第五章-孔口管嘴管路流动讲诉课件

第五章第五章 孔口管嘴管路流动孔口管嘴管路流动l第一节 孔口自由出流l第二节 孔口淹没出流l第三节 管嘴出流l第四节 简单管路l第五节 管路的并联与串联l第六节 管网计算基础l第七节 有压管中的水击第一节 孔口自由出流令得其中在容器侧壁或底壁上开一孔口，容器中的液体自孔口出流到大气中，称为孔口自由出流，如图5-1。如出流到充满液体的空间，则称为淹没出流。在图中，C-C断面称为收缩断面。根据能量方程有：H0称为作用水头，是促使出流的全部能量。对于小孔口，可认为H0=H，令 称为速度系数，即为实际流体速度和理想流体速度的比值。定义Ac（收缩断面面积）与A（孔口断面面积）的比值为收缩系数 ，一般在0.620.64。定义 ，称 为流量系数，一般在0.600.62，则上式为孔口自由出流的基本公式。当计算流量 时，根据具体的孔口及出流条件确定 及H0。第一节 孔口自由出流第二节 孔口淹没出流如图5-3的淹没出流，与上节类似，可推出淹没出流流量公式：对比自由出流公式，、相同，只是作用水头H0中速度水头略有不同，自由出流时上游速度水头全部转化为作用水头，而淹没出流时，仅上下游速度水头之差转化为作用水头。气体出流一般为淹没出流，流量计算公式与上式类似，但用压强差代替水头差：如同H0，是促使出流的全部能量，即气体管路中装有一薄壁孔口的隔板（如图5-5），此时通过孔口的出流是淹没出流，因为流量、管径在给定条件下不变，所以测压断面上 。故应用上式得在管道中装设如上所说孔板，测得孔板前后渐变断面的压差，就可以求管中流量，这种装置叫孔板流量计。第二节 孔口淹没出流例5-1有一孔板流量计，测得 =490Pa，管道直径为D=200mm，孔板直径为d80mm,试求水管中流量QV。解（1）此题为液体淹没出流，用流量计算公式求QV，式中此时H1=H2，v1=v2，有（2）d/D=0.4，若认为流动处在阻力平方区，与Re无关，查课本图5-6，得 =0.61。（3）=0.003033m3/s第二节 孔口淹没出流第三节 管嘴出流则由上式得令l圆柱形外管嘴出流当圆孔壁厚 等于34d时,或者在孔口处外接一段长l=34d的圆管时(如图5-8)，此时的出流称为圆柱形外管嘴出流，外接短管称为管嘴。管嘴出流也有收缩断面，其流量计算公式推导为：所以由于出口断面B-B流股完全充满（不同于孔口），=1，则 在图5-8中 ，vA对比vB可忽略，于是H0=H，流量则为管嘴真空现象及值，可通过收缩断面C-C与出口断面B-B建立能量方程得到证明。真空值为：第三节 管嘴出流l其他类型管嘴出流对于其他类型管嘴，流速、流量就算公式与圆柱形外管嘴公式形式相同，但速度系数、流量系数各有不同：（1）流线形管嘴，如图5-9（a），=0.97适用于要求流量大，水头损失小，出口断面上速度均匀分布的情况。（2）收缩圆锥形管嘴，如图5-9（b），出流与收缩角度 有关，=0.963，=0.943,为最大值。适用于要求加大喷射速度的场合。如消防水枪。（3）扩大圆锥形管嘴，如图5-9（c），当 =57时，=0.420.50。用于要求 将部分动能恢复为压能的情况如引射器的扩散管。第三节 管嘴出流例5-4液体从封闭的立式容器中经管嘴流入开口水池（图5-10），管嘴直径d=8cm，h=3m，要求流量为510-2m3/s。试求作用于容器内液面上的压强为多少？解按管嘴出流流量公式求作用水头H0，有取 =0.82，则在图5-10所给条件下，忽略上下游液面速度，则于是解出：第三节 管嘴出流第四节 简单管路所谓简单管路就是具有相同管径d，相同流量Q的管段，它是组成各种复杂管路的基本单元。如图5-11（b）所示。当忽略自由液面速度，且出流流至大气时：因出口局部阻力系数 =1，若将1作为 包括到 中去，则上式为即：用 代入上式得令对于图对于图5-11（a）所示风机带动）所示风机带动的气体管路，上式仍适用，气的气体管路，上式仍适用，气体常用压强表示，于是体常用压强表示，于是 两式所表示的规律为：简单管路中，两式所表示的规律为：简单管路中，总阻力损失与体积流量平方成正比。总阻力损失与体积流量平方成正比。这一规律在管路计算中广泛应用。这一规律在管路计算中广泛应用。则则令第四节 简单管路例5-5某矿渣混凝土板风道，断面面积为1m1.2m，长为50m，局部阻力系数 =2.5，流量为14m3/s，空气温度20，求压强损失。解（1）矿渣混凝土板K=1.5mm,20 空气的运动黏度 =15.710-6m2/s，对矩形风道计算阻力损失应用当量管径de求风道流动速度v求雷诺数Re第四节 简单管路然后应用莫迪图查得 =0.021（2）计算Sp值因为第四节 简单管路则对矩形管道其第四节 简单管路必须注意上面两个公式是在图5-11具体条件下导出的，得到水池水位H及风机风压p全部用来克服流动阻力，但对于图5-12，应用能量方程：略去液面速度水头，输出水头为上式说明水泵水头（又称扬程），不仅用来克服流动阻力，还用来提高液体的位置水头、压强水头，使之流到高位压力水箱中。第四节 简单管路虹吸管为管道中一部分高出上游供水液面的简单管路如图5-13，正因为虹吸管的这种结构，必然在虹吸管中存在真空区段。当真空达到某一限值时，将使溶解在水中的空气分离出来，随真空度的加大，空气量增加。大量气体集结在虹吸管顶部，缩小了有效过流断面阻碍流动。严重时造成气塞，破坏液体连续输送。为保证虹吸管正常流动，必须限定管中最大真空高度不得超过允许值hv hv=78.5m第四节 简单管路第五节 管路的并联与串联l串联管路串联管路是由许多简单管路首尾相接组合而成，如图5-14所示，串联管路特点：无中途分流或合流，则流量相等，阻力叠加，总管路的阻抗S等于各管段的阻抗加，即l并联管路流体从总管路节点a上分出两根以上的管段，而这些管段同 时又汇集到另一节点b上，在a和b之间的各管段称为并联管路，如图5-15。并联管路的点：并联节点上的总流量为各支管中流量之和；并联各支管上的阻力损失相等。总的阻抗平方根倒数等于各支管阻抗平方根倒数和：并联管路各管段流量之比为：第五节 管路的并联与串联例5-7某两层楼的供暖立管，管段1的直径为20mm，总长为20m，=15。管段2的直径为20mm，总长为10m，=15，管路的 =0.025，干管中的流量QV=110-3m3/s，求QV1和QV2。解从图5-16可知,节点a、b间并联有1,2两管段,由 得计算S1、S2，第五节 管路的并联与串联所以则又因于是得第五节 管路的并联与串联点而且通过的流量为最大的管道部分。对水点而且通过的流量为最大的管道部分。对水 枝状管网的计算枝状管网的计算 一一.枝状管网枝状管网 由多条串联而成的具有分支结构的管网系统称为枝状管网由多条串联而成的具有分支结构的管网系统称为枝状管网。枝状管网节省材料、造价低，但供水的可靠性差。枝状管网节省材料、造价低，但供水的可靠性差。主要为以干管为主确主要为以干管为主确定作用水头与管径。定作用水头与管径。干管指从水源到最远干管指从水源到最远水源水源头要求最高、通过流量最大的点称为控制点头要求最高、通过流量最大的点称为控制点。于是，从水源到控制点的总水头可为：于是，从水源到控制点的总水头可为：第六节 管网计算基础式中式中 H 为水源的总水头（水塔高度），为水源的总水头（水塔高度），Hs 为控制点的最小为控制点的最小服务水头，服务水头，hf 为干管各段水头损失，为干管各段水头损失，z0 为控制点地形标高，为控制点地形标高，zt 为水塔处地形标高。为水塔处地形标高。对于新建管网，按经济流速对于新建管网，按经济流速 ve 确定管径确定管径于是由于是由 对于扩建管网，由于水源等已固定，无法按经济流速计对于扩建管网，由于水源等已固定，无法按经济流速计得得再通过查表求得管径。再通过查表求得管径。算，因此采用平均水力坡度来计算管径，即算，因此采用平均水力坡度来计算管径，即 然后按上式计算水源的作用水头。然后按上式计算水源的作用水头。D=100-400mm，ve=0.6 1.0 m/sD400mm，ve=1.0 1.4 m/s【例例】枝状管网如图所示。设水塔与管网端点枝状管网如图所示。设水塔与管网端点4、7地形标地形标 高相同，两点的最小服务水头均为高相同，两点的最小服务水头均为 Hs=12m，各管段均为，各管段均为 铸铁管其他已知条件见表，试求各管段的直径、水头铸铁管其他已知条件见表，试求各管段的直径、水头 损失及水塔高度。损失及水塔高度。水塔水塔0123456735L/s20L/s25L/s9L/s10L/s13L/s【解解】先按经济流速计算管径先按经济流速计算管径然后对照规格选取管径并确定在经济流速范围之内。然后对照规格选取管径并确定在经济流速范围之内。根据所取管径查表求得各段比阻，计算水头损失。根据所取管径查表求得各段比阻，计算水头损失。其他管段计算见下表其他管段计算见下表水头损失：水头损失：管段管段管长管长流量流量管径管径流速流速比阻比阻水头损失水头损失3-43500.0252000.809.302.032-33500.0452500.922.832.011-22000.0803500.831.071.376-75000.0131500.7443.03.635-62000.0232000.739.300.981-53000.0322500.652.830.870-14000.1124000.890.231.15hf0-4=2.03+2.01+1.37+1.15=6.56 mhf0-7=3.63+0.98+0.87+1.15=6.63 m点点7为控制点，水塔高度应为为控制点，水塔高度应为 H=6.63+12=18.63 m。二二二二.环状管网环状管网 每个管段均有流量每个管段均有流量 Q 和管径和管径 D 两个未知数，因此整个管网两个未知数，因此整个管网共有未知数共有未知数 2 np=2(nl+nj-1)个。个。1.环状管网水力计算的基本问题环状管网水力计算的基本问题 水源水源ABCDEFGH 计算各管段流量、直径与水头损失。计算各管段流量、直径与水头损失。2.环状管网的未知量环状管网的未知量 环状管网上管段数目环状管网上管段数目 np、环数、环数 nl 以及节点数目以及节点数目 nj 之间存之间存在着如下关系：在着如下关系：np=nl+nj-1。环状管网指多条管段互连成闭合形状的管道系统。环状管网指多条管段互连成闭合形状的管道系统。3.环状管网的计算条件环状管网的计算条件（1）连续性条件，即节点流量平衡条件。若设流入节）连续性条件，即节点流量平衡条件。若设流入节点点的流量为正，流出节点的流量为负，则在每个节点上有的流量为正，流出节点的流量为负，则在每个节点上有点沿两个方向至另一个节点的水头损失相等。在一个环内，点沿两个方向至另一个节点的水头损失相等。在一个环内，根据条件（根据条件（1 1）可列出（）可列出（n nj-1-1）个方程。）个方程。（2）闭合环水头损失条件。根据并联管道两节点间各支）闭合环水头损失条件。根据并联管道两节点间各支若设顺时针水流引起的水头损失为正，逆时针水流引起的水若设顺时针水流引起的水头损失为正，逆时针水流引起的水头损失为负，对于该环则有头损失为负，对于该环则有 根据条件（根据条件（2）可列出）可列出 nl 个方程。个方程。因此，一共可列出（因此，一共可列出（nl+nj-1）个方程。然后根据经济）个方程。然后根据经济流速确定各管段直径，未知数等于方程数，方程可解。流速确定各管段直径，未知数等于方程数，方程可解。管水头损失相等的原则，对于任何一个闭合环，由某一个节管水头损失相等的原则，对于任何一个闭合环，由某一个节 然而，上述情况按代数方程求解非常繁杂，实用上多采用然而，上述情况按代数方程求解非常繁杂，实用上多采用近似解法，即首先根据节点流量平衡初步分配各管段流量，并近似解法，即首先根据节点流量平衡初步分配各管段流量，并 1.初拟流量，计算闭合差；初拟流量，计算闭合差；克罗斯（克罗斯（H.Cross）法：）法：按分配的流量计算管段的水头损失。然后验算每一环的水头损按分配的流量计算管段的水头损失。然后验算每一环的水头损失是否满足条件（失是否满足条件（2）如不满足，调整流量重新分配，直至满足，或如不满足，调整流量重新分配，直至满足，或小于规定值。式中小于规定值。式中 h hf f 称为该环的闭合差，因此环状管网的水称为该环的闭合差，因此环状管网的水力计算又称力计算又称“管网平差管网平差”。2.考虑调整流量，重新计算水头损失，即考虑调整流量，重新计算水头损失，即将上式展开，取前两项，得将上式展开，取前两项，得 4.按环内顺时针流向为正、逆时针流向为负，将校正流按环内顺时针流向为正、逆时针流向为负，将校正流 3.按满足闭合条件计算校正流量，即按满足闭合条件计算校正流量，即因此有因此有量加入第一次分配的流量中进行第二次流量分配，然后重复上量加入第一次分配的流量中进行第二次流量分配，然后重复上 述步骤，直至闭合差满足所要求精度。述步骤，直至闭合差满足所要求精度。【例例】水平两环管网。各管段均为铸铁管，尺寸详见下表。水平两环管网。各管段均为铸铁管，尺寸详见下表。已知两用水点流量分别为已知两用水点流量分别为 Q4=0.032 m3/s 和和 Q5=0.054 m3/s，试求各管段通过的流量（闭合差小于，试求各管段通过的流量（闭合差小于0.5m）。）。水塔水塔0环号环号管段管段管长管长管径管径比阻比阻I2-52202009.305-32102009.303-29015043.0II1-22702009.302-39015043.03-4802009.304-12602502.8312345IIIQ4Q5【解解】（1）初拟流向，分配流量；）初拟流向，分配流量；（2）按分配流量，根据）按分配流量，根据 hfi=ailiQi2 计算各段水头损失；计算各段水头损失；（3）计算环路闭合差；）计算环路闭合差；（4）调整分配流量，重新计算水头损失。）调整分配流量，重新计算水头损失。环环号号管管 段段初分初分流量流量 hfihfi/QiQ校正流量校正流量二分二分流量流量hfiI2-5+0.030+1.8461.3-0.002-0.002+0.028+1.605-3-0.024-1.1246.7-0.002-0.026-1.323-2-0.006-0.1423.3+0.004-0.002-0.004-0.06和和+0.58131.3+0.22II1-2+0.036+3.2590.3-0.004-0.004+0.032+2.572-3+0.006+0.1423.3-0.004+0.002+0.004+0.063-4-0.018-0.2413.3-0.004-0.022-0.364-1-0.050-1.8436.8-0.004-0.054-2.15和和+1.31163.7+0.12第七节 有压管中的水击