有压的恒定流

主要内容主要内容有压管的定义及其分类有压管的定义及其分类简单管道水力计算的基本公式简单管道水力计算的基本公式简单管道水力计算的基本类型简单管道水力计算的基本类型串联管道的水力计算串联管道的水力计算并联管道的水力计算并联管道的水力计算分叉管道的水力计算分叉管道的水力计算4.1 有压管的定义及其分类有压管的定义及其分类 管道的整个横断面都充满了液体，管内不管道的整个横断面都充满了液体，管内不存在自由表面，管道周界上的各点均受到液体存在自由表面，管道周界上的各点均受到液体压强的作用，这种管就叫有压管。压强的作用，这种管就叫有压管。压力钢管压力钢管有压管的工程实例有压管的工程实例引水隧洞引水隧洞虹吸管虹吸管输水管道输水管道有压管的工程实例：有压管的工程实例：水电站的压力钢管水电站的压力钢管有压引水隧洞有压引水隧洞 / 管道管道水库的有压泄洪隧洞水库的有压泄洪隧洞 / 管道管道供水管网供水管网 / 输水管道输水管道输送流体管道（石油、天然气、煤气、输送流体管道（石油、天然气、煤气、 供热、通风）供热、通风）按按2 2类水头损失所占比例分类类水头损失所占比例分类内容之一：计算水头损失内容之一：计算水头损失jfwhhh 长管长管短管短管根据所占比重不同分为根据所占比重不同分为局部水头损局部水头损失失沿程水头损沿程水头损失失长长 管管 以以沿程水头损失沿程水头损失为主为主, 局部水头损失局部水头损失和速度和速度水头在总水头损失中所占的比重很小（水头在总水头损失中所占的比重很小（A v2 0Z0有效作用水头有效作用水头基准面不变基准面不变淹没淹没出流出流( (续续) )gvdlhhhZjfw2)(2210 00221zgzgdlvc 02zgAvAQc 管系流管系流量系数量系数2cQAgzv0 0淹没出流淹没出流( (续续) )210 whz表明表明:在淹没出流情况下，包括行近流在淹没出流情况下，包括行近流速水头的有效作用水头全部消速水头的有效作用水头全部消耗于沿程和局部损失中耗于沿程和局部损失中两种出流比较两种出流比较 自由出流：自由出流： 淹没出流：淹没出流：问题：问题： 1 1）作用水头）作用水头H出口中心至上游水面的出口中心至上游水面的高差高差 2）管系流量系数管系流量系数 dlc111）作用水头）作用水头Z上下游水位差上下游水位差2 2）管系流量系数）管系流量系数 dlc1c (自由自由) )= c ( (淹没淹没) )？ 自由出流自由出流 淹没出流淹没出流 gvdlH2)(220 gvdlz2)(20 多一项多一项gv2222 隐含一项进口局部水头隐含一项进口局部水头损失损失已知已知22,12jvhAg 进口为水池实质上二者管系流量系数是相等的实质上二者管系流量系数是相等的 两种出流比较两种出流比较(续续) 以上的讨论中以上的讨论中 引言：引言：jfwhhh 按短管计算按短管计算现考虑长管的情况现考虑长管的情况 0222gvhj gvdlhhfw22 长管水力计算长管水力计算短管短管:长管长管:gvdlH2)(22 0222gvhj gvdlhHf22 长管水力计算长管水力计算( (续续) )工程中有压管道的水流工程中有压管道的水流 阻力平方区阻力平方区 由谢才公式由谢才公式 RJCv JRACRJACvAQ RACK 流量模数流量模数 KJKQ 其中：其中：K量纲量纲 ？m3/s 与与Q 相同相同, J 无量纲无量纲P171 Table 4-1流量：流量：长管水力计算长管水力计算( (续续) )lhKJKQf lKQhHf22 问题：问题： 长管是以管道的绝对长度来定义的长管是以管道的绝对长度来定义的 ？流量：流量：水头：水头：225%2jfvhhg 长管水力计算长管水力计算( (续续) )2) 当已知管道尺寸和输水能力时，计算水头损失；即要当已知管道尺寸和输水能力时，计算水头损失；即要求求确定通过一定流量时所必须的水头确定通过一定流量时所必须的水头。3) 管线布置已定，当要求输送一定流量时，管线布置已定，当要求输送一定流量时，确定所需的确定所需的断面尺寸断面尺寸。1) 当管道布置、断面尺寸及作用水头已知时，要求当管道布置、断面尺寸及作用水头已知时，要求确定确定管道通过的流量管道通过的流量。4) 对一个已知管道尺寸、水头和流量的管道，要求对一个已知管道尺寸、水头和流量的管道，要求确定确定管道各断面压强的大小管道各断面压强的大小。4.3 简单管道水力计算的基本类型简单管道水力计算的基本类型 输水能力计算输水能力计算 1）输水能力计算）输水能力计算已知：已知：l 管道布置管道布置 d 管径管径 H 作用水头作用水头求：求：Q = ?解：短管：解：短管： 长管：长管：02gHQc 自由出流自由出流淹没出流淹没出流02gZQc JKQ 已知：已知：l 管道布置，管道布置，d 管径管径 Q 输水能力输水能力( 以需定供以需定供 )求：求： H = ? （供水，求水塔高度）（供水，求水塔高度）解：解： 计算水头损失（计算水头损失（ ？考虑自由水头？考虑自由水头810m ） 长管长管 ： 短管：短管：2222fl vQHhldgKgvdlH2)(22 楼顶高楼顶高, ,工作工作和消防压力和消防压力确定所需的水头确定所需的水头设计管道断面尺寸设计管道断面尺寸( (圆管圆管D)D)已知：已知：l 管道布置，管道布置， Q 输送流量输送流量 求：求： 设计管道直径设计管道直径 D = ?解：解： I：若已知总水头：若已知总水头 H D 是唯一的是唯一的 纯纯 水力学水力学 问题问题 II: 设计管径设计管径D 及相应水头及相应水头H 需经济技术比较需经济技术比较 how ? 已知：已知：l 管道布置，管道布置， Q 输送流量输送流量 求：求： 设计管道直径设计管道直径 D = ? 解解 I ：若已知总水头：若已知总水头H fhHQKJKKll1618,gKACRCRn QKHL 长管长管长管计算已知：已知：l 管道布置，管道布置， Q 输送流量输送流量 求：求： 设计管道直径设计管道直径 D = ? 解解 I ：若已知总水头：若已知总水头 H 短管短管 42cQDgH dlc11需试算需试算 ！短管计算224ccDQAgHgH 2设计管径设计管径D 及相应水头及相应水头H 经济技术比较经济技术比较技术要求技术要求经济效益经济效益 vdvd水击水击破坏破坏淤积淤积$,$,wwdvhHenergydvhHenergy ，目标函数目标函数 = 管道投资管道投资 + 运行费用运行费用 min经济流速经济流速 经济管径经济管径 确定所需水头确定所需水头常见管道系统经济流速常见管道系统经济流速确定管道各断面的压强分布确定管道各断面的压强分布实质实质上是画测压管水头线上是画测压管水头线 求各断面压强水头求各断面压强水头 由能量方程由能量方程: :（任一断面压强）（任一断面压强）iwiiiihgvZHp 0202 管径不变，且只有管径不变，且只有 hf 的管段的管段 直线连接直线连接测压管水头线在管轴线上方测压管水头线在管轴线上方 压强为压强为 +测压管水头线在管轴线下方测压管水头线在管轴线下方 压强压强 为为 - （空蚀）（空蚀）1 1）虹吸管的水力计算）虹吸管的水力计算问题的提出：工程上问题的提出：工程上输水管道跨越河堤、土坝等输水管道跨越河堤、土坝等虹吸管：虹吸管： 是一种压力输水管道，是一种压力输水管道，顶部弯曲，且高于上游顶部弯曲，且高于上游水源液面，样子象彩虹。水源液面，样子象彩虹。4.4 简单管道水力计算特例简单管道水力计算特例 虹吸管、水泵装置虹吸管、水泵装置虹吸管的工作原理虹吸管的工作原理 先将管道内空气排出先将管道内空气排出 ，使管内形成一定的真空，使管内形成一定的真空 ，使上游水面的大气压强和虹吸管内的压强形成压差，则使上游水面的大气压强和虹吸管内的压强形成压差，则水流即能通过虹吸管的最高处到达下游低处。水流即能通过虹吸管的最高处到达下游低处。排气排气 真空真空 压差压差 流动流动 真空压强真空压强 pv pa pvp （汽化压强）（汽化压强）一般地：常温，一个工程大气压（一般地：常温，一个工程大气压（10m水柱）水柱） 允许最大真空度允许最大真空度78m 水柱水柱虹吸管测压管水头线优点优点 : 跨越高地，减少或避免开挖跨越高地，减少或避免开挖堤内外水位差为堤内外水位差为Z, 管径为管径为d, 糙率为糙率为n, ,每个弯管的每个弯管的Example 局部水头损失系数相等局部水头损失系数相等2= 3= 5, ,阀门局部水头损失系数阀门局部水头损失系数 4, ,入口网罩的局部入口网罩的局部损失系数损失系数1, ,管线上游长管线上游长AB, ,下游长下游长BC段段, ,沿程阻力系数沿程阻力系数, ,虹吸管顶的安装高度为虹吸管顶的安装高度为hS , , 试确定吸管的输水能力并校核管顶断面的安装高度试确定吸管的输水能力并校核管顶断面的安装高度hs 。Example解：解：1 1）确定输水能力确定输水能力gzAQc2 dlc161?iExample解：解：2）校核管顶断面的安装高度校核管顶断面的安装高度 hs 即即 求管顶断面的真空度求管顶断面的真空度 hv 列列1-1 和和 2-2 断面的能量方程断面的能量方程212222200 wahgvpZp Q / Ahs2221 22avswppvhhhg 或或2122222000 whgvpZ pm 20?倒虹吸当输水管道需要横过公路、河渠时当输水管道需要横过公路、河渠时 ？计算类似，是否需计算安装高度和最大真空度计算类似，是否需计算安装高度和最大真空度 ？否！否！水泵装置组成：组成：原理：原理：吸水管吸水管 + + 离心泵离心泵 + + 压力水管压力水管启动前，先使吸水管和泵壳内充满水，启动前，先使吸水管和泵壳内充满水，水泵叶轮转动时，水泵叶轮转动时，在泵的进口端形成真空，在泵的进口端形成真空，水流在池液面和水泵进口之间的压差作用下，水流在池液面和水泵进口之间的压差作用下，沿吸水管上升流入水泵内，沿吸水管上升流入水泵内，流经水泵时，从水泵获得新的能量，再经压流经水泵时，从水泵获得新的能量，再经压力水管流入用户或水塔。力水管流入用户或水塔。Fig. Pipeline with pump 水泵装置的水力计算1）离心泵安装高度）离心泵安装高度 Zs ：同虹吸管类似，受泵内最大真空度限制（避免空蚀）同虹吸管类似，受泵内最大真空度限制（避免空蚀）常温常压下，允许最大真空度常温常压下，允许最大真空度 67m列列1-1 和和 2-2能量方程能量方程2）离心泵）离心泵扬程扬程（总水头）（总水头）Ht ：列列1-1 和和 4-4 有能量输入有能量输入的能量方程的能量方程0 + 0 + 0 + Ht = Z + 0 + 0 + hw1-4 Ht = Z + hw1-4 水泵管系测压管水头线 图示水泵给水系统，输水流量图示水泵给水系统，输水流量Q Q=100=100L/ /s s，水塔距与水池液面水塔距与水池液面高差高差H H=20m=20m，吸水管长度，吸水管长度l l1 1=200m=200m，管径，管径d d1 1=250mm=250mm，压力管长度，压力管长度l l2 2=600m=600m，管径，管径d d2 2=200mm=200mm。水泵真空度为。水泵真空度为7.5m,7.5m,吸水管与压力管沿吸水管与压力管沿程阻力系数分别为程阻力系数分别为1 1=0.025=0.025，2 2=0.02=0.02，各局部阻力系数分别为，各局部阻力系数分别为 。试求：水泵扬程与安装高度。试求：水泵扬程与安装高度Hz12346l2d2l1d1H512 . 02 . 01 . 15 . 05 . 2654321，例题 解题步骤gggdlgdlHHt2)(2)(220000022654321212222221111smsmQdd/5 .2/6 .11 .02 .025.01 .0414.3414.32122122221211. 连续性方程：连续性方程：2. 列列1-2断面能量方程：断面能量方程：根据总流连续性方程根据总流连续性方程可求得可求得1、2断面的平断面的平均流速。有：均流速。有： 以以1-1断面为基准面，断面为基准面，1断面水体本身的总机械能为零，断面水体本身的总机械能为零，水体依靠水泵增加能量。其获得的能量全部用于克服吸水管、水体依靠水泵增加能量。其获得的能量全部用于克服吸水管、压力管的沿程水头损失和局部水头损失，并增加水体的势能。压力管的沿程水头损失和局部水头损失，并增加水体的势能。此题按有能量增加时的能量方程考虑。有：此题按有能量增加时的能量方程考虑。有：ggHggggHzz25 .62223202) 12 . 02 . 01 . 1 (2)5 . 05 . 2(22 . 060002. 0225. 0200025. 020222122212221m93.42zH 解得解得： HzH123456221133l2d2l1d13. 列列1-3断面能量方程：断面能量方程：gggdlhHvs22)(200021212121111mHgHss365. 42) 15 . 05 . 225. 0200025. 0(5 . 721 1-3 1-3断面间无能量的增加，但断面间无能量的增加，但3 3断面为负压，此负压由水断面为负压，此负压由水泵的允许真空度决定。由此可求水泵的安装高度。泵的允许真空度决定。由此可求水泵的安装高度。引言：引言： 工程中常见的管道系统是由若干个简单工程中常见的管道系统是由若干个简单管段组合而成的复杂管道系统管段组合而成的复杂管道系统1）水电站压力钢管，末段分叉至几台水轮机组）水电站压力钢管，末段分叉至几台水轮机组2 2）给水管的管网，干管的流量随通过不同分支）给水管的管网，干管的流量随通过不同分支点而递减，所以直径也变小。点而递减，所以直径也变小。3）供热管网）供热管网4）喷滴灌灌区管网）喷滴灌灌区管网 如：如：4.5 复杂管道的水力计算复杂管道的水力计算水力计算关键水力计算关键:找出各个管道之间的关系式找出各个管道之间的关系式复杂管道水力计算：复杂管道水力计算： 一般按长管计算一般按长管计算 H = hf串联管道 由直径不同的几段管道依次连接而成的管道称为由直径不同的几段管道依次连接而成的管道称为串联管道。串联管道。 流量：流量： 1）沿程不变）沿程不变电路串联电路串联 Q1 = Q2 = Q3 = = Qi2）沿程每隔一段有）沿程每隔一段有节点节点供水流量供水流量qi 分出，分出，即流量沿程递减。如图即流量沿程递减。如图 由连续原理由连续原理 Qi = Qi+1 + qi Fig. Pipes in Series Q, ,d 不同不同 v 不同不同 hf i 不同不同 测压管水头线，斜率不同，连续测压管水头线，斜率不同，连续 ? ? 总水头线总水头线 ？与测压管水头线重合（长管）与测压管水头线重合（长管）串联管道的水力计算iiiiflKQh22 ininiiiiflKQhH 1122Ki第第i i 段的流量模数段的流量模数 （长管）（长管）22fijiVHhhg（短管）（短管）串联管道的水力计算22fijiVHhhg22212iiiiiilAAVHdAAg222222iiiiiil VVVHdggg节点处满足连续原理节点处满足连续原理若流量若流量Q沿程不变，但因结构或其它方面断面尺寸不同沿程不变，但因结构或其它方面断面尺寸不同 q1 = q2 = qi = 0, Q1 = Q2 = Qi = QQi+1 = Qi + qi2QAgH 并联管道 若干个管段，从同一点分叉，然后又在另一点汇合，若干个管段，从同一点分叉，然后又在另一点汇合，这样组成管道系统称为并联管道这样组成管道系统称为并联管道问题：问题： 哪一条管路的水头损失大哪一条管路的水头损失大 ？ fifffhhhh 21Fig. Pipe in Parallel321fffhhh通各并联支管的通各并联支管的总总机械能损失相等吗机械能损失相等吗 ？否否并联管道的水力计算iiiiflKQh22 iQQ iifiilhKQ iiflKh iifilhK 代入上式可解代入上式可解 QiK 可查表可查表, Q 已知已知hf i = hf 22)(iiflKQh两端平方两端平方分叉管道分叉后不再汇合的管道。分叉后不再汇合的管道。 如：水电站引水系统如：水电站引水系统 分叉管道的水力计算第第 1 1 条条 第第 i 条条 121212211lKQlKQhhHff iififilKiQlKQhhH222 自总管到每一条支管的末端均可以看作是一条串联管道自总管到每一条支管的末端均可以看作是一条串联管道(1)(2)分叉管道的水力计算分叉点（点节）符合连续原理：分叉点（点节）符合连续原理： iQQ (3)联立式联立式 (1)，(2)，(3) 可求解可求解 i + 1 个未知量个未知量作业4.24.6