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1、Engineering Fluid Mechanics,工程流體力學(xué),,第1章 流體及其主要物理性質(zhì),第2章 流體靜力學(xué),第3章 流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ),第4章 流動(dòng)阻力和水頭損失,第5章 孔口、管嘴出流及有壓管流,第6章 明渠均勻流,第7章 明渠水流的兩種流態(tài)及其轉(zhuǎn)換,目錄,第五章 孔口、管嘴出流 及有壓管流,第一節(jié) 孔口出流,第二節(jié) 管嘴恒定出流,第三節(jié) 短管的水力計(jì)算,第四節(jié) 長(zhǎng)管的水力計(jì)算,第五節(jié) 離心式水泵裝置及其 水力計(jì)算,教學(xué)內(nèi)容、重點(diǎn)及難點(diǎn),基本內(nèi)容 本章在定量分析沿程水頭損失和局部水頭損失的基礎(chǔ)上，對(duì)工程實(shí)際中最常見(jiàn)的有壓管道恒定流動(dòng)和孔口、管嘴出流進(jìn)行水力計(jì)

2、算。,重、難點(diǎn) 水頭損失的分析和確認(rèn),第一節(jié) 孔口出流,液體從孔口以射流狀態(tài)流出，流線不能在孔口處急劇改變方向，而會(huì)在流出孔口后在孔口附近形成收縮斷面，此斷面可視為處在漸變流段中，其上壓強(qiáng)均勻。,c-c為收縮斷面，收縮系數(shù)：, 收縮斷面面積, 孔口斷面面積,完全收縮,非 完 全 收 縮,無(wú)收縮,,,,邊壁的整流作用會(huì)影響收縮系數(shù)，故有完全收縮與非完全收縮之分，收縮系數(shù)視孔口邊緣與容器邊壁距離與孔口尺寸之比的大小而定，大于3則可認(rèn)為完全收縮。,孔口出流的分類,恒定出流、非恒定出流；,淹沒(méi)出流、自由出流；,薄壁出流、厚壁出流。, 小孔口, 大孔口,對(duì)薄壁小孔口：= 0.630.64,對(duì)0-0，c

3、-c 列能量方程,其中,設(shè),則,流速系數(shù),流量系數(shù),其中,1.薄壁小孔口自由出流,其中,則,流經(jīng)孔口的局部阻力系數(shù),收縮斷面突擴(kuò)的局部阻力系數(shù),2.薄壁小孔口淹沒(méi)出流,對(duì)1-1，2-2 列能量方程,大孔口出流的流量系數(shù)，可查表,大孔口形心的水頭,3.大孔口恒定出流,大孔口出流的流量公式形式不變，只是相應(yīng)的水頭應(yīng)近似取為孔口形心處的值，具體的流量系數(shù)也與小孔口出流不同。,由于孔口各點(diǎn)的作用水頭差異很大，如果把這種孔口分成若干個(gè)小孔口，對(duì)每個(gè)小孔口出流可近似用小孔口出流公式，然后再把這些小孔口的流量加起來(lái)作為大孔口的出流流量。,在 dt 時(shí)段內(nèi),則液面從 H1 降至 H2 所需時(shí)間,容器放空（即H

4、20）時(shí)間,4. 孔口非恒定出流,第二節(jié) 管嘴恒定出流,一. 管嘴出流的水力現(xiàn)象,(a),外管嘴,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,內(nèi)管嘴,(b),(c),(d),(e),外管嘴,(a)直角型外管嘴,(b)收縮型外管嘴,(c)擴(kuò)散型外管嘴,(d)流線型外管嘴,二、管嘴恒定出流,對(duì)1-1，2-2 列能量方程,忽略管嘴沿程損失，且令,則管嘴出口速度,其中為管嘴的局部阻力系數(shù)，取0.5；則,流量系數(shù),流速系數(shù),說(shuō)明管嘴過(guò)流能力更強(qiáng),？,管嘴出流流量系數(shù)的加大可以從管嘴收縮斷面處存在的真空來(lái)解釋，由于收縮斷面在管嘴內(nèi)，壓強(qiáng)要比孔口出流時(shí)的零壓低，必然會(huì)提高吸出流量的能力。,對(duì) B-B

5、，c-c 列能量方程,取真空壓強(qiáng)和真空高度值，得,由,而hw 按突擴(kuò)計(jì)算，得,說(shuō)明管嘴真空度可達(dá)作用水頭的75,以 代入,則,得,所以,得,又,三、管嘴真空度,形成真空時(shí)作用水頭不可能無(wú)窮大，因?yàn)楫?dāng)真空度達(dá)到一定時(shí)，其壓強(qiáng)小于汽化壓強(qiáng)，出現(xiàn)汽蝕破壞，而且會(huì)將空氣從管嘴處吸入，破壞真空，而成為孔口出流。,實(shí)驗(yàn)測(cè)得，當(dāng)液流為水流，管嘴長(zhǎng)度 l =(34)d 時(shí)，管嘴正常工作的最大真空度為7.0m，則作用水頭,說(shuō)明圓柱形外管嘴正常工作條件是：,l = (3 4) d,H09m,實(shí)際流體恒定總流能量方程,沿程損失,局部損失,,,,第三節(jié) 有壓管路水力計(jì)算,已能定量分析，原則上解決了

6、恒定總流能量方程中的粘性損失項(xiàng)。,短管：,長(zhǎng)管：,hf 與 hj 均較大，不能忽略不計(jì)（hj5hf）,hf 很大，不能忽略，而hj可忽略不計(jì)（ hj 5hf）,,=,,H,0,=,0,,=,=,,管系流量系數(shù),作用水頭 H,一、短管的水力計(jì)算,自由出流,,v,,O,O,1,1,2,2,,3,3,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,H,h,,=,,H+h,0,=,,=,=,h,作用水頭 H,淹沒(méi)出流,,,=,,H+h,0,=,,=,=,用3-3斷面作下游斷面,0,h,=,出口水頭損失按突擴(kuò)計(jì)算,管系流量系數(shù),淹沒(méi)出流與自由出流相比，作用水頭不同，管系流量系數(shù)相同，局部損

7、失中不包含2-2斷面出口損失。,z,z2,,,,1,1,2,2,3,3,l2,l1,要求,確定,計(jì)算,已知,【例】 1 離心泵管路系統(tǒng)的水力計(jì)算,流量Q，吸水管長(zhǎng)L1，壓水管長(zhǎng)L2， 管徑d，提水高度z ，各局部水頭 損失系數(shù)，沿程水頭損失系數(shù),水泵最大真空度不超過(guò)6m,水泵允許安裝高度,水泵揚(yáng)程,,z,z2,,,,1,1,2,2,3,3,l2,l1,,【解】,水泵允許安裝高度,,z,z2,,,,1,1,2,2,3,3,l2,l1,,水泵揚(yáng)程 = 提水高度 + 全部水頭損失,,2 有壓泄水道的水力計(jì)算,泄流量Q，畫(huà)出水頭線,圓形隧洞,求,已知,,出口斷面由A縮小為A2,出口流速,管內(nèi)流

8、速,新增出口局部損失,,出口斷面縮小,出口流速稍有增大,管中流速卻顯著減小,出流量減小,沿程壓強(qiáng)增高,入口斷面 0-0，任意斷面 i-i,通過(guò)有壓管道定常流動(dòng)的水力計(jì)算，容易確定沿程壓強(qiáng)的分布，得到測(cè)壓管水頭線。測(cè)壓管水頭線低于管軸線，為負(fù)壓。工程中有時(shí)需要避免壓力的低值，為此找出管道中的壓力最低點(diǎn)，檢驗(yàn)其是否滿足要求。如壓力過(guò)低，可采取調(diào)整管道位置高程、降低流速等措施解決。,壓強(qiáng)沿程變化和水頭線的繪制,,,,,,,,v12,,2g,,v22,,2g,,,,管道突然縮小,,,總水頭線,測(cè)壓管水頭線,,,,,,,v12,,2g,,v22,,2g,,,,管道突然放大,,,,,總水頭線,測(cè)壓管水頭線

9、,作用水頭全部用于支付沿程損失,則,二、長(zhǎng)管的水力計(jì)算,一、簡(jiǎn)單管路,比阻單位流量通過(guò)單位長(zhǎng)度管段產(chǎn)生的水頭損失,,比阻S,由謝才公式和曼寧公式,對(duì)鋼管和鑄鐵管,對(duì)塑料管材,阻力平方區(qū),過(guò)渡粗糙區(qū),【例】已知簡(jiǎn)單管路的l =2500m，H =30m，Q =250l/s， n =0.011。求管徑d。,【解】,由,得,由謝才及曼寧公式，得,代入數(shù)據(jù)得,d 388mm,介于標(biāo)準(zhǔn)管徑350mm400mm之間,串聯(lián)管路,并聯(lián)管路,二、復(fù)雜管路,【例】已知簡(jiǎn)單管路的l =2500m，H =30m，Q =250l/s，n =0.011。求管徑d。,【解】,由謝才及曼寧公式，得,其中取 d1=400mm，d

10、2=350mm，得,采用串聯(lián)管路，則,沿程均勻泄流管路,管路中任一點(diǎn)處流量,則,取比阻S為常量，上式積分得,水處理構(gòu)筑物的多孔配水管，冷卻塔的布水管，以及城市自來(lái)水管道的沿途泄流，隧道工程中長(zhǎng)距離通風(fēng)管道的漏風(fēng)等水力計(jì)算。,若無(wú)轉(zhuǎn)輸流量Qz=0，則,管網(wǎng),管線短，管徑相對(duì)大，投資小，但可靠性差,管線長(zhǎng)，管徑相對(duì)小，投資大，但可靠性好,分叉管路,各支管按串聯(lián)算，支管之間按并聯(lián)算。,第四節(jié) 水泵水力計(jì)算,裝置原理,自灌式：水泵泵軸低于吸水池水面 吸入式：水泵泵軸高于吸水池水面,性能參數(shù),Ht 揚(yáng)程,Q 流量,N 軸功率,N有效功率, 效率,n 轉(zhuǎn)速,hv 允許吸水真空度,【例】水泵功率N=25kW

11、,流量Q =60L/s,效率p=75%,吸水管l1=8m, d1=250mm,壓水管l2=50m,d2=200mm,=0.025,底閥fv=4.4,彎頭b=0.2,閥門(mén)v=0.5,逆止閥sv=5.5,水泵允許真空度hv =6m。求水泵安裝高度zs,水泵提水高度Hg。,【解】,對(duì)1，2列伯努利方程,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Hs,zs,d1,d2,l1,l2,水泵,閥門(mén),逆止閥,底閥,,,,對(duì)1，3列伯努利方程,水擊：在有壓管路中流動(dòng)的液體，由于某種外界原因（如閥門(mén)突然關(guān)閉、水泵或水輪機(jī)組突然停車(chē)等），使得液體流速發(fā)生突然變化，并由于液體的慣性作用，引起壓強(qiáng)急劇升高和降低的

12、交替變化，這種現(xiàn)象稱為水擊。升壓和降壓交替進(jìn)行時(shí)，對(duì)于管壁和閥門(mén)的作用如同錘擊一樣，因此水擊也稱為水錘。,水擊現(xiàn)象是一種典型的有壓管道非恒定流問(wèn)題，在水擊現(xiàn)象中，由于壓強(qiáng)變化急劇，必須考慮流體的壓縮性及管道的彈性。,第五節(jié) 水擊現(xiàn)象及其預(yù)防,水擊的危害：輕微時(shí)引起噪聲和管路振動(dòng)；嚴(yán)重時(shí)則造成閥門(mén)損壞，管路接頭斷開(kāi)，甚至引起管路的爆裂。 水擊引起的壓強(qiáng)降低，使管內(nèi)形成真空，有可能使管路扁縮而損壞。,,有壓管道流動(dòng)的流量突變,流速突變,由于流動(dòng)的慣性，造成壓強(qiáng)大幅波動(dòng),水擊現(xiàn)象的大致描述：,流體的壓縮性和管道的彈性使波動(dòng)在管道中以有限的速度傳播,以閥門(mén)突然關(guān)閉為例，將有一個(gè)增壓、增密度、增管道斷面

13、積、減流速的過(guò)程從閥門(mén)向上游傳播，壓強(qiáng)、流速、密度、管道斷面積的間斷面在管道中運(yùn)動(dòng)，這就是水擊波。,水擊危害的預(yù)防,（1）延長(zhǎng)閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間； （2）縮短管路長(zhǎng)度； （3）在管路系統(tǒng)的適當(dāng)位置裝設(shè)蓄能器（空氣罐或安全閥）； （4）在管路上裝設(shè)調(diào)壓塔。,,,,,水擊的利用 例如，水擊泵便是利用水擊原理設(shè)計(jì)的一種無(wú)動(dòng)力揚(yáng)水 設(shè)備，這種設(shè)備對(duì)于無(wú)動(dòng)力和電源的地方是很方便的。,本章作業(yè),習(xí)題 5.2， 習(xí)題 5.4， 習(xí)題 5.10， 習(xí)題 5.16,第五章習(xí)題解答,5.2 薄壁孔口出流，直徑d=2cm，水箱水位恒定H=2m。求 1、孔口流量Q；2、此孔口外接圓柱形管嘴的流量Qn; 3、管嘴收縮

14、斷面的真空。,解：,2、,3、,1、,,,,,解：,5.4 如圖所示水箱用隔板分為左右兩個(gè)水箱，隔板上開(kāi)一直徑d1=40mm的薄壁小孔口，水箱底接一直徑d 2=30mm的外管嘴，管嘴長(zhǎng)l=0.1m,H1=3m。試求在恒定出流時(shí)的水深H2和水箱出流流量Q1，Q2。,,解：,5.10 如圖所示虹吸管，上下游水池的水位差H=2.5m，管長(zhǎng)LAC=15m,LCB=25m，管徑d=200mm,沿程阻力系數(shù)=0.025，入口局部阻力系數(shù)c=1.0，各彎頭局部阻力系數(shù)0.2，管頂允許真空度7m，求通過(guò)流量及最大允許超高h(yuǎn)s。,最大允許超高：,,,,5.16 如圖已知水泵的功率N=25kW，流量Q=60L/s，水泵的效率p=75%,L1=8m,L2=50m,d1=250mm,d2=200mm, =0.025,底閥=4.4，一個(gè)彎頭=0.2，閥門(mén)=0.5，逆止閥=5.5，水泵的允許真空度hv=6m,求： 1、水泵的安裝高度zs; 2、水泵的提水高度Hg.,解：,,,以水池水面為基準(zhǔn)面00，先對(duì)00與水泵進(jìn)口前11列能量方程：,仍以水池水面為基準(zhǔn)面00，對(duì)00與水塔水面22列能量方程：,,,,