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1、基 本 概 念 ：1、 壓 力 管 路 ： 在 一 定 壓 差 下 ， 液 流 充 滿 全 管 的 流 動 管路 。管 路 中 的 壓 強 可 以 大 于 大 氣 壓 ， eg： 泵 的 壓 水 管也 可 以 小 于 大 氣 壓 ， eg： 泵 的 吸 水 管 2、 簡 單 管 路 ： 是 指 管 徑 、 流 速 、 流 量 沿 程 不 變 ， 且無 分 支 的 單 線 管 道 。 d=C 復(fù) 雜 管 路 ： 是 指 由 兩 根 以 上 管 道 所 組 成 的 管 路 系 統(tǒng) 。 3、 長 管 ： 局 部 損 失 與 速 度 水 頭 的 總 和 與 沿 程 損 失 相比 很 小 ， 以 至 于

2、 可 以 忽 略 不 計 的 管 道 。 (局 部 水 頭 損 失 和 流 速 水 頭 所 占 比 重 小 于 5%-10%) 短 管 ： 局 部 損 失 與 速 度 水 頭 的 總 和 超 過 沿 程 損 失 或 與沿 程 損 失 相 差 不 大 ， 計 算 水 頭 損 失 時 不 能 忽 略 的 管 道 。 4、 管 路 的 特 性 曲 線 ： 定 義 ： 水 頭 損 失 與 流 量 的 關(guān) 系 曲 線 。 S管 道 摩 阻 。 2252222 82 )4(2 SQQdg LgdQdLgvdLhl l 5.1.1 短 管 的 水 力 計 算 沿 程 損 失 、 局 部 損 失 分 別 計

3、算 ， 不 可 忽 略 5.1.2 長 管 的 水 力 計 算 如 圖 ， 由 水 池 接 出 一 根 管 路 ， 建 立 如 圖 所 示 基 準 面 ，取 1 1、 2 2斷 面 建 立 伯 努 利 方 程 ： 對 于 長 管 ， 則 有 ： H hf， hf由 蔡 西 公 式 確 定 ： 式 中 ： K 為 流 量 模 數(shù) 或 特 性 流 量 水 力 坡 度 等 于 1時 的 流 量 。 l222a211a h2gp02gpH vv 22f Kh lQ 例 5.1： 水 泵 管 路 如 圖 ， 鑄 鐵 管 直 徑d=150mm， 管 長 l=180m， 管 路 上 裝 有 吸 水網(wǎng) （ 無

4、 底 閥 ） 一 個 ， 全 開 截 止 閥 一 個 ， 管 半 徑 與曲 率 半 徑 之 比 為 r/R=0.5的 彎 頭 三 個 ， 高 程h=100m， 流 量 Q=225m3/h， 水 溫 為 20 。 試 求 水 泵 的 輸 出 功 率 。 c值 可 按 巴 甫 洛 夫 斯 基 公 式 計 算 ： 式 中 ： R水 力 半 徑 （ 米 ） 。 適 用 范 圍 0.1R3 n粗 糙 系 數(shù) ， 視 材 料 而 定 。 y與 n及 R有 關(guān) 的 指 數(shù) 。 對 于 一 般 輸 水 管 道 ， 常 取 y 1/6。 曼 寧 公 式 ： K可 根 據(jù) d、 n查 表 選 取 。 8gc 2c

5、8g蔡 西 系 數(shù) 或 )/( d462.34dd418gRcAK 352 秒米 yRnc 1 )n(Rny 10075013052 . 611 Rnc 1） 已 知 流 量 Q、 管 長 l、 管 壁 粗 糙 系 數(shù) n、 能 量 損 失 hf（ 或 作 用 水 頭 H ） 時 ， 可 通 過 特 性 流 量 K 求 出 管 道直 徑 d。 （ d需 規(guī) 格 化 ） 2) 已 知 流 量 Q、 管 長 l和 管 徑 d時 ， 可 求 出 能 量 損 失 。 3） 已 知 管 長 l、 管 徑 d和 能 量 損 失 ， 可 求 出 流 量 Q。問 題 ： 圖 示 兩 根 完 全 相 同 的 長

6、 管 道 ， 只 是 安 裝 高 度 不同 ， 兩 管 道 的 流 量 關(guān) 系 為 ：A.Q1Q2； C.Q1=Q2； D.不 定 。公 式 22f K lQh 可 用 以 解 決 下 列 三 類 問 題 ： C 22f KQh l 秒 ）升 /(2283250030250HQK l 秒 ）（ 升 /1892500301727HKQ l 秒 ）（ 升 /2702500302464HKQ l 5.2.1 串 聯(lián) 管 路 由 直 徑 不 同 的 數(shù) 段 管 子 串 聯(lián) 在 一 起 組 成 的 管 路 。 流 量 ： 各 段 不 一 定 相 同 ， 但 每 一 段 范 圍 內(nèi) 不 變 。 （ 可在

7、每 段 末 端 分 出 ） 每 一 段 都 是 簡 單 管 路 整 個 管 路 總 水 頭 損 失 ： 按 長 管 計 算 若 無 分 出 流 量 ， 各 段 流 量 相 同 ， 則 ： 2n n2n22 22221 121n1 2i i2if KQKQKQKQhH lllli n1i 2ii2f KQhH l 5.2.2 并 聯(lián) 管 路兩 條 或 兩 條 以 上 的 簡 單 管 道 在 同 一 點 分 出 ， 又 在 另 一點 匯 合 的 管 路 。 如 圖 ， 管 段 1、 2、 3為 節(jié) 點 A、 B間 的 并 聯(lián) 管 路 ， 其 在A、 B間 的 水 頭 損 失 相 同 。即 ： hf

8、AB =hf1=hf2=hf3流 量 關(guān) 系 ： Q=Q1+Q2+Q3注 意 ： A、 B間 1、 2、 3管 段的 比 能 損 失 相 等 ， 各 管 段 的總 機 械 能 損 失 不 一 定 相 等（ 流 量 不 同 ） 。 23 32322 22221 121 K lQK lQK lQ 例 5.4： 如 圖 各 并 聯(lián) 管 段 的 直 徑 和 長 度 分 別 為 d1= 150mm， l1=500m， d2=150mm，l2=350m， d3=200mm， l3=1000m。 管 路總 的 流 量 Q=80L/s， 所 有 管 段 均 為 正 常 管 。 試 求 并 聯(lián) 管 路 各 管

9、段 的 流 量 是 多 少 ？ 并 聯(lián) 管 路 的 水頭 損 失 是 多 少 ？ 解 ： 正 常 管 K1=K2=158.4L/s， K3=341.0L/s 根 據(jù) 并 聯(lián) 管 路 水 頭 損 失 hf1=hf2=hf3得 ： 1121122 195.1 QQllKKQ 1131133 522.1 QQllKKQ 并 聯(lián) 管 路 流 量 關(guān) 系 ： Q=Q1+ Q2+ Q3 =（ 1+1.195+1.522） Q1 = 3.717 Q1=80 Q1=21.52L/s Q2=25.72L/s Q3=32.76L/s 并 聯(lián) 水 頭 損 失 ： OmHlKQhf 22212121 23.95004

10、.15852.21 【 例 】 如 圖 所 示 的 具 有 并 聯(lián) 、 串 連 管 路 的 虹 吸 管 ， 已知 H 40m， l1 200m， l2 100m， l3 500m， d10.2m， d2 0.1m， d3 0.25m， 各 管 段 均 為 正 常 管 。 求總 流 量 Q。 【 解 】 管 1和 管 2并 聯(lián) ， 此 并 聯(lián) 管 路 又 與 管 3串 連 ， 因此 ： H hf2+hf3， 查 表 得 ： K 1 341.0L/s， K 2 53.72L/s， K 3 618.5L/s， 總 流 量 Q Q1 Q2， 故 Q2 0.1822Q 即 40 0.002457Q， Q

11、 127.6 升 /秒 1 2 3H22222233222 22232 002457.05.61850072.53 100)1822.0(KQKQ QQQllhhH ff 22 22221 121 KQKQ ll 22122121 4885.420010072.53341 QQllKKQQ 連 續(xù) 出 流 管 路 ： 沿 管 長 連 續(xù) 向 外 泄 出 流 量 Qp的 管 路 。 通 過 流 量 QT： 某 管 段 內(nèi) 通 過 的 固 定 不 變 的 流 量 。 途 泄 流 量 Qp： 沿 管 長 連 續(xù) 向 外 泄 出 的 流 量 。 連 續(xù) 均 勻 出 流 管 路 ： 沿 管 段 任 一

12、單 位 長 度 上 連 續(xù) 分 配的 流 量 都 一 樣 。 對 連 續(xù) 均 勻 出 流 管 路 ： 近 似 式 lQq p )QQQQKlh 2ppT2Tf 312 （ 2pT2f )Q55.0QKh （ l 比 流 量 實 際 計 算 時 ， 引 入 計 算 流 量 ： 當(dāng) QT 0時 ： 22cf KQh lpTc Q550QQ . 231 K lQh 2pf結(jié) 論 ： 連 續(xù) 均 勻 出 流 管 路 的 能 量損 失 ， 僅 為 同 一 通 過 流 量 所 損 失能 量 的 1/3。 2pT2f )Q55.0QKh （ l 類 型 枝 （ 樹 ） 狀 管 網(wǎng)環(huán) 狀 管 網(wǎng)經(jīng) 濟 流 速

13、 ： d=100400mm： v e=0.60.9m/s d=4001000mm： ve=0.91.4m/s 例 ： 枝 狀 管 網(wǎng) 從 水 塔 B沿 B-1干 線 輸 送 用 水 ， 已 知 每段 的 流 量 及 管 路 長 度 ， B處 地 形 標 高 為 28m， 供 水點 末 端 點 4和 7處 標 高 為 14m， 保 留 水 頭 均 為 16m，管 道 用 普 通 鋼 管 。 求 每 段 直 徑 、 水 塔 高 度 。1、 枝 狀 網(wǎng) 水 力 計 算 已 知 數(shù) 值 計 算 所 得 數(shù) 值管 段 管 段 長 度 l 管 段 流 量q(L/s) 管 道 直 徑d(mm) 流 速v(m

14、/s) 水 頭 損 失hf(m)上 側(cè) 支 管 3-42-31-2 350350200 200300350 0.790.640.83 1.880.700.56下 側(cè) 支 管 6-75-61-5 500200300 150200250 0.760.790.81 3.631.081.27水 塔 到 分叉 點 B-1 400 400 0.96 1.2325458013.52540120 計 算 原 則 ： （ 1） 各 節(jié) 點 流 入 流 量 等 于 流 出 流 量 。 （ 流入 為 正 ， 流 出 為 負 ） （ 2） 任 一 閉 合 環(huán) 水 頭 損 失 之 和 為 零 。 （ 順時 針 為 正

15、， 逆 時 針 為 負 ） 2、 環(huán) 狀 網(wǎng) 水 力 計 算Q1 Q2 Q 3Q4 Q5 Q621q 32q 63q52q41q 54q 65q4 5 6321 hqq h p例題：環(huán)狀網(wǎng)計算。按最高時用水量Qh=219.8L/s，計算如下圖所示管網(wǎng)。 孔 口 分 類 ： 大 孔 口 H /d 10 小 孔 口 H /d10 5.3.1薄 壁 小 孔 口 定 常 出 流 薄 壁 ： 出 孔 水 流 與 孔 壁 僅在 周 線 上 接 觸 ， 即 孔 壁 厚度 對 出 孔 水 流 沒 有 影 響 。 1、 小 孔 口 的 自 由 出 流 液 體 經(jīng) 容 器 壁 上 孔 口 流 出 的 水 力 現(xiàn)

16、象 。 列 0-0和 c-c的 伯 努 利 方 程 ： 整 理 后 得 ： lcc hgvgvH 22 2200 gvhh crl 220 0 ac pp 0.10 c)2(211 200 gvHgvc 令 ： 流 速 系 數(shù) 作 用 水 頭忽 略 v 0， 則 H0=H 011 gvHH 2200 gHvc 2 小 孔 口 自 由 出 流 流 量 ： 薄 壁 小 孔 口 自 由 出 流 的 基 本 公 式 系 數(shù) 說 明 ： ： 流 量 系 數(shù) ， = =0.580.62 ： 孔 口 的 收 縮 系 數(shù) 0.600.64 ： 流 速 系 數(shù) ， 0.970.98 0： 孔 口 局 部 阻 力

17、 系 數(shù) gHAgHAAvQ cc 22 AAc / 00 1 11 c 6.0017.90 111 220 孔 口 出 流 淹 沒 在 下 游 水 面 之 下 。 由 伯 努 利 方 程 ： lhgvpHgvpH 22 2222221111 gvhh csrl 22整 理 后 得 ： gvHH c2)1( 221 得 ： gHHHgvc 2)(211 21 gHAgHAAvQ cc 22 孔 口 淹 沒 出 流 的 流 速 和 流 量 均 與孔 口 的 淹 沒 深 度 無 關(guān) ， 也 無“ 大 ” 、 “ 小 ” 孔 口 的 區(qū) 別 。 1s 淹 沒 孔 口 局 部 阻 力 系 數(shù) 在 孔

18、口 接 一 段 長 l=（ 34） d的 短 管 ， 液 流 經(jīng) 過 短 管并 充 滿 出 口 斷 面 流 出 的 水 力 現(xiàn) 象 。 根 據(jù) 實 際 需 要 管 嘴 可 設(shè) 計 成 ： 1） 圓 柱 形 ： 內(nèi) 管 嘴 和 外 管 嘴 2） 非 圓 柱 形 ： 擴 張 管 嘴 和 收 縮 管 嘴 。1、 圓 柱 形 外 管 嘴 定 常 出 流 管 嘴 面 積 為 A， 管 軸 為 基 準 面 ， 列 0-0， b-b伯 努 利 方 程 laa hgvpgvpH 22 2200 則 ： 所 以 ： 若 不 考 慮 v0影 響 ： =0.82 結(jié) 論 ： 管 嘴 可 增 大 出 流 量 ， 管

19、嘴 出 流 量 為 孔 口 的 1.32倍 。 gvH 2)1( 20 00 221 1 gHgHv 00 22 gHAgHAvAQ gHv 2 gHAQ 2 孔 口 外 面 加 管 嘴 后 ， 增 加 了 阻 力 ， 但 是 流 量 反 而 增加 ， 這 是 由 于 收 縮 斷 面 處 真 空 的 作 用 。 對 圓 柱 形 外 管 嘴 ： =1， =0.06， =0.64， =0.82 vvAAv cc 1 lccca hgvpgvpH 22 2200 Hgvpp cca 2)1( 2 HHpp ca 221 075.074.0 HHpp ca 收 縮 斷 面 的 真 空 是 有 限 制

20、的 ， 如 長 江 中 下 游地 區(qū) ， 當(dāng) 真 空 度 達 7米 水 柱 以 上 時 ， 由 于 液 體的 壓 強 低 于 飽 和 蒸 汽 壓 時 會 發(fā) 生 汽 化 。 圓 柱 形 外 管 嘴 的 正 常 工 作 條 件 是 ：(1)作 用 水 頭 H0 9米 ；(2)管 嘴 長 度 l=(3 4)d。 1、 長 管 ： 局 部 損 失 與 速 度 水 頭 的 總 和 與 沿 程 損 失相 比 很 小 ， 以 至 于 可 以 忽 略 不 計 。 2、 從 水 池 引 出 長 管 ， 出 口 與 水 池 液 面 高 差 為 H ，則 有 ： H hf。 3、 串 聯(lián) 管 路 ： 由 直 徑

21、不 同 的 數(shù) 段 管 子 串 聯(lián) 在 一 起組 成 的 管 路 。 整 個 管 路 比 能 損 失 =各 段 管 路 比 能 損 失 之 和 4、 并 聯(lián) 管 路 ： 兩 條 或 兩 條 以 上 的 管 線 在 同 一 處 分出 ， 又 在 另 一 處 匯 合 。 各 并 聯(lián) 管 段 的 比 能 損 失 相 等 。 22f KQh l 5、 孔 口 出 流 ： 孔 口 淹 沒 出 流 的 流 速 和 流 量 均 與 孔 口 的 淹沒 深 度 無 關(guān) ， 也 無 “ 大 ” 、 “ 小 ” 孔 口 的區(qū) 別 。6、 管 嘴 出 流 ： 管 嘴 可 增 大 出 流 量 ， 管 嘴 出 流 量 為

22、 孔 口 的1.32倍 。 gHAgHAAvQ cc 22 5.2： 水 從 高 位 水 池 流 向 低 位 水 池 ， 已 知 水 面 高 差為 H=12m， 管 長 l=300m， 水 管 直 徑 為100mm的 清 潔 鋼 管 。 求 水 管 中 流 量 為 多 少 ？ 當(dāng) 流量 為 Q=150m3/h時 ， 水 管 的 直 徑 應(yīng) 該 多 大 ？ 5.4： 如 圖 ， 設(shè) 輸 水 管 路 的 總 作 用 水 頭 H=12m，管 路 上 各 管 段 的 管 徑 和 管 長 分 別 為 ：d1=250mm， l1=1000m， d2=200mm，l2=650m， d3=150mm， l3=

23、750m。 管 子 為清 潔 管 ， 局 部 損 失 忽 略 不 計 。 試 求 各 管 段 中 的 損 失 水 頭 ， 并 作 出 測 壓 管 水 頭 線 。 解 ： K1=703.5L/s, K2=388.0L/s, K3=180.2L/s 由 題 意 ： 所 以 ： 各 管 段 水 頭 損 失 分 別 為 ： OmHlKQh f 22212121 824.010005.70319.20 OmHlKQhf 22222222 76.165038819.20 OmHlKQhf 22232323 416.97502.18019.20 12)( 2332222112 KlKlKlQhH f sLK

24、lKlKlQ /19.202.1807503886505.7031000 1212 222233222211 5.6： 水 由 水 塔 A流 出 至 B點 后 有 三 支 管 路 ， 至 C點 又 合三 為 一 ， 最 后 流 入 水 池 D， 各 管 段 尺 寸 分 別 為d1=300mm， l1=500m， d2=250mm，l2=300m， d3=400mm， l3=800m， dAB=500mm， lAB=800m， dCD=500mm，lCD=400m。 管 子 為 正 常 情 況 ， 流 量 在 B點 為250L/s， 試 求 全 段 管 路 的 損 失 水 頭 。 5.10： 如

25、 圖 ， 兩 水 池 的 水 位 H=24m，l1=l2=l3=l4=100m，d1=d2=d4=100mm， d3=200mm，沿 程 阻 力 系 數(shù) 1=2=4=0.025，3=0.02， 除 閥 門 外 ， 其 他 局 部 阻 力 忽 略 。（ 1） 閥 門 局 部 阻 力 系 數(shù) =30， 試 求 管 路中 的 流 量 ； （ 2） 如 果 閥 門 關(guān) 閉 ， 求 管 路 流量 。 明渠 6.1 明 渠 流 的 概 念 1、 明 渠 （ channel） ： 人 工 渠 道 、 天 然 河 道 以 及 不 滿 流管 道 的 統(tǒng) 稱 。 2、 明 渠 流 （ channel flow）

26、： 具 有 露 在 大 氣 中 的 自 由液 面 的 槽 內(nèi) 液 體 的 流 動 ， 或 稱 無 壓 流 （ free flow） 。 3、 明 渠 流 動 的 特 點 ： 具 有 自 由 液 面 ， p0=0， 為 無 壓 流 （ 滿 管 流 為 壓 力 流 ） 濕 周 是 過 流 斷 面 固 體 壁 面 與 液 體 接 觸 部 分 的 周 長 ，不 等 于 過 流 斷 面 的 周 長 ； 4、 明 渠 斷 面 常 見 形 狀 ：5、 明 渠 定 常 流 ： 明 渠 中 水 力 要 素 不 隨 時 間 變 化 。6、 明 渠 定 常 均 勻 流 ： 渠 槽 斷 面 形 式 不 變 ， 液 流

27、 在 固 定水 深 下 運 動 的 明 渠 定 常 流 。 重 力 是 流 體 流 動 的 動 力 ， 為 重 力 流 （ 管 流 則 是 壓 力 流 ） 渠 道 的 坡 度 影 響 水 流 的 流 速 、 水 深 。 坡 度 增 大 ， 則 流速 增 大 ， 水 深 減 小 ； 邊 界 突 然 變 化 時 ， 影 響 范 圍 大 。 對 明 渠 定 常 均 勻 流 ： A、 各 斷 面 平 均 流 速 相 等 B、 水 力 坡 度 i、 水 面 坡 度 ip（ 壓 力 坡 度 ） 、 渠 底 坡度 ib相 等 ， 即 i=ip=ib 即 ： 總 比 能 線 、 比 壓 線 、 渠 底 坡 面

28、 線 是 三 條 平 行的 直 線 。 7、 明 渠 定 常 均 勻 流 的 發(fā) 生 條 件 ： 流 量 Q 常 數(shù) ； 過 流 斷 面 A、 水 深 h、 平 均 流 速 v沿 程 不 變 ； 渠 底 坡 度 固 定 不 變 ， 且 ib=ip=i； 渠 槽 粗 糙 系 數(shù) n 常 數(shù) ； 沒 有 局 部 摩 阻 。 想 一 想 ： 明 渠 流 與 滿 管 流 最 大 的 區(qū) 別 在 于 前 者是 ， 而 后 者 是 。無 壓 流 有 壓 流 6.2.1 基 本 計 算 公 式 明 渠 流 受 力 ： 重 力 、 槽 壁 摩 擦 力 明 渠 定 常 均 勻 流 ： 平 均 流 速 蔡 西 公

29、 式 流 量 ： 式 中 ： K渠 槽 的 流 量 模 數(shù) ， ii RcR8gv iKi RcAAQ v RcAK v2v1 P 20GA B CDP1 Ff蔡 西 系 數(shù) c：單 位 m0.5/s 6.2.2 計 算 平 均 流 速 的 經(jīng) 驗 公 式蔡 西 系 數(shù) c：常 用 計 算 公 式 ：1、 崗 古 立 公 式 ：適 用 于 渠 底 坡 度 較 小 的 明 渠 。n： 粗 糙 系 數(shù) 。2、 曼 寧 公 式 ： 說 明 ： v與 R、 n、 i的 關(guān) 系 ：R越 大 v越 大 ： A一 定 時 ， R大 則 濕 周 小 ， 摩 擦 阻 力 小 ；n越 大 v越 小 ： n大 ，

30、摩 擦 阻 力 大 ；i越 大 v越 大 ： i大 ， 重 力 沿 流 向 分 量 大 ， v大 。適 用 于 n 0.02及 R 0.5米 渠 底 坡 度 較 陡 的 明 渠 。 2132 i Rn1v 611 Rnc Rnnc 231 231 3、 巴 生 公 式 ： 粗 糙 度 系 數(shù) 。 4、 巴 甫 洛 夫 斯 基 公 式 ： 適 用 于 0.1mR3m的 明 渠 。 可 查 表 。yRnc 1 Rc 1 87 )10.0(75.013.05.2 nRny例 ： 一 矩 形 光 滑 木 質(zhì) 明 渠 ， 底 寬 b=0.4m， 渠 底 坡度 i b=0.005， 水 深 h=0.2m。

31、 如 液 流 為 定 常 均 勻流 ， 試 分 別 用 各 經(jīng) 驗 公 式 求 其 流 量 。 6.2.3 流 速 分 布 規(guī) 律 流 動 狀 態(tài) ： 層 流 、 紊 流 。 判 別 標 準 Recr=300 雷 諾 數(shù) 6.2.3.1 層 流 的 速 度 分 布 式 中 ： h水 深 ； y離 渠 底 的 距 離 。 拋 物 線 分 布 規(guī) 律 液 流 表 面 流 速 最 大 ： 積 分 得 ： 斷 面 平 均 流 速 ： RRe v y)-y(2h2 i u 2h2 i umax 33 hiQ max2 323 uhiv clgyKghiu 32.液 面 處 流 速 最 大 ， 液 面 下

32、 0.6h處 的流 速 等 于 斷 面 垂 線 的 平 均 速 度 。 6.3.1 水 力 最 佳 斷 面 尺 寸 的 確 定 1、 水 力 最 佳 斷 面 （ the best hydraulic section） ：當(dāng) 渠 道 底 坡 、 粗 糙 系 數(shù) 及 面 積 大 小 一 定 時 ， 能 夠獲 得 最 大 流 速 或 通 過 最 大 流 量 時 的 斷 面 形 式 。 或 者 ： 當(dāng) 流 量 一 定 ， 所 需 最 小 的 過 流 斷 面 。 2132352132 1 iAni RnAi RcAQ R1 61nc 2132 R1 inRicv （ 曼 寧 公 式 ： ) 說 明 ：

33、1） 具 有 水 力 最 佳 斷 面 的 明 渠 均 勻 流 ， 當(dāng) i， n，A給 定 時 ， 水 力 半 徑 R 最 大 ， 即 濕 周 最 小 的斷 面 能 通 過 最 大 的 流 量 。 2） i， n， A給 定 時 ， 濕 周 最 小 的 斷 面 是 圓 形斷 面 ， 即 明 渠 水 力 最 佳 斷 面 。 實 際 工 程 中 ： 多 用 梯 形 、 矩 形 渠 底 寬 b， 水 深 h， 邊 坡 系 數(shù) m A （ b+mh） h212 mhb 212 mhmhhA 即對 最 佳 斷 面 ： 濕 周 最 小 時 ， 0dhd可 得 ： 222 h m)hm1(2A mm12 2

34、m)hm12(mh-m)hm12(mh-b 22 hA m)m12(hb 2 （ 相 對 寬 度 ） mh（ 1） 底 寬 和 渠 深 的 關(guān) 系 2hAR （ 2） 確 定 梯 形 最 佳 水 力 斷 面 的 邊 坡 系 數(shù) m結(jié) 論 ： 明 渠 最 佳 水 力 斷 面 水 力 半 徑 等 于 水 深 的 一 半 。（ 梯 形 、 半 圓 、 矩 形 都 適 用 ） 結(jié) 論 ： 斜 邊 與 水 平 面 夾 角 60 時 梯 形 水 力 斷 面 最 佳 。 （ 3） l與 b的 關(guān) 系 ： 梯 形 最 佳 水 力 斷 面 ： l b 結(jié) 論 ： 梯 形 水 力 最 佳 斷 面 正 六 邊 形

35、的 一 半 mhmhmhhmmmhb 21412)1(212 2222 得 ： 0112 2 mm 30tan31mhhmmb 32)1(2 2 hmhhl 32)( 22 （ 4） 水 力 半 徑 R 通 常 ， 已 知 邊 坡 系 數(shù) m、 粗 糙 系 數(shù) n 1、 求 過 流 能 力 Q： 已 知 ib、 b、 h， 求 Q b、 hA、 R 2、 求 渠 底 坡 度 ib： 已 知 Q、 b、 h， 求 ib b、 hA、 R ， ib i Q2 c2A2R R1 61nc i RcAQ R1 61nc 3、 確 定 斷 面 尺 寸 b、 h： 已 知 Q、 ib， 求 b、 h。 先

36、 給 定 一 個 h， 用 不 同 的 b試 算 Q； 先 給 定 一 個 b， 用 不 同 的 h試 算 Q； 對 水 力 最 佳 斷 面 ， 已 知 m， 用 不 同 的 h試 算 Q（ 或K ， ） ； 或 利 用 曼 寧 公 式 ， ， 直 接 解 出 h。 問 題 ： 水 力 最 佳 斷 面 是 ： A、 造 價 最 低 的 渠 道 斷 面 ； B、 壁 面 粗 糙 系 數(shù) 最 小 的 斷 面 ； C、 對 一 定 流 量 具 有 最 大 斷 面 面 積 的 斷 面 ； D、 對 一 定 的 面 積 具 有 最 小 濕 周 的 斷 面 。 RcAiQK 21321 i Rnv 213

37、2 i RnAi RcAQ D 例 6.2 已 知 明 渠 過 流 量 Q 0.2m3/s， 渠 底 坡 度 ib=0.005，邊 坡 系 數(shù) m 1.0， 粗 糙 系 數(shù) n 0.012， 斷 面 為 梯 形 ， 確定 水 力 最 佳 斷 面 尺 寸 b和 h。 解 ： （ 1） 假 定 不 同 的 h， 試 算 Q： R h/2 查 表 6.6： m 1.0時 ， 1.83， 0.83， 即 A 1.83h2， b 0.83h h 0.2m： R 0.1m， A 0.0732m2， c 56.77， Q 0.093m3/s h 0.3m： R 0.15m， A 0.165m 2， c 60

38、.74， Q 0.274m3/s i RcAQ h 0.27m： R 0.135m， A 0.133m2， c=59.69， Q 0.206m3/s h 0.27m時 ， 流 量 基 本 符 合 要 求 。 此 時 ， b 0.83h0.22m （ 2） 利 用 曼 寧 公 式 計 算 ， A 1.83h2， R h/2，i 0.005， n 0.012 Q 6.793h 8/3， 0.2 6.793h8/3， 得 h0.27m， b 0.83h0.22m 2132 i RnAi RcAQ 6.1： 一 刨 光 矩 形 木 質(zhì) 明 渠 ， 底 寬 b=0.5m， 渠 底坡 度 ib=0.000

39、5， 水 深 為 h=0.2m， 求 過 流 能 力Q及 斷 面 平 均 流 速 v。 6.4： 梯 形 斷 面 明 渠 ， 已 知 Q=0.2m3/s，i=0.0001， m=1.0， n=0.02， 求 水 力 最 佳 斷面 尺 寸 。 6.5： 矩 形 混 凝 土 明 渠 ， 已 知 Q=0.1m3/s，i=0.0001， 設(shè) 計 水 力 最 佳 斷 面 。 6.4.1堰 流 的 基 本 概 念 1、 堰 流 ： 水 流 經(jīng) 堰 頂 下 溢 的 水 力 現(xiàn) 象 。 水 面 呈 連 續(xù) 降落 曲 線 。 2、 分 類 ： 薄 壁 堰 0.67 實 用 堰 0.67 2.5 寬 頂 堰 2.

40、5 10 H H H B： 堰 槽 寬 度 ， mb： 堰 口 寬 度 ， m 6.4.2矩 形 薄 壁 堰 自 由 出 流 考 察 堰 流 的 出 流 能 力 ， H與 Q的 關(guān) 系 。 如 圖 ， 列 堰 前 1-1斷 面 與 堰 上 過 流 斷 面 2-2的 能 量 方程 )1(22 220 gvgvH則 ：所 以 ： )2(2)2(211 2020 gvHggvHgv 積 分 得 流 量 ： )2()2(232 23202320 gvgvHgbQ 忽 略 gvgvpgvpH 222 2222211 忽 略 令 所 以 ：流 量 系 數(shù) 令 ： 2/3 =m矩 形 堰 流 量 系 數(shù) 得

41、 ： 若 不 考 慮 行 進 速 度 v 0， 則 2320 )2( gv gvHH 2200 230232 HgbQ 2302 HgmbQ 232 HgmbQ 堰 流 基 本 公 式 二 級 泵 房 二 級 泵 房 污 水 泵 房 鼓 風(fēng) 機 房 鼓 風(fēng) 機 房 泵 用 來 輸 送 液 體 的 葉 輪 機 械 。 即 把 機 械 能 轉(zhuǎn) 換 為 液 體 能 的 葉 輪 機 械 。 泵 葉 輪 式 離 心 式軸 流 式混 流 式旋 流 式容 積 式 往 復(fù) 式 ：回 轉(zhuǎn) 式 ： 活 塞 泵 ； 柱 塞 泵 ； 隔 膜 泵齒 輪 泵 ； 螺 桿 泵 ； 滑 片 泵 ；羅 茨 泵 ；其 他 類 型

42、 ： 噴 射 泵 ； 震 動 泵 ； 水 錘 泵 ；真 空 泵 軸 流 泵 射 流 泵 真 空 泵 蠕 動 泵 10.1.1 離 心 式 泵 的 構(gòu) 造與 工 作 原 理1、 組 成2、 工 作 原 理 ： 靠 葉 輪 的 高速 旋 轉(zhuǎn) ， 由 葉 片 撥 動 液 體 旋 轉(zhuǎn) ，使 液 體 產(chǎn) 生 離 心 力 ， 離 心 力 使 液體 產(chǎn) 生 動 能 和 壓 能 ， 實 現(xiàn) 機 械 能向 液 壓 能 （ 液 力 能 ） 的 轉(zhuǎn) 化 。 葉 輪 間 預(yù) 先 充 滿 液 體 葉輪 旋 轉(zhuǎn) ， 傳 遞 能 量 給 液 體 液 體 排 出 ， 同 時 吸 入 液 體 。 3、 多 級 泵 ： 幾 個

43、葉 輪 按 一 定 距 離 裝 在 同 一 根 軸 上 多 級 泵 可 提 高 液 體 的 能 量 ， 將 液 體 送 到 更 高 更 遠 處 。 10.1.2 泵 的 揚 程 單 位 重 量 液 體 在 泵 中 實 際 獲 得 的 能 量 。 泵 的 可 提 供 揚 程 ： H =e2-e1 e1： 單 位 重 量 液 體 在 泵 入 口 處 的 能 量 e2： 單 位 重 量 液 體 在 泵 出 口 處 的 能 量 單 位 重 量 液 體 在 進 、 出 口 處 的 能 量 分 別 為 ：gvphe s 22111 gvpzhe s 222222 兩 斷 面 的 壓 強 ： vva zpp

44、p 1 mMa zppp 2則 總 揚 程 為 ： gvvzpphzppzh eeH vvasmMas 2 21222 12 整 理 后 ： 忽 略 兩 壓 力 表 的 高 差 ， 且 當(dāng) 進 出 口 管 面 積 相 等 或相 差 不 多 時 ， 得 ： 泵 的 總 揚 程 ： 泵 進 口 處 的 真 空 表 讀 數(shù) 與 出 口 處 壓 力 表 讀 數(shù) 之 和 除 以 液 體 重 度 。 gvvppzzzH vMvm 2)( 21222 vM ppH 例 ： 某 工 廠 的 水 泵 站 ， 有 一 臺 水 泵 的 吸 入 管 直 徑d1=250mm， 壓 出 管 直 徑 d2=200mm， 水

45、 泵 出口 的 壓 力 表 與 入 口 處 真 空 表 的 位 置 高 差 為 0.3m。水 泵 正 常 運 轉(zhuǎn) 時 ， 真 空 表 的 讀 數(shù) pv=39200Pa，壓 力 表 的 讀 數(shù) pM=833000Pa， 測 得 流 量Q=60L/s。 求 水 泵 的 揚 程 H。 列 0-0和 1-1斷 面 的 伯 努 利 方 程 ： 列 2-2和 d-d斷 面 的 伯 努 利 方 程 ： 所 以 H又 可 表 示 為 ： lss hgvphgvp 22 211200 lddddss hgvphhgvpzh 22 22222 lsldddds hhgvgvpphh eeH 22 202012 幾

46、 何 揚程 HG 損 失 揚程 Hl忽 略 即 ： 若 排 液 池 與 吸 液 池 都 與 大 氣 相 通 ， 則pd p0 pa 則 ： H hs+hd+hls+hld H G + H l 0ppHHH dlG 例 ： 由 離 心 泵 經(jīng) 管 路 向 水 塔 供 水 ， 其 裝 置 情 況 如 下 ： 吸 水 管 ： 管 直 徑 d1=250mm， 管 長 l1=20m； 每 米長 度 的 沿 程 損 失 i1=0.02mH2O； 裝 有 一 個 帶 底 閥 的濾 水 網(wǎng) （ v=4.45） ， 90 彎 頭 （ b=0.291 ） 兩個 。 壓 水 管 ： 管 直 徑 d2=200mm，

47、管 長 l2=200m； 每 米長 度 的 沿 程 損 失 i2=0.03mH2O； 裝 有 全 開 的 閘 閥（ g=0.05） 一 個 ， 90 彎 頭 （ b=0.291 ） 三 個 。管 路 出 口 的 局 部 阻 力 系 數(shù) ex=1。 泵 的 吸 入 幾 何 高 度 h s=4m， 壓 出 幾 何 高 度 hd=30m，輸 水 量 Q=60L/s， 吸 水 池 與 水 塔 的 液 面 均 為 大 氣 。 確 定 此 水 泵 應(yīng) 具 備 的 揚 程 H。 葉 輪 是 葉 輪 動 力 式 機 械 的 主 要 部 件 。 可 分 為 以 下 三 種 ：開 式 半 開 式 封 閉 式 泵

48、中 的 能 量 損 失 分 為 三 類 ： 水 力 損 失 、 容 積 損 失 和機 械 損 失 。 1、 水 力 損 失 hh： 摩 擦 損 失 與 擴 散 損 失 ： 與 Q的 平 方成 正 比撞 擊 與 脫 流 損 失 ： 與 流 量 變 化（ Q-Qs） 的 平 方 成 正 比實 際 揚 程 與 理 論 揚 程 之 比 為 水 力 效 率 ， h1 hth hHHHHH： 實 際 揚 程 ， m； Ht： 理 論 揚 程 ， m；hh： 水 力 損 失 ， m 2、 容 積 損 失 ： 漏 失 流 體 而 造 成 的 損 失 。 實 際 流 量 與 理 論 流 量 之 比 為 泵 的

49、容 積 效 率 ， V 3、 機 械 損 失 ： 流 體 作 用 在 葉 輪 輪 盤 上 的 摩 擦 ， 軸 承內(nèi) 和 填 料 箱 封 閉 內(nèi) 的 摩 擦 等 造 成 的 能 量 損 失 。 機 械 效 率 M N： 泵 葉 輪 軸 上 功 率 ； NM： 消 耗 于 機 械 摩 擦 的 功 率 4、 總 效 率 總 功 率 ： 1 NNN MM hvM QHQHN hvM 1 ltV QQ QQQ 10.1： 用 泵 輸 送 重 度 =11760N/m3的 鹽 水 ， 流量 為 Q=9000L/min。 泵 的 出 口 直 徑 為 250mm，入 口 直 徑 為 300mm。 出 口 與 入

50、 口 在 同 一 水 平 面 上 ，在 入 口 處 的 真 空 度 為 150mmHg。 泵 出 口 處 裝 有壓 力 表 ， 其 中 心 高 于 泵 的 出 口 中 心 1.2m， 讀 數(shù) 為1.4大 氣 壓 。 泵 的 效 率 為 0.84， 電 動 機 輸 出 的 功 率是 多 少 kW？ 吸 上 揚 程 ： 泵 的 安 裝 位 置 到 吸 液 池 液 面 的 垂 直 距 離 hs 。 如 圖 ， 列 出 吸 液 池 液 面 0-0與 1 1斷 面 的 伯 努 利 方 程 ： ls211s200 h2gvph2gvp p0=pa， v00， 則 ： ls211as h-2gv-p-ph

51、式 中 ： p1為 泵 入 口 處 液 體 的 絕 對 壓 強 ； pa-p1為 泵 入 口 的 真 空 度 。 若 輸 送 液 體 為 水 （ pa/ 10.332） ， 且 體 積 流 量 一 定（ v1、 hls為 定 值 ） ， 則 吸 上 揚 程 hs將 隨 著 p1的 減 少 而增 大 ， 但 不 會 超 過 10.332米 。 當(dāng) p1psat（ 飽 和 蒸 氣 壓 強 ） 時 ， 發(fā) 生 氣 蝕 現(xiàn) 象 。 危 害 ： 氣 蝕 發(fā) 生 時 ， 發(fā) 生 振 動 和 噪 聲 ， 流 量 和 揚 程下 降 ， 縮 短 泵 的 使 用 壽 命 ， 嚴 重 時 不 能 正 常 工 作 。

52、 氣 蝕 現(xiàn) 象 ： 金 屬 在 機 械 剝 蝕 與 化 學(xué) 腐 蝕 的 共 同 作 用下 加 速 損 壞 的 現(xiàn) 象 。 ls211as h-2gv-p-ph 防 止 氣 蝕 現(xiàn) 象 必 要 條 件 ： 氣 蝕 余 量 ： 在 泵 吸 入 口 處 ， 單 位 重 量 液 體 所 具 有 的 超過 汽 化 壓 強 的 富 余 能 量 。 satpp 1 satp-2gph 211 v 2gphp sat 211 v lssatas h-h-p-ph 即 ：可 得 ：為 保 證 一 定 的 h之 值 ， 吸 液 高 度 hs必 將 受 到 限 制 。 ls2as h-2g-p-ph 11 v將

53、稱 為 吸 上 真 空 度 ， Hs， 則 ： 1ppa gvhhppH lssas 2211 當(dāng) 流 量 一 定 時 ， Hs隨 著 hs的 增 大 而 增 大 ， 發(fā) 生 氣 蝕 時的 Hs為 最 大 吸 上 真 空 度 ， 用 Hsmax表 示 。 運 行 時 ， 應(yīng)留 有 0.3m的 安 全 量 。 則 ： 允 許 吸 上 真 空 度 H s為 ：3.0 max ss HH gvhHh lsss 2 21允 許 安 裝 高 度 為 ： 10.5： 水 泵 的 吸 水 管 采 用 鑄 鐵 管 ， 管 長 l=8m，直 徑 d=0.1m， 抽 水 量 Q=0.02m3/s， 水 泵 的允

54、許 真 空 度 hv=7.0mH2O， 進 口 損 失 系 數(shù) 為6.0， 彎 頭 的 損 失 系 數(shù) 為 0.53， 沿 程 阻 力 系 數(shù) 為0.032。 求 水 泵 的 最 大 安 裝 高 度 hs。 10.1.6離 心 式 泵 的 性 能 曲 線 離 心 泵 在 某 一 固 定 轉(zhuǎn) 速 n下 ， 一 定 的 流 量 Q值 ， 有 相應(yīng) 的 揚 程 H值 、 功 率 N值 、 效 率 值 （ 通 過 泵 的 流 體實 際 獲 得 的 能 量 與 其 軸 功 率 之 比 ） 。 性 能 曲 線 ： 表 示 離 心 泵 在 某 固 定 轉(zhuǎn) 速 下 的 性 能 的 曲 線（ Q為 橫 坐 標

55、， H-Q、 N-Q、 -Q） 。H-Q曲 線 ： 凸 形 曲 線 。 在曲 線 高 峰 右 邊 運 行 時 ， 要得 到 較 大 的 Q， 必 須 降 低 H；如 管 路 阻 力 加 大 或 幾 何 揚程 增 高 ， 流 量 Q必 然 減 少 。 N-Q曲 線 ： 遞 增 曲 線 ， Q大 ， N大 。 當(dāng) Q 0時 ， N最 小 ， 故 離 心 泵 在 Q 0時 起 動 （ 閘 閥 全 閉 ） 。 -Q曲 線 ： 凸 形 曲 線 。 有 最 高 點 最 高 效 率 點 。 最 高效 率 點 對 應(yīng) 的 流 量 Q、 揚 程 H、 功 率 N離 心 泵 的最 佳 工 況 。 10.1.7 泵

56、 在 管 路 中 的 工 況 點 管 路 特 性 曲 線 ： 流 體 在 管 路 中 流 動 時 ， 表 示 其 流 量 與管 路 阻 力 的 關(guān) 系 的 曲 線 。 輸 送 單 位 重 量 流 體 所 需 能 量 ： H A H G + H l H G +RQ2 式 中 ： ， 管 阻 常 數(shù) 。 管 路 特 性 曲 線 與 性 能 曲 線 H -Q的 交 點 M泵 在 此 管路 中 的 工 況 點 。 M點 落 在 H-Q曲 線 最 高 點 右 側(cè) 時 ，屬 于 穩(wěn) 定 工 況 22gA)DL(R 1 10.1.8 離 心 式 泵 的 選 擇 離 心 清 水 泵 的 選 擇 1） 對 流

57、量 Q、 幾 何 揚 程 HG的 要 求 管 路 配 置 方 案 選 擇 流 速 、 管 徑 計 算 管 路 阻 力 確 定 泵 的 揚 程 、 流量 2） 選 擇 滿 足 要 求 的 泵 。 揚 程 可 加 大 5 。 3） 要 求 流 量 過 大 或 流 量 變 化 較 大 并 聯(lián) 4） 檢 查 吸 入 高 度 是 否 超 過 規(guī) 定 限 度 5） 管 路 直 徑 ， 不 能 小 于 泵 進 口 或 出 口 的 直 徑 。 離 心 礦 漿 泵 （ 雜 質(zhì) 泵 ） 的 選 擇 1） 根 據(jù) 輸 送 的 雜 質(zhì) 性 質(zhì) ， 選 取 泵 的 類 型 ； 2） 輸 送 礦 漿 的 揚 程 換 算

58、成 輸 送 清 水 的 揚 程 3） 選 擇 泵 工 作 原 理 與 離 心 式 泵 相 同 10.2.1 通 風(fēng) 機 的 風(fēng) 壓 、 風(fēng) 量 和 效 率 風(fēng) 壓 ： 單 位 體 積 （ 米 3） 氣 體 通 過 風(fēng) 機 所 獲 得 的 能 量 。單 位 ： 牛 米 /米 3， 牛 /米 2。 H 風(fēng) 機 出 口 處 的 能 量 風(fēng) 機 入 口 處 的 能 量 式 中 ： z風(fēng) 機 出 口 與 入 口 間 的 高 度 差 。 忽 略 z時 ： 式 中 ： H p風(fēng) 機 的 靜 壓 ， Hp p2-p1； Hd風(fēng) 機 的 動 壓 ， )2g(p-) 2g(pH 211222 vzv dp HH2

59、gp-pH 212212 vvgvv 2 2122 當(dāng) 風(fēng) 機 與 一 定 長 度 的 吸 氣 管 、 排 氣 管 連 接 時 ： 式 中 ： pd、 p0分 別 為 排 氣 空 間 、 吸 氣 空 間 的 壓 強 ； pls、 pld分 別 為 吸 氣 管 道 、 排 氣 管 道 中 的 能 量 損 失 vd排 氣 管 出 口 處 的 速 度 。 風(fēng) 量 Q： 單 位 時 間 內(nèi) 由 風(fēng) 機 排 出 的 氣 體 體 積 折 算 成 吸 氣狀 態(tài) 下 的 氣 體 體 積 。 效 率 ： 氣 體 在 風(fēng) 機 中 實 際 獲 得 的 能 量 與 其 軸 功 率 之 比 ， QH /N 2gppp-

60、pH dlsld0d 2v 氣 缸 容 積 被 葉 輪 分 隔 為 兩 部 份 。 其 中 A與進 氣 口 相 通 ,其 氣 體 處 于 進 氣 口 壓 力 ;B與 排氣 口 相 通 ,其 氣 體 處 于 排 氣 口 壓 力 。 氣 缸 容 積 被 葉 輪 分 隔 為 三 個 部 份 。 其 中 A與 進氣 口 相 通 ,其 氣 體 處 于 進 氣 口 壓 力 ;B與 排 氣 口 相 通 ,其 氣 體 處 于 排 氣 壓 力 ;葉 輪 2與 機 殼 形 成 的 空 間 在尚 未 轉(zhuǎn) 到 此 位 置 前 與 進 口 相 通 ,現(xiàn) 又 未 與 排 氣 口 相通 ,故 該 空 間 內(nèi) 氣 體 壓 力 仍 處 于 進 氣 口 壓 力 。 氣 缸 容 積 被 葉 輪 分 隔 為 兩 個 部 份 。 其 中 A與 進 氣 口 相 通 ,其 氣 體 處 于 進 氣 壓 力 ;B與 排氣 口 相 通 ,其 氣 體 處 于 排 氣 壓 力 。 此 時 與 狀 態(tài) 基 本 相 同 ,只 是 葉 輪 1和 2位置 互 換 而 已 。 上 述 過 程 系 葉 輪 旋 轉(zhuǎn) 135 的 工 作 過 程 ,如 此 的 循 環(huán) 工 作 過 程 便 形成 了 羅 茨 鼓 風(fēng) 機 的 全 部 工 作 過 程 。