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1、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、管嘴和有壓管流 第 6章 明渠恒定流動(dòng) 第五章 孔口、管嘴出流及有壓管流 第一節(jié) 薄壁孔口出流 第二節(jié) 管嘴出流 第三節(jié) 有壓管道恒定流計(jì)算 第四節(jié) 有壓管中的水擊 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)際中最常見的有壓管道恒定流動(dòng)和孔口、管嘴 出流進(jìn)行水力計(jì)算。 重、難點(diǎn) 水頭損失的分析和確認(rèn) H H0 1 1 C A AC d C vC v0 g v 2 200 第一節(jié) 薄壁孔口出流 液體從孔口以 射流 狀態(tài) 流

2、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)： cA A 收縮斷面面積 孔口斷面面積 pa 對(duì)薄壁小孔口： = 0.630.64 孔口出流的分類 10 1 H d 小孔口 10 1 H d 大孔口 H H0 1 1 C A AC d C vC v0 g v 2 200pa 射流斷面上各點(diǎn)流速相等， 水頭相等 射流斷面上各點(diǎn)水頭、壓強(qiáng)、 流速沿孔口高度變化 (1) d/H d 為孔口直徑或高度 H 為孔口形心以上水頭高度 孔口出流的分類 自由出流： 孔口水流直接 進(jìn)入空氣，收縮斷面壓

3、強(qiáng)為 大氣壓強(qiáng) H H0 1 1 C A AC d C vC v0 g v 2 200pa (2) 出流條件 淹沒(méi)出流： 孔口水流進(jìn)入 下游水體，孔口在下游水面 以下 恒定出流： 水箱的水面高度保持恒定 (3) 孔口水頭變化 非恒定出流： 水箱的水面高度變化 w cc h g v g vH 22 22 00 對(duì) 0-0， c-c 列能量方程 其中 g vhh c jw 2 2 0 設(shè) g vHH 2 2 00 0 00 0 221 gHgHv c c 98.097.0 則 00 22 gHAgHAAvQ cc 流速系數(shù) 流量系數(shù) 62.060.0 其中 1. 薄壁小孔口自由出流 H H0 O

4、O C A AC d C vC v0 gv2 200 其中 00 1 11 c 則 H0 作用總水頭 孔口流速系數(shù) 孔口流量系數(shù) ）（）（ gvaHgvaHH 22 2 22 2 2 00 10 流經(jīng)孔口的局部阻力系數(shù) 0 收縮斷面突擴(kuò)的局部阻力系數(shù) se 98.097.0 62.060.0 2.薄壁小孔口淹沒(méi)出流 對(duì) 1-1， 2-2 列能量方程 g v g vH g vH c 2)(22 2 se0 2 22 2 2 00 1 00 se0 221 gHgHv c 00 22 gHAgHAAvQ cc bl 32 al 31 1l 2l a b 完全收縮 非 完 全 收 縮 無(wú)收縮 邊壁的

5、 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 。 3.流量系數(shù)的影響因素 流量系數(shù) 局部阻力系數(shù) 收縮系數(shù) 雷諾數(shù) 邊界條件 第二節(jié) 管嘴出流 一 . 管嘴出流的水力現(xiàn)象 (a) 外管嘴 內(nèi)管嘴 (b) (c) (d) 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 孔口周邊接長(zhǎng)度為 34倍直徑的 短管，流體經(jīng)短管流出 二、管嘴恒定出流 對(duì) 1-1， 2-2 列能量方程 whg v g vH 22 2200 忽略管嘴沿程損失，

6、且令 g vHH 2 200 0 則管嘴出口速度 00 22 1 gHgHv n n 00 22 gHAgHAvAQ nn 其中 n為管嘴的局部阻力系數(shù)，取 0.5；則 流量系數(shù) 82.05.01 11 n n 流速系數(shù) 說(shuō)明 管嘴 過(guò)流能力比孔口更強(qiáng) 82.0 nn 62.060.0孔口 98.097.0孔口 孔口 32.1n D 3 4D v C vc C 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 管嘴 過(guò)流能力比孔口強(qiáng)的原因 對(duì) B-B， c-c 列能量方程 wB ccc h g

7、 v g p g v g p 22 22 取真空壓強(qiáng)和真空高度值，得 Bjc ccc h g v g v g p 22 22 由 02 gHv n 而 hw 按突擴(kuò)計(jì)算，得 0 22 2 2 2 se )1 1( 2)1(2 Hg v A A g vhh n c jw 說(shuō)明管嘴真空度可達(dá)作用水頭的 75 以 代入 1,82.0,64.0 n 則 0 22 2 )1 1(- H g p nc 得 0 2 2 2 Hg v n 所以 0 2 2 2 1 2 Hg v n c 075.0 Hg p c 得 A A B B c c v 2 H H 0 vvAAv c c 1又 三、管嘴真空度 形成真空

8、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 m975.0 m70 H 說(shuō)明圓柱形外管嘴 正常工作條件 是： l = (3 4) d H09m 21 2 222 2 2 111 1 22 whg vpz g vpz 實(shí)際流體恒 定總流能量 方程 j f w h h h 2121 沿程損失 局部損失 第三節(jié) 有壓管道恒定流計(jì)算 已能定量分析，原則 上解決了恒定總流能量 方程中的 粘性損

9、失 項(xiàng)。 短管： 長(zhǎng)管： hf 與 hj 均較大，不能忽略不計(jì)（ hj 5 hf） hf 很大，不能忽略，而 hj可忽略不計(jì)（ hj 5 hf） jf hhgvpzgvpz 21 2 222 2 2 111 1 2)()2( = H 0 = 0 g v d l 2 2 gv2 2 g v 2)( 2 = = 管系 流量 系數(shù) 作用 水頭 H 一、短管的水力計(jì)算 gH d l v 2 1 1 gHAvAQ c 2 d lc 1 1 v O O 1 1 2 2 H 自由出流 v O O 1 1 2 2 3 3 H h jf hhgvpzgvpz 21 2 222 2 2 111 1 2)()2(

10、= H+h 0 = g v d l 2 2 g v 2 2 g v 2)( 2 = = h 作用 水頭 H 淹沒(méi)出流 v O O 1 1 2 2 3 3 H h 322121 2 333 3 2 111 1 2)()2( jjf hhhg vpz g vpz = H+h 0 = g v d l 2 2 g v 2)( 2 = = 用 3-3斷面作 下游斷面 0 h g v g vv 22 )( 2232 = 出口水頭損失 按突擴(kuò)計(jì)算 v O O 1 1 2 2 3 3 H h 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， 局部損失 中不包含 2-2斷面

11、出 口損失。 d lc 1 1 gHAvAQ c 2 gH d l v 2 1 1 z z2 4 1 2 3 5 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 4 1 2 3 5 1 1 2 2 3 3 l2 l1 g v d l g vpz 2)(20 2 21 1 2 2 2 0.15 62)(0.1 2 2 21 1 2 p g v d lz g

12、 v d lz 2)(0.16 2 21 1 2 Q， d v 【 解 】 水泵允許安裝高度 z z2 4 1 2 3 5 1 1 2 2 3 3 l2 l1 0.15 g v d llzH m 2)(0.1 2 4321 21 水泵揚(yáng)程 = 提水高度 + 全部水頭損失 5 作用水頭全部用于支付沿程損失 1 1 2 2 H v v 2 2 00 22 w v vHh gg 則 2 52 2 8 2 lQdgg v d lhH f 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 52 8 dgS 2S lQH smvdS /2.1001736.0 3.5 ；

13、smvdvS /2.1)0 0 1 7 3 6.0(867.01852.0 3.53.0 ；）（ 226.0774.4 000915.0 QdS 比阻 S l HS 由謝才公式和曼寧公式 33.5 23.10 d nS 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 】 2SlQH 由 得 62 2 /ms192.0 lQ HS 由謝才及曼寧公式，得 33.5 23.10 d nS 代入數(shù)據(jù)得 d 388mm 介于標(biāo)準(zhǔn)管徑 350mm 400mm之間 串聯(lián)管路 n

14、 i iii n i fi QlShH 1 2 1 并聯(lián)管路 iQQQQ 21 Q1 Q2 Q3 Q Q 1 1 2 2 H A B wiwwwBwA hhhhh 321 n i iQQ 1 1 1 2 2 H l1 d1 l2 d2 Q1 Q2 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 33.5 23.10 d nS 其中取 d1=400mm， d2=350mm，得 采用串聯(lián)管路，則 22 1 1 2 2 12 30 2500 H S l Q S l Q l l l

15、124 0 4m , 2 0 9 6mll 水擊 ： 在有壓管路中流動(dòng)的液體，由于某種 外界原因 ， 如閥門或水泵機(jī)組突然啟閉，轉(zhuǎn)向閥突然變換工位，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。 第四節(jié) 有壓管中的水擊 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 閥門損壞 ，管路接頭斷開，甚至引起 管路的 爆裂 。水

16、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 p 以閥門突然關(guān)閉為例，將有一個(gè) 增壓、增密度、 增管道斷面積、減流速 的過(guò)程從閥門向上游傳播， 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

17、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 5.1， 習(xí)題 5.9， 習(xí)題 5.10 習(xí) 題 例 1 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、管嘴收縮斷面的真空。 解： 2、 3、 1、 slggHAQ 219.122 4 02.062.02 2 slggHAQ nn 612.1224 02.082.02 2 mHgp v 5.1275.075.0 k P aPap v 7.1414700 解： 例 2 如圖所示水箱用隔板分為左右兩個(gè)水箱，隔板 上開一直

18、徑 d1=40mm的薄壁小孔口，水箱底接一直 徑 d2=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。 1.08.9203.0 4 82.0 2 3204.0 4 60.0 2 2 2 222 2 2 2111 H lHgAQ Hg HHgAQ n 解： 例 3 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 hs 最大允許超高：

19、smgH d l v be AB /5392.22 13 1 smvAQ /0798.0 3 mhgp vv 7 m g v d l g p h AC ACv s 5938.5 6.19 5392.2 )22.01 2.0 15 025.01(7 2 )( 2 例 4 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 =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：

20、smAQv /22.125.0785.0 06.0 2 1 1 smAQv /91.120.078 5.0 06.0 2 2 2 以水池水面為基準(zhǔn)面 0 0， 先對(duì) 0 0與水泵進(jìn)口前 1 1列能量方程： 仍以水池水面為基準(zhǔn)面 0 0，對(duì) 0 0與水塔水面 2 2列能量方程： 10 211 200 wsa hg v g pz g p mgvdlhhgvg ppz bfvvwas 51.52)1(2 21 1 110 2 11 2000000 wgt hHH 20 wtg hHH p tg Q HN m gQ NH p t 89.3106.09 8 0 0 1 0 0 02575.0 mgvdlgvdlh bsvvbfvw 91.25.241.02)(2)( 2 2 2 2 0 2 1 1 1 20 mH g 98.2891.289.31