第7章孔口管嘴与有压管流课件

(1)孔口出流：孔口出流：在容器壁上开孔，水经孔口流出的水流现象称之为在容器壁上开孔，水经孔口流出的水流现象称之为孔口出流孔口出流(2)管嘴出流：管嘴出流：水经过短管并在其出口断面形成满管出流的水力现水经过短管并在其出口断面形成满管出流的水力现象称之为管嘴出流象称之为管嘴出流(3)有压管流（有压流有压管流（有压流)：输水管、输油管、给水管路等输水管、输油管、给水管路等:复杂管路复杂管路:研究研究:水流现象，水头损失，流量等水流现象，水头损失，流量等第七章第七章 孔口、管嘴与有压管流孔口、管嘴与有压管流7.1 薄壁孔口恒定出流薄壁孔口恒定出流7.2 管嘴恒定出流管嘴恒定出流7.3 孔口（管嘴）的变水头出流孔口（管嘴）的变水头出流7.4 短管的水力计算短管的水力计算7.5 长管的水力计算长管的水力计算7.6 有压管中的水击有压管中的水击图图7-1 孔口自由出流孔口自由出流 图图7-2孔口淹没出流孔口淹没出流 7.1 薄壁孔口恒定出流薄壁孔口恒定出流7.1.1 孔口出流的分类孔口出流的分类1.孔口自由出流与淹没出流孔口自由出流与淹没出流孔口流出的水体直接进入大气中称为孔口自由出流。孔口流出的水体直接进入大气中称为孔口自由出流。孔口淹没在下游水面以下，孔口流出的水体进入另孔口淹没在下游水面以下，孔口流出的水体进入另一部分水体，称为孔口淹没出流。一部分水体，称为孔口淹没出流。2.小孔口出流与大孔口出流小孔口出流与大孔口出流小孔口：小孔口：大孔口：大孔口：要指出的是：孔口淹没出流无大小孔口之分要指出的是：孔口淹没出流无大小孔口之分。3.孔口恒定出流与非恒定出流孔口恒定出流与非恒定出流7.1.2薄壁小孔口恒定自由出流薄壁小孔口恒定自由出流 (1)薄壁孔口出流薄壁孔口出流 如图如图7-1所示，在容器壁上开一孔口，如孔壁与水流仅为所示，在容器壁上开一孔口，如孔壁与水流仅为周线接触，壁的厚度对水流现象没有影响，这种孔口称周线接触，壁的厚度对水流现象没有影响，这种孔口称 为薄壁孔口；若水箱内的水位不变，为薄壁孔口；若水箱内的水位不变，则称为薄，则称为薄壁小孔口的恒定自由出流。壁小孔口的恒定自由出流。（2 2）水流现象）水流现象远离孔口：远离孔口：孔口前：孔口前：孔口断面后：孔口断面后：1/2d1/2d，c-cc-c收缩断面收缩断面,流线彼此平行流线彼此平行收缩断面后：流束开始扩散收缩断面后：流束开始扩散（3）孔口流速、流量计算）孔口流速、流量计算能量方程：能量方程：1-1，c-c,0-0基准面基准面水头损失：水头损失：孔口全水头：孔口全水头：收缩断面平均流速：收缩断面平均流速：孔口流量：孔口流量：收缩系数收缩系数 A孔口的断面面积，孔口的断面面积，Ac收缩断面的面积收缩断面的面积图图7-3孔口收缩断面孔口收缩断面 式中，式中，H0为包含行近流速在内的作用水为包含行近流速在内的作用水头（全水头）；头（全水头）；0为孔口的局部阻力系数；为孔口的局部阻力系数；为流速系数为流速系数（72）式中式中=，为孔口的流量系数为孔口的流量系数,若水箱水体很大，若水箱水体很大，V00，H0 H，式（，式（7-2）可写为）可写为（73）式（式（7-2）和（）和（7-3）为薄壁小孔口的恒定自由出流）为薄壁小孔口的恒定自由出流的计算公式。的计算公式。（4）流量系数的影响因素）流量系数的影响因素（1）水流条件水流条件（2）孔口的形状孔口的形状（3）孔口位置）孔口位置完善收缩完善收缩 l 3a，l 3b非完善收缩非完善收缩l 3a或或l 3b 部分收缩：孔口与相邻侧壁重合部分收缩：孔口与相邻侧壁重合7.1.3 薄壁小孔口恒定淹没出流薄壁小孔口恒定淹没出流 孔口淹没出流：孔口淹没在下游水面，流出水孔口淹没出流：孔口淹没在下游水面，流出水体直接进入另一部分水体，如图。体直接进入另一部分水体，如图。水流现象水流现象 流速、流量推导流速、流量推导孔口自由出流与淹没出流的比较：孔口自由出流与淹没出流的比较：孔板流量计孔板流量计:流速公式流速公式 （74）流量公式流量公式 （75）流量系数流量系数当上下游水体较大时，当上下游水体较大时，H即上下游水位差。式（即上下游水位差。式（7-5）可写：）可写：（76）7.2 管嘴恒定出流管嘴恒定出流7.2.1 圆柱形外延管嘴恒定出流圆柱形外延管嘴恒定出流7.2.2 圆柱形外延管嘴的真空压强圆柱形外延管嘴的真空压强圆柱形外延管嘴的真空压强为：圆柱形外延管嘴的真空压强为：上式表明，圆柱形外延管嘴的真空压强可达作用水头的上式表明，圆柱形外延管嘴的真空压强可达作用水头的75%，相当于收缩断面处作用水头增加了，相当于收缩断面处作用水头增加了0.75倍，这就是倍，这就是同等条件下管嘴比孔口出流流量增大的原因。同等条件下管嘴比孔口出流流量增大的原因。7.2.3 外延管嘴的工作条件外延管嘴的工作条件（1）作用水头：）作用水头：H09m（水柱）（水柱）（2）管嘴长度：）管嘴长度：l=（34）d管嘴出流管嘴出流水流现象：水流现象：水流进入管嘴后形成收缩断面水流进入管嘴后形成收缩断面流量公式流量公式圆柱形外管嘴圆柱形外管嘴圆柱形内管嘴圆柱形内管嘴圆锥形收缩管嘴圆锥形收缩管嘴圆锥形扩散管嘴圆锥形扩散管嘴流线型管嘴流线型管嘴7.2.4 其他形式的管嘴其他形式的管嘴7.3 孔口（管嘴）的变水头出流孔口（管嘴）的变水头出流放空时间：放空时间：1 1、概念、概念2 2、思路、思路7.4 短管的水力计算短管的水力计算短管与长管的概念：短管与长管的概念：n短管：所谓短管是指管路的水头损失中，局部水头损失短管：所谓短管是指管路的水头损失中，局部水头损失与沿程水头损失以及流速水头都占有相当比重，进行水与沿程水头损失以及流速水头都占有相当比重，进行水力计算时都不可忽略的管路力计算时都不可忽略的管路 。n长管：长管是指管路的水头损失中，长管：长管是指管路的水头损失中，沿程水头损失占绝沿程水头损失占绝对比重对比重，进行水力计算时可略去局部水头损失和流速水，进行水力计算时可略去局部水头损失和流速水头的管路头的管路 。7.4.1 短管自由出流短管自由出流（一）测压管水头线与总水头线的画法（一）测压管水头线与总水头线的画法 （1 1）总水头线沿程总是下降的。）总水头线沿程总是下降的。（2）测压管水头线总是在总水头线的下方。）测压管水头线总是在总水头线的下方。（3）测压管水头线沿程可升可降。）测压管水头线沿程可升可降。规律规律：（二）流量的计算：（二）流量的计算：推导：列推导：列1-1和和2-2断面能量方程，基准面断面能量方程，基准面（不计行近流速）（不计行近流速）管路系流量系数管路系流量系数7.4.2 短管淹没出流短管淹没出流流量公式：流量公式：自由出流与淹没出流比较：自由出流与淹没出流比较：流量公式：流量公式：流量系数：流量系数：结论结论：（1）管路系统相同、作用水头相同，自由出流与淹管路系统相同、作用水头相同，自由出流与淹没出流流量相等。没出流流量相等。（2）不同点：自由出流，）不同点：自由出流，H为出口距上游水面的为出口距上游水面的高差；而淹没出流，高差；而淹没出流，H为上下游水面的高差。为上下游水面的高差。7.4.3 短管水力计算的类型短管水力计算的类型（1）已知作用水头、管的长度、管径、管材以及）已知作用水头、管的长度、管径、管材以及管路布置，确定流量。管路布置，确定流量。（2）已知流量、管的长度、管径、管材以及管路布）已知流量、管的长度、管径、管材以及管路布置，确定作用水头。置，确定作用水头。（3）已知作用水头、流量、管的长度、管材以及）已知作用水头、流量、管的长度、管材以及管路布置，确定管径管路布置，确定管径1.虹吸管的水力计算虹吸管的水力计算虹吸管：压力输水管，顶部高于上游水面虹吸管：压力输水管，顶部高于上游水面原理：真空，压差原理：真空，压差注意点：顶部真空压强理论上小于注意点：顶部真空压强理论上小于10m水柱，实际水柱，实际 一般一般7-8m。汽化，破坏连续性，甚至汽蚀，破坏。汽化，破坏连续性，甚至汽蚀，破坏。计算：过流能力，最大真空压强（位置），安装高度等。计算：过流能力，最大真空压强（位置），安装高度等。优点：跨越高地，减少挖量。优点：跨越高地，减少挖量。例例7-1（1）输水能力？）输水能力？（2）虹吸管最大允许真空压强？）虹吸管最大允许真空压强？（3），虹吸管最大安装高度合理，虹吸管最大安装高度合理？2 水泵装置的水力计算水泵装置的水力计算离心水泵构造：离心水泵构造：原理：进水口，真空，吸水；原理：进水口，真空，吸水；经水泵获能量；压经水泵获能量；压水管水管水力计算：水力计算：吸水管：短管吸水管：短管压水管：短管或长管压水管：短管或长管（1）流量（校核供水能力，选水泵型号）流量（校核供水能力，选水泵型号）（2）扬程，扬程可表示为）扬程，扬程可表示为式中，式中，H为总扬程，为总扬程，Zg为提升水的几何高度，为提升水的几何高度，h为管路系统的水头损失为管路系统的水头损失（3）水泵的安装高度（控制真空压强在允许范围）水泵的安装高度（控制真空压强在允许范围）例例7-23 倒虹吸管的水力计算倒虹吸管的水力计算例例7-3已知流量，两水面高差，确定管径？已知流量，两水面高差，确定管径？解：列能量方程解：列能量方程代入数据：代入数据：试算得直径试算得直径d。7.5 长管的水力计算长管的水力计算7.5.1 简单管路简单管路列能量方程：略局部水头损失和流速水头列能量方程：略局部水头损失和流速水头作用水头完全用来克服沿程水头损失。作用水头完全用来克服沿程水头损失。比阻比阻比阻法比阻法:在水力计算时在水力计算时,比阻在不同流态、流区有不同的值。比阻在不同流态、流区有不同的值。K为流量模数，具有流量的量纲，与比阻的关系是为流量模数，具有流量的量纲，与比阻的关系是 比阻的常用计算公式比阻的常用计算公式：（1）通用公式）通用公式 也可查表也可查表p180（2）专用公式）专用公式水力计算类型：水力计算类型：确定流量、作用水头、管径确定流量、作用水头、管径适用于明渠均匀流适用于明渠均匀流7.5.2 串联管路的水力计算串联管路的水力计算计算原则计算原则（1）节点流量，流进为正，流出为负，满足连续方程）节点流量，流进为正，流出为负，满足连续方程（2）总的水头损失为各段水头损失之合，即）总的水头损失为各段水头损失之合，即管道长度不是很大，局部损失不能忽略时，应按管道长度不是很大，局部损失不能忽略时，应按短管短管计算计算7.5.3 并联管路的水力计算并联管路的水力计算计算原则计算原则:应用举例应用举例某输水系统，水管糙率某输水系统，水管糙率n=0.013，管长：，管长：l1=500m，l2=700m，l3=350m，l4=300m；管径：；管径：d1=350mm，d2=d3=150mm，d4=200mm，qb=25l/s，Q4=35l/s，水塔处，水塔处地形高地形高 t=104m，管道末端自由水头，管道末端自由水头Hz=8m,求水塔高求水塔高？图 7-17 分叉管路7.5.4 分叉管路的水力计算分叉管路的水力计算计算原则：计算原则：根据连续性条件根据连续性条件,求得：求得：7.5.5 沿程均匀泄流管路沿程均匀泄流管路当当 Q=0 时，时，折算流量：折算流量：思路：微分段思路：微分段dx上可视为上可视为Q不变，作均匀流处理，按长管计算不变，作均匀流处理，按长管计算例例 如如图图所所示示的的由由水水塔塔供供水水的的管管路路，有有三三段段铸铸铁铁管管段段组组成成，其其中中第第二二段段为为沿沿程程均均匀匀泄泄流流管管段段，已已知知铸铸铁铁管管糙糙率率n=0.012，管管 长长 管管 分分 别别 为为：l1=450m，d1=250mm；l2=200m，d2=200mm；l3=300m，d3=150mm，节节点点流流量量q1=0.015m3/s;途途泄泄流流量量q=0.0001m3/s;管管路路末末端端量量 Q3=0.02m3/s，求需要的水塔高度，求需要的水塔高度H?图图7-20 7-20 水击现象示意图水击现象示意图 7.6 有压管中的水击有压管中的水击7.6.1 水击现象水击现象1.水击现象水击现象在有压管中在有压管中,因某种原因因某种原因(水电站甩负荷、水泵运行水电站甩负荷、水泵运行时突然关闭）时水流流速突然变化产生压强急剧变时突然关闭）时水流流速突然变化产生压强急剧变化，交替升降，压强交替变化如同用锤子击打管壁，化，交替升降，压强交替变化如同用锤子击打管壁，称为水击。称为水击。2.水击产生的原因水击产生的原因水击产生的原因是，存在引起管道水击产生的原因是，存在引起管道水流速度突然改水流速度突然改变变的外部条件，水流本身具有的外部条件，水流本身具有惯性和可压缩性惯性和可压缩性的内的内在因素。在因素。图图7-21 水击的传播过程图水击的传播过程图 3.水击传播过程水击传播过程(1)流体被压缩、管道膨胀流体被压缩、管道膨胀水击波水击波C向左传播向左传播(2)流体恢复原状、管道恢复原状流体恢复原状、管道恢复原状水击波水击波C向左传播向左传播(3)流体膨胀、管道被压缩流体膨胀、管道被压缩水击波水击波C向左传播向左传播(4)流体恢复原状、管道恢复原状流体恢复原状、管道恢复原状水击波水击波C向右传播向右传播4.直接水击与间接水击直接水击与间接水击 阀门关闭时间阀门关闭时间 产生的水击称为直接水击产生的水击称为直接水击阀门关闭时间阀门关闭时间 产生的水击称为间接水击产生的水击称为间接水击5.水击波的传播速度水击波的传播速度当水击发生时，流体被压缩，管壁膨胀，考虑水当水击发生时，流体被压缩，管壁膨胀，考虑水的可压缩性和管壁的弹性变形，应用连续性方程的可压缩性和管壁的弹性变形，应用连续性方程可以推导出水击波的传播速度为：可以推导出水击波的传播速度为：7.6.2 水击压强计算水击压强计算水击压强计算公式为：水击压强计算公式为：或写为：或写为：当阀门突然完全关闭，当阀门突然完全关闭，v=0，则水击压强的计算公式为，则水击压强的计算公式为或写为：或写为：对于间接水击，由于存在正水击波和反射波的相互作用，对于间接水击，由于存在正水击波和反射波的相互作用，计算比较复杂，间接水击压强可近似用下式计算计算比较复杂，间接水击压强可近似用下式计算7.6.3 水击危害的预防措施水击危害的预防措施（1）停泵水击。）停泵水击。严格操作规程。在需要停泵之前，先关闭出口阀门，严格操作规程。在需要停泵之前，先关闭出口阀门，实行闭阀停车。为防止突然断电造成事故，可在压水实行闭阀停车。为防止突然断电造成事故，可在压水管安装水击消除阀或回止阀。管安装水击消除阀或回止阀。在压力管道适当部位，修建调压室在压力管道适当部位，修建调压室 （2）水电站压力管道水击）水电站压力管道水击 管网水力计算基础管网水力计算基础枝状管网枝状管网:环状管网环状管网:概念概念:经济流速经济流速水塔低：管径大，管材费用高，运营费（电）低。水塔低：管径大，管材费用高，运营费（电）低。水塔高：管径小，管材费用低，运营费水塔高：管径小，管材费用低，运营费（电）（电）高高。进行经济比较进行经济比较:水塔建设费水塔建设费+管材费管材费+泵站造价泵站造价 +运营费用运营费用+施工费施工费=总建设费总建设费结合技术资料结合技术资料,一般情况，先进行初设估算一般情况，先进行初设估算 经济流速经济流速 当直径当直径 当直径当直径1.1.枝状管网计算原则枝状管网计算原则(1)(1)新建工程新建工程条件条件:已知地形、管长、管材、用户位置、用水量、已知地形、管长、管材、用户位置、用水量、自由水头（服务水头）自由水头（服务水头）未知量：水塔高、管径、水泵扬程？未知量：水塔高、管径、水泵扬程？计算思路：计算思路：（1）求各管段流量）求各管段流量Q 从各管末端向水塔方向推求从各管末端向水塔方向推求（2）确定管径）确定管径 选用经济流速选用经济流速（3）并计算各管段水头损失并计算各管段水头损失（4）计算从水塔到控制点水头损失，确定水塔高度）计算从水塔到控制点水头损失，确定水塔高度控制点控制点为管网中水塔到该点水头损失、地形标高、自由为管网中水塔到该点水头损失、地形标高、自由水头三者之和最大值的点水头三者之和最大值的点 干管干管（2 2）扩建工程）扩建工程条件条件:水塔高度或干管节点压头已知水塔高度或干管节点压头已知,即即 已经确定，设计管线管径。已经确定，设计管线管径。因为水塔高度已定，若用经济流速确定管径因为水塔高度已定，若用经济流速确定管径,往往达不到供水往往达不到供水要求。要求。计算原则：充分利用已有的作用水头。通过已知的计算原则：充分利用已有的作用水头。通过已知的H、Q、l等确定等确定d。计算步骤：计算步骤：（1）计算该管路的平均水力坡度计算该管路的平均水力坡度（2）根据求出）根据求出S0，查表，确定，查表，确定d例：例：一枝状管网，自水塔一枝状管网，自水塔0向各用水点供水。向各用水点供水。采用铸铁管，各管段的管长列于下表。已采用铸铁管，各管段的管长列于下表。已知水塔处地面标高、知水塔处地面标高、4和和7点处的地面标高点处的地面标高均为均为70.0m，4和和7点处要求自由水头点处要求自由水头Hz12m。求各管段的直径、水头损失及水塔。求各管段的直径、水头损失及水塔的高度。的高度。2 环状管网环状管网 由多条管段相互连接成闭合形状由多条管段相互连接成闭合形状已知：管网布置，各管段长度已知：管网布置，各管段长度l l，各节点流出流量各节点流出流量Q Q确定：各管段的确定：各管段的Q Q和和d d，从而确定，从而确定水塔高度水塔高度规律规律:管段数管段数 ng，节点数，节点数 nk，环数环数np ng=nk+np-1未知数共未知数共2ng个个计算原则计算原则（1 1）水流的连续性原理水流的连续性原理 各节点各节点 （2 2）对于任一闭合的回路，由某一节）对于任一闭合的回路，由某一节点沿两个方向至另一节点的水头损失应相等点沿两个方向至另一节点的水头损失应相等 每一环每一环求解方法：（求解方法：（1 1）解各管段方程法）解各管段方程法 （2 2）解节点方程）解节点方程法法 （3 3）解环方程法）解环方程法解环方程法解环方程法 求解步骤：求解步骤：（1 1）根据用水情况，拟定各管段的水流方向。按每一节点）根据用水情况，拟定各管段的水流方向。按每一节点均符合均符合Q Qi i0 0的条件分配流量的条件分配流量 （2 2）按选用的经济流速和通过流量，求管径，并按此计算）按选用的经济流速和通过流量，求管径，并按此计算值选接近的标准管径。值选接近的标准管径。（3 3）计算各段水头损失，求各环闭合差。计算各段水头损失，求各环闭合差。（4）求各环校正流量）求各环校正流量 当初拟流量不满足闭合条件时，各环路加入校正当初拟流量不满足闭合条件时，各环路加入校正流量流量 ，则，则各管段展开，并略去高阶微量：各管段展开，并略去高阶微量：即即加入校正流量后，期望满足闭合条件，则加入校正流量后，期望满足闭合条件，则（5）加入校正流量后，计算各管段水头损失，求闭合加入校正流量后，计算各管段水头损失，求闭合差，直至水头损失闭合差满足要求。差，直至水头损失闭合差满足要求。管网平差工作管网平差工作（6）平差结束后，可求水塔高度平差结束后，可求水塔高度举例举例水平布置的两环管网，已知用水量水平布置的两环管网，已知用水量 ，。各管段均为铸铁管，长度及管径列表。各管段均为铸铁管，长度及管径列表如下，求各管段的流量（闭合差小于如下，求各管段的流量（闭合差小于0.5m）。）。环号环号管段管段长度长度（m)直径直径(mm)1 2-5 5-3 3-222021090200200150 21-22-33-44-12709080260200150200250解解:(1)(1)初拟各管段流量初拟各管段流量(2(2）计算各段水头损失，求闭合差。）计算各段水头损失，求闭合差。（3 3）加入校正流量，调整分配流量。）加入校正流量，调整分配流量。列表计算列表计算 环环号号管管段段初次分初次分配流量配流量各管段校各管段校正流量正流量二次分二次分配流量配流量最终分最终分配流量配流量12-55-33-2+30-24-6+1.84-1.17-0.17+0.50.06130.04880.02830.1380-1.81-1.81-1.813.75-1.8128.19-25.81-4.061.64-1.34-0.08+0.22-0.84727.34-26.66-4.2021-22-33-44-1+30+6-18-50+3.19+0.17-0.26-1.84+1.260.08900.02830.01400.03680.168-3.75-3.75-3.75+1.81-3.75-3.7532.254.06-21.75-53.752.610.08-0.37-2.100.22-0.7131.544.20-22.46-54.46p经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量pStudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe写在最后谢谢你的到来学习并没有结束，希望大家继续努力Learning Is Not Over.I Hope You Will Continue To Work Hard演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日