失，且令忽略管嘴沿程损失，且令则管嘴出口速度则管嘴出口速度其中其中为管嘴的局部阻力系数，取为管嘴的局部阻力系数，取0.5；则；则流量系数流量系数流速系数流速系数说明管嘴过流能力更强说明管嘴过流能力更强？D34DvCvcC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。流量的能力。对对，列能量方程列能量方程取真空压强和真空高度值，得取真空压强和真空高度值，得由由而而 按突扩计算，得按突扩计算，得说明管嘴真空度可达作用水头的说明管嘴真空度可达作用水头的7575以以 代入代入则则得得所以所以得得AABBccv2HH0AABBccv2HH0又又三、管嘴真空度三、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。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时，管嘴正常工作的最大真空度为7.0m，则作，则作用水头用水头 说明圆柱形外管嘴正常工作条件是：说明圆柱形外管嘴正常工作条件是：l=(3 4)dH09m实际流体恒定总流能量方程沿程损失沿程损失局部损失局部损失第三节第三节 有压管路水力计算有压管路水力计算 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：短管：长管：长管：及及 均较大，不能忽略不计（均较大，不能忽略不计（5）很大，不能忽略，而可忽略不计（很大，不能忽略，而可忽略不计（5）=H0=0=管系流量管系流量系数系数作用水头作用水头 H H一、短管的水力计算一、短管的水力计算vOO1122H自由出流自由出流vOO112233Hh=0=h作用水头作用水头 H H淹没出流淹没出流vOO112233Hh=0=用用3-33-3断面作下游断面断面作下游断面0h=出口水头损失按突扩计算出口水头损失按突扩计算vOO112233Hh管系流量管系流量系数系数淹没出流淹没出流及及自由出自由出流相比，作用水头流相比，作用水头不同，管系流量系不同，管系流量系数相同，局部损失数相同，局部损失中不包含中不包含2-22-2断面断面出口损失。出口损失。zz2112233l2l1要求要求确定确定计算计算已知已知【例例】1 1 离心泵管路系统的水力计算离心泵管路系统的水力计算 流量流量Q Q，吸水管长，吸水管长L1L1，压水管长，压水管长L2L2，管径管径d d，提水高度，提水高度z z，各局部水头，各局部水头 损失系数，沿程水头损失系数损失系数，沿程水头损失系数 水水泵泵最最大大真真空空度度不不超超过过6m6m水泵允许安装高度水泵允许安装高度 水泵扬程水泵扬程zz2112233l2l1Q，dv【解解】水泵允许安装高度水泵允许安装高度zz2112233l2l1 水泵扬程=提水高度+全部水头损失l1132l22 2 有压泄水道的水力计算有压泄水道的水力计算 泄流量泄流量Q，画出水头线，画出水头线 圆形隧洞圆形隧洞求求已知已知l1132l2出口断面由出口断面由A缩小为缩小为A2出口流速出口流速管内流速管内流速新增出口局部损失新增出口局部损失l1132l2出口断面缩小出口断面缩小出口流速稍有增大出口流速稍有增大 管中流速却显著减小管中流速却显著减小出流量减小出流量减小沿程压强增高沿程压强增高入口断面入口断面 0-00-0，任意断面，任意断面 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。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压强沿程变化和水头线的绘制v122gv222g管道突然缩小管道突然缩小总水头线总水头线测压管水头线测压管水头线v122gv222g管道突然放大管道突然放大总水头线总水头线测压管水头线测压管水头线作用水头全部用于支付沿程损失作用水头全部用于支付沿程损失1122Hvv则则二、长管的水力计算二、长管的水力计算一、简单管路一、简单管路比阻单位流量通过单位长度管段产生的比阻单位流量通过单位长度管段产生的水头损失水头损失比阻比阻S S由谢才公式和曼宁公式由谢才公式和曼宁公式对钢管和铸铁管对钢管和铸铁管对塑料管材对塑料管材 阻力平方区 过渡粗糙区过渡粗糙区【例例】已知简单管路的已知简单管路的l=2500ml=2500m，H=30mH=30m，Q=250Q=250，n=0.011n=0.011。求管径。求管径d d。【解解】由由得得由谢才及曼宁公式，得由谢才及曼宁公式，得代入数据得代入数据得d 388介于标准管径介于标准管径350400之间之间 串联管路串联管路 并联管路并联管路Q1Q2Q3QQ1122HAB1122Hl1 d1l2 d2Q1Q2二、复杂管路二、复杂管路【例例】已知简单管路的已知简单管路的l=2500ml=2500m，H=30mH=30m，Q=250Q=250，n=0.011n=0.011。求管径。求管径d d。【解解】由谢才及曼宁公式，得由谢才及曼宁公式，得其中取其中取 d1=400，d2=350，得，得采用串联管路，则采用串联管路，则 沿程均匀泄流管路沿程均匀泄流管路xdx管路中任一点处流量管路中任一点处流量则则取比阻取比阻S为常量，上式积分得为常量，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。长距离通风管道的漏风等水力计算。若无转输流量若无转输流量0，则，则HQzQyl 管网管网树状管网：树状管网：环状管网：环状管网：管线短，管径相对大，投资小，但可靠性差管线短，管径相对大，投资小，但可靠性差管线长，管径相对小，投资大，但可靠性好管线长，管径相对小，投资大，但可靠性好 分叉管路分叉管路HABCD 各支管按串联算，支管之间按并联算。各支管按串联算，支管之间按并联算。第四节第四节 水泵水力计算水泵水力计算装置原理装置原理自灌式：水泵泵轴低于吸水池水面自灌式：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吸入式：水泵泵轴高于吸水池水面性能参数性能参数 扬程扬程Q Q 流量流量N N 轴功率轴功率NN有效功率有效功率 效率效率n n 转速转速 允许吸水真空度允许吸水真空度【例例】水泵功率水泵功率25,25,流量流量Q=60,Q=60,效率效率75%,75%,吸水管吸水管l1=8m,d1=250,l1=8m,d1=250,压水管压水管l2=502=200,=0.025,l2=502=200,=0.025,底阀底阀4.4,4.4,弯头弯头0.2,0.2,阀门阀门0.5,0.5,逆止阀逆止阀5.5,5.5,水泵允许真空度水泵允许真空度=6m=6m。求水泵安装高度。求水泵安装高度,水泵提水高度。水泵提水高度。Hszsd1d2l1l2水水泵泵阀阀门门逆逆止止阀阀底阀底阀1122【解解】对对1，2列伯努利方程列伯努利方程d1d2l1l2水水泵泵阀阀门门逆逆止止阀阀底阀底阀1133对对1，3列伯努利方程列伯努利方程水击：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），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。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。虑流体的压缩性及管道的弹性。第五节第五节 水击现象及其预防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，甚至引起重时则造成阀门损坏，管路接头断开，甚至引起管路的爆裂。管路的爆裂。水击引起的压强降低，使管内形水击引起的压强降低，使管内形成真空，有可能使管路扁缩而损坏。成真空，有可能使管路扁缩而损坏。有压管道流动的有压管道流动的流量突变流量突变流速突变流速突变由于流动的惯性，造成压由于流动的惯性，造成压强大幅波动强大幅波动 水击现象的大致描述：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p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。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。水击危害的预防水击危害的预防（1 1）延长阀门关闭时间；）延长阀门关闭时间；（2 2）缩短管路长度；）缩短管路长度；（3 3）在管路系统的适当位置装设蓄能器（空气罐或安全阀）；）在管路系统的适当位置装设蓄能器（空气罐或安全阀）；（4 4）在管路上装设调压塔。）在管路上装设调压塔。水击的利用水击的利用 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的。设备，这种设备对于无动力和电源的地方是很方便的。本章作业本章作业习题习题 5.25.2，习题习题 5.45.4，习题习题 5.105.10，习题习题 5.165.16第五章习题解答第五章习题解答5.2 薄壁孔口出流，直径薄壁孔口出流，直径2，水箱水位恒定，水箱水位恒定2m。求。求 1、孔口流量、孔口流量Q；2、此孔口外接圆柱形管嘴的流量、此孔口外接圆柱形管嘴的流量;3、管嘴收缩断面的真空。、管嘴收缩断面的真空。解：解：2 2、3 3、1 1、解：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=40的薄壁小孔口，水箱底接一直的薄壁小孔口，水箱底接一直径径d 2=30的外管嘴，管嘴长的外管嘴，管嘴长0.11=3m。试求在恒定出流时的水深。试求在恒定出流时的水深H2和水箱出流流量和水箱出流流量Q1，Q2。解：解：5.10 如图所示虹吸管，上下游水池的水位差如图所示虹吸管，上下游水池的水位差2.5m，管长，管长1525m，管径，管径200,沿程阻力系数沿程阻力系数=0.025，入口局部阻，入口局部阻力系数力系数1.0，各弯头局部阻力系数，各弯头局部阻力系数0.2，管顶允许真空度，管顶允许真空度7m，求通过流量及最大允许超高。，求通过流量及最大允许超高。最大允许超高：最大允许超高：5.16 如图已知水泵的功率如图已知水泵的功率25，流量，流量60，水泵的效率，水泵的效率751=82=501=2502=200,=0.025,底阀底阀=4.4，一个弯头，一个弯头=0.2，阀门，阀门=0.5，逆止阀，逆止阀=5.5，水泵的允许真空度，水泵的允许真空度=6m,求：求：1、水泵的安装高度、水泵的安装高度;2、水泵的提水高度、水泵的提水高度.解：解：以水池水面为基准面以水池水面为基准面0 00 0，先对，先对0 00 0及及水泵进口前水泵进口前1 11 1列能量方程：列能量方程：仍以水池水面为基准面仍以水池水面为基准面0 00 0，对，对0 00 0及及水塔水面水塔水面2 22 2列能量方程：列能量方程：谢谢观赏谢谢观赏