流体力学泵与风机-第5章

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章 孔口管嘴管路流动,5.1 孔口自由出流,5.2 孔口淹没出流,5.3 管嘴出流,5.4 简单管路,5.5 管路的串联与并联,5.6 管网计算基础,5.7 有压管中的水击,一、概念,孔口,小孔口,大孔口,管嘴,5.1 孔口自由出流,(厚壁孔口),共同点,： （1）,存在收缩断面(约,d,/2,处,)；（2）只计局部损失,出流的分类,自由出流,:,淹没出流,:,液体流入大气,液体流入液体空间,二、薄壁小孔口恒定自由出流计算,孔口面积,:,A,收缩断面面积,:,A,c,容器面积,:,A,1,A,对截面,A-A,和,收缩断面,C-C,列总流能量方程,定义：,H,0,称为作用水头,自由出流时：,定义,流速系数,：,流量：,收缩系数,流量系数,三、孔口位置的影响,表征孔口出流性能的系数,:,（1,）收缩系数,全部收缩,完善收缩,非完善收缩,如：孔口,a,如：孔口,b,部分收缩,只有部分周界收缩,如：孔口,c、d,所有周界都收缩,收缩系数,流速系数,流量系数,非全部收缩流量系数经验公式:,式,中,-,全部收缩时孔口流量系数,S,-,未收缩部分周长,X,-,孔口全部周长,C,-,系数,圆孔取0.13, 方孔取0.15,非完善收缩流量系数经验公式：,式,中,-,全部收缩时孔口流量系数,A,-,孔口面积,A,0,-,孔口所在壁的全部面积,注意：上式仅适用于壁面中心位置的非完善收缩孔，局限性大。,四、薄壁孔口非定常出流(补充内容,),孔口面积远小于容器截面面积时，液体的升降或压强的变化缓慢，可按准定常流处理。,等截面容器,令,H,2,=0,得容器放空时间,V,-,容器放空的体积,Q,max,-,开始出流时的最大流量,1,1,v,1,O,O,v,C,C,C,H,H,1,H,2,2,2,5.2 孔口淹没出流,对截面,1,-1,和收缩断面,2,-2,列总流能量方程,定义：,H,0,称为作用水头,一、淹没出流计算,流量：,收缩系数,流速系数,流量系数,淹没出流和自由出流比较,（1）计算公式一样，各项系数值相同，但要注意,，,流速系数含义不同,；,淹没出流,自由出流,（2）公式中作用水头不一样：,自由出流,淹没出流,若,H,0,H,若容器也是封闭的,若 ，,液面相对压强为,p,0,二、几种工况,1、压力容器淹没出流,流量：,2、气体淹没出流,流量：,三、应用-孔板流量计,流量：,值见图,5-6,问题,:,孔板流量计不是水平放置呢?,答案,:,用测压管水头差代入计算,5.3 管嘴出流,问题: 如果在,孔口外连接,一段,l,=(34),d,的短管,，,称为管嘴，,H,、,d,都一样，问过流能力是增加还是减少了？,1、与孔口出流的不同,:,在管嘴内流束先收缩,形成,收缩断面,CC,，,而后流束逐渐扩,展,充满整个管嘴出流。,在,收缩断面,CC,前后，流股,与管壁,脱离,，形成漩涡区，并产,生负压，出现了管嘴的真空现象，,促使出流流量增大,一、圆柱形外 管嘴出流,2、出流计算,对截面,A-A,和,B-B,列总流伯努利（能量）方程,定义：,H,0,称为作用水头,流速：,流量：,锐缘,进口阻力系数作为管嘴阻力系数,相当于一般锐缘管,道进口的局部损失,具体到图5-8的条件，,z,A,-,z,B,=,H,，,p,A,=,p,B,=,p,a,，,v,A,0,故,H,0,=,H,3、收缩断面的真空,H,O,O,A,A,v,C,B,B,d,l,C,C,列收缩断面,C,-,C,和出口断面,B,-,B,的能量方程,突扩损失,由连续方程得,代入上式得,表明在收缩断面的,真空度是作用水头的,75%,，,管嘴的作用相当于将孔口自由出流的作用水头增大了75%，从而管嘴流量大为增加。,4、圆柱外管嘴的正常工作条件,作用水头,H,0,越大，收缩断面真空度也越大。,当收缩断面真空度超过7,m,水柱时，空气将会从管嘴出口断面被“,吸入,”，使收缩断面真空被破坏，管嘴不能保持满管出流。,由公式,1、作用水头,2,、管嘴长度,l,=(34)d,圆柱形外管嘴,正常工作条件,?,管嘴,长度太长，会由于沿程阻力使流量减少，太短不能形成满流出流，则如孔口出流。故,l,=(34)d,二、其它类型管嘴出流,3、扩张圆锥形管嘴(图,c,),2、收缩圆锥形管嘴(图,b,),1、流线性管嘴(图,a,),流速系数,流量系数,0.,97,0.,963,0.,420.45,0.,97,0.,943,0.,420.45,差别在,、,值,作业：5-2，3,(,1),(,2),(,3),(,4),(,5),管路的种类,:,简单管路,串联管路,并联管路,枝状管路,简单管路,5.4 简单管路,管道直径和管壁粗糙度均相同的一根管子或这样的数根管子串联在一起的管道系统。,环状管路,(2)-(5)属复杂管道,三类计算问题,（,1,）已知,Q,、,l,、,d,、,、,K/d,，,求,h,f,；,（,2,）已知,h,f,、,l,、,d,、,、,K/d,，,求,Q,；,（3,）已知,h,f,、,Q,、,l,、,、,K,，,求,d,简单管道的水力计算是其它复杂管道水力计算的基础。,计算基本公式,连续方程,能量方程,(,1)、(2)属,校核计算，,(3),设计计算,水头损失,第一类问题的计算步骤,（,1,）已知,Q,、,l,、,d,、,、,K/d,，,求,h,f,Q,、,l,、,d,、,计算,Re,由,Re、,K/d,查莫迪图得,计算,h,f,第二类问题的计算步骤,（,2,）已知,h,f,、,l,、,d,、,、,K/d,，,求,Q,；,假设,由,h,f,计算,v,、,Re,由,Re、,K/d,查莫迪图得,New,校核,New,= ,New,N,Y,由,v,、,d,计算,Q,初始可假设,为粗糙区数值,第三类问题的计算步骤,（3,）已知,h,f,、,Q,、,l,、,、,K,，,求,d。,h,f,Q l,K/,d,计算,与,d,的函数曲线,假设,校核,New,= ,New,N,Y,计算,d,结束,由,Re、,K/d,查莫迪图得,New,求,d,、,v,具体计算,1、水平管道,如图,5-11(,b),图5-11(,b),出口局部阻力系数,=1，若将1作为,包括到,中去，则,阻力平方区，,S,H,S,p,是,常数,(,1),S,H,S,p,综合反映了管路的沿程阻力和局部阻力情况,称为管路阻抗,(2)简单管路中，总阻力损失与体积流量平方成正比(阻力平方区),例5-5 某矿渣混凝土板风道，断面积为1,m1.2m，,长为50,m，,局部阻力系数 ，流量为14,m,3,/s，,空气温度为20,C，,求压强损失。,属第一类问题,解：分析，求能量损失需知阻抗，即阻力系数，求摩阻系数,需要,Re,和相对粗糙度条件。,（,1）矿渣混凝土板,K,=1.5mm， 20,C,空气的运动粘滞系数,流速,当量直径,雷诺数,当量粗糙度,查莫迪图得,（2）计算阻抗，求损失,阻抗,压强损失,2、有能量输入管道,如图,5-12,列,1-1、2-2断面能量方程,如,略去液面速度头，输入水头为：,流动不仅要克服流动阻力，还要,提供位置水头和压强水头使流入,高位压力水箱中,3、虹吸管,如图,5-13,是指,管道中一部分高出上游供水液面的简单管路,（1）特点：存在真空区段,（2）工作要求：控制真空高度，避免汽化，,h,v,=78.5m,分析计算,列,1-1、2-2断面能量方程,虹吸管流量计算公式,针对图5-13情况，,p,1,=,p,2,=,p,a,v,1,=,v,2,=0,H,0,=,H,l,=,l,1,+,l,2,进口阻力系数,转弯阻力系数,出口阻力系数,求最大真空高度。,列,1-1、,C-C,断面能量方程,最大安装高度,例5-6 给出图5-13的具体数值如下：,H,=2m,l,1,=15m,l,2,=20m,d,=200mm, ，,h,v,=7m，,求通过虹吸管流量及管顶最大允许安装高度,解：虹吸管流量为,最大安装高度为,作业：5-14,15,5.5 管路的串联与并联,任何复杂管道均是由简单管道经串联、并联组合而成,一、串联管路,由不同简单管道连接在一起的管道。,串联管路特征,1.,各管段的流量相等,2.,总损失等于各段管 道中损失之和,节点:管段相接之点,复杂串联管道,特点：,Q=c,损失,：,两类计算问题,A,B,H,2,1,（1,）已知串联管道的流量,Q,，,求总水头,H,；,（,2,）已知总水头,H,，,求串联管道的流量,Q,。,二、并联管路,由几条简单管道或串联管道，入口端与出口端分别连接在一起的管道系统。,并联管路特征,1.,总流量是各分管段流量之和。,2.,并联管道的损失等于各分管道的损失。,:,:,:,:,- 并联管路流量分配规律,两类计算问题,A,Q,Q,1,d,1,h,l,1,Q,2,d,2,h,l,2,Q,3,d,3,h,l,3,B,Q,（1,）已知,A,点和,B,点的静水头线高度（即测压管水头,z+p/,)，,求总流量,Q,；,（,2,）已知总流量,Q,，,求各分管道中的流量及能量损失。,例1 有一串联管道，如图。已知,H,=5m，,d,1,=100mm，,l,1,=10m，,d,2,=200mm，,l,2,=20m，,若沿程阻力系数,1,=,2,=0.02，,试求通过该管道的流量为多少？,a,a,H=,5m,2,d,1,l,1,d,2,l,2,2,Q,解 列,a-a,和,2-2,的伯努利(能量)方程,因对串联管道有,Q =Q,1,=Q,2,v,2,=,v,1,(,d,1,/,d,2,),2,故,代入数据计算结果,通过管道的流量,例 2 有一并联管道如图，若已知,Q=300m,3,/h，d,1,=100mm，,l,1,=40m，d,2,=50mm，,l,2,=30m，d,3,=150mm，,l,3,=50m，,1,=,2,=,3,=0.03。,试求各支管中的流量,Q,1,、Q,2,、Q,3,及并联管道中的水头损失,。,解 根据并联管道的流动规律,Q=Q,1,+Q,2,+Q,3,h,f1,=h,f2,=h,f3,因此有,d,1,、,l,1、,1、,Q,1,d,2,、,l,2、,2、,Q,2,d,3,、,l,3、,3、,Q,3,Q,Q,a,b,将已知数据代入,并联管道的水头损失,作业：5-16,20,21,管网:由简单管路、串联、并联管路组合而成，分为枝状管网和环状管网两种,5.6 管网计算基础,一、枝状管网,如图，各不相同的出口管段在不同位置分流，形状如树枝。,根据串并联计算原则,得图中风机压头,风机风量,分支管道特征,流入汇合点的流量等于自汇合点流出的流量。,计算问题,已知管道的尺寸、粗糙度和流体性质，求通过各管道的流量。,2,1,3,J,z,2,z,1,z,3,设,J,点的,H,p,(,z,J,+,p,J,/,),为参量,/,求,Q,1,、,Q,2,和,Q,3,应满足连续方程,or,Q,1,+,Q,2,=,Q,3,求出,H,p,Q,1,=,Q,2,+,Q,3,计算出,Q,1,、,Q,2,和,Q,3,二、环状管网,如图，通过多路系统相互连接组成一些环形回路，而节点的流量来自几个回路的管道。,1、管网特征,（1）流入结点的流量等于流出结点的流量，即任一结点处流量的代数和等于零。（流入流量为正，流出流量为负）,（2）在任一环路中，由某一结点沿两个方向到另一个结点的能量损失相等，即任一环路能量损失的代数和等于零。 （顺流能量损失为正，逆流能量损失为负）,2、计算问题,已知管道的尺寸、粗糙度和流体性质，求通过各管道的流量。,预选各管道流体的流动方向和流量,计算各管道的能量损失,N,结束计算,引入修正流量,Q,，,各管道修正流量,Y,迭代,计算，相当繁琐,哈迪,克罗斯的计算方法(程序),2,作业：5-27，28,一、水击（水锤）,1. 概念：在流体有压管道中，某种原因突然使液流速度发生变化，引起压强大幅度波动的现象，称为水击。,水击压强可达管中正常压强的几十甚至几百倍,5.7 有压管中的水击,2. 产生原因,能量守恒观点：能量消耗的过程,动量定理观点：动量转化为冲量的过程,内在原因：液体有惯性和压缩性,外在原因：液流速突然发生变化,3. 水击波的传播过程,以阀门突关为例,1.,压力升高过程,2.,压力恢复过程,3.,压力降低过程,4.,压力恢复过程,水击波的全周期为,4,l/c,二、传播形式,（1）水击波：水击以波的形式传播（压强波）,（2）水击压强：水击时增加的压强（随时间变化）,（3）相长：,T,=2,l,/,c,水击波往返一次的时间,（4）水击波(,压强波,)的传播速度,c,式中,K ,流体的体积模量,E ,管壁的弹性模量, ,管壁厚度,d ,管壁内径, ,流体密度,例：管壁无弹性，,E,三、直接水击与间接水击,1、直接水击,:,阀门关闭的时间,T,s,2,l,/,c,，,阀门处压强将达不到最大的水击压强。,水击压强:,式中,T ,水击波相长，,T,=2,l,/,c,T,s,阀门关闭时间,四、危害与消除,1. 危害：,产生噪声,产生振动（剧烈）,破坏阀门,管道断裂泄漏,管道爆裂,水泵受损,压力表弹性元件塑性变形,2. 消除和防止措施,方 法,原 理,（1）延长阀门的启、闭时间尽量减短管道长度,避免发生直接水击,（2）加大管径，限制流速,降低,p,max,（3）在管道中的阀门前安装溢流阀（液体安全阀）或调压塔,排放超出安全许用的压强脉冲,（4）在管道中的阀门前安装蓄压器，贮气罐等，或在低压管中接一橡胶管段。,吸收水击能量加大管系的弹性，降低,a,值，使,p,max,下降。,消除和防止措施,5.8,气穴和气蚀简介,一、气穴,液体某处的压强降低到低于液体在其温度下的饱和压强时液体开始汽化，产生大量的小气泡，并汇集成校大的气泡，泡内充满着蒸汽和游离气体，这种,由于压强降低而产生气泡的现象为气穴现象,。,二、气蚀,气穴产生的气泡被液体带到下游高压区时，气泡内的整齐迅速凝结，气泡突然溃灭，产生巨大的冲击力，局部温度也急剧上升，固体壁面在这种,局部压强和局部温度的反复作用下发生剥蚀的现象为气蚀。,