流体力学第五章压力管路的水力计算.docx
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流体力学第五章压力管路的水力计算
流体力学-第五章-压力管路的
水力计算
作者:
日期:
第五章压力管路的水力计算
主要内容
长管水力计算
短管水力计算
串并联管路和分支管路
孔口和管嘴出流
基本概念：
1、压力管路：
在一定压差下，液流充满全管的流动管路。
（管路中的压强可以大于大气压,也可以小于大气压）
注：
输送气体的管路都是压力管路。
2、分类:
丄按管路的结构特点，分为简单管路：
等径无分支复杂管路：
串联、并联、分支
按能量比例大小，分为
管:
和沿程水头损失相比，流速水头和局部水头损失可以忽略的流动管路。
管：
流速水头和局部水头损失不能忽略的流动管路。
第一节管路的特性曲线
一、定义：
水头损失与流量的关系曲线称为管路的特性曲线。
二、特性曲线
（1）
hw
hwhjhf
其中，LI当
4Q
V2
IV2
V2
2gd
代入上式得:
2g
2g
I当IV2d五
LV2
d2g
LV^
丄丄
d2g
4Q
Q2
Q2
（2）
把上式绘成曲线得图。
第二节
长管的水力计算
、简单长管
1、定义:
由许多管径相同的管子组成的长输管路，且沿程损失较大、局部损失较小，计算时
可忽略局部损失和流速水头。
2、计算公式：
简单长管一般计算涉及公式
说明：
有时为了计算方便，hf的计算采用如下形式：
hf
⑹
其中邙、m值如下
流态
3
m
层流
4.15
1
（a）
水力光滑
0.0246
0.25
（b）
混合摩擦
0.0802A
0.123
（c）
水力粗糙
0.0826入
0
（d）
因为
公式（6）的推导：
3=4.15,m=
即：
3=0.0802A,m=0.123
d.粗糙区
即：
3=0.0826入,m=0
3、简单长管的三类计算问题
（1）第一类：
已知：
输送流体的性质
地形
流量
求：
hf,Ap,
求:
a、先假设一流态,取3,m值,算出Q
b、Q
hf
B.绘图法
按第一类问题的计算方法，选取足够多Q算出hf值，然后绘制图形。
使用时由hf查找Q即可。
（3）第三类:
已知：
Q,AP,Az,A丄,求：
经济管径d解：
考虑两方面的问题
df,材料费f,施工费、运输费f
dJ,—次性费用J
Vf,损失f,设备（泵）费f
如何解决这一矛盾，正是一个管径优选问题。
钻、采专业大纲要求一般了解。
二、串、并联管路
定义：
由不同管径的管道依次连接而成的管路。
水力特征:
a、各联结点（节点）处流量出入平衡，即进入节点的总流量等于流出节点的总流量。
Qi0
其中，进为正，出为负，它反映了连续性原理。
b全线水头损失为各分段水头损失之和，即
它反映了能量守恒原理。
2、并联管路
①定义：
两条以上的管路在同一处分离，以后又汇合于另一处，这样的组合管道，叫并联管路。
水力特征：
a、
进入各并联管的总流量等于流出各并联管的总流量之和,
Qi
hfhfihf1hf2
定义：
自一点分开不再汇合的管路
水力特征:
b、
沿一条干线上总水头损失为各段水头损失为各段水头损失总和
串联管路一一属于长管计算第一类问题已知：
Q
解：
确定合理流速V合理=?
7合理d
②并联管路一一属于长管计算第二类问题
增加输送流量
延伸输送距离
克服翻越点
1:
某水罐1液面高度位于地平面以上Z1=60m,通过分支管把水引向高于地平面Z2=30m和z3=
各管的沿程阻力系数均
15m的水罐2和水罐3假设11=12=13=2500m,di=d2=d3=0.5m,
试求引入每一水罐的流量。
为入=0.04。
22
V12V；4.41
（1）
22
V1V32.94
Q1
d1
Q2
d2
Q3
d3
V1V2V3
V1
V2
V3
1.67m/s
1.28m/s
0.39m/s
Q20.251m3/s
Q30.0765m3/s
第三节
短管水力计算
许多室内管线，集油站及压水站内管线管件较多
属于短管。
短管计算问题
多涉及到能量方程的利用:
P1
Vi2
2g二Z2
P2
V22
~~hw
2g
、综合阻力系数
已知:
大直径管段：
直径
di,长11
小直径管段：
直径
d2,长12
孔板直径：
d孔
则全管路总水头损失为
hw
hf
JLVZ
1di2g
hj
JLV22
2d22g
为了计算方便
续性方程:
hw
11
1
di
Zc
hw
hf
hj
V出口
c^
V^
12g
V孔
孔T"
2g
V22
2g
，一般以出口速度作为标准,
4
di
d2
d孔
综合阻力系数
二、短管实用计算通式
把其它速度化成出口速度表示的形式，由连
Vi
12
2
d2
d2
di
V2,
V2
Vl
72g
Vl
c2g
V12
—=Z2
2g
P2V22
—2g
V22
c2g
P1P2
V12=1
V22
2g
c
2g
乙Z2
所以
1
71c
为流量系数，
N=yQH=9800X0.2X5.607/60=183.162WIN=yQH/735=0.2492马力）
基本概念:
自流管路：
完全靠自然位差获得能量来源输送或排泄液体的管路。
孔口:
储液罐壁或底部打开的小孔。
管嘴:
在孔口处接出短管。
定水头出流（稳定流）：
液流流经孔口与管嘴时，液面位置保持不变
的流动。
自由出流：
出流于大气之中。
淹没出流：
流向液体之中。
一、定水头孔口泄流
c
*r—
0
I
1、定水头薄壁圆形小孔口自由出流。
薄壁孔口：
孔口有尖锐的边缘，液体与孔口周围只有线接触。
小孔口：
d—孔口有效断面上所有的点都可用其中线上的点来代替。
（1）射流结构分析：
收缩断面C-C的形成：
流线特性，流线不能突然转折，液流射出时，将向内部收缩形成收缩
d
断面c-c（约在距出口?
处）
（2）定水头薄壁圆形小孔口自由出流流量计算公式
取0-0〜c-c列方程,压强标准为绝对压强，则有:
流速系数:
流量系数⑶说明:
理论流速:
QAV理Q理
实际流量与理想流量之比。
实际流速与理想流速之比。
1=0.6-0.62,取0.6
作用水头:
如图:
H0=21m
2、淹没出流
-1
7r
—
EW-w
.■
—
■.
fh
'ww■
两液面:
Hi
H2
2g
Vc2
扩大ig
Vc
j2gH0
弋扩大孔（H0=H1-H2）
Q=AH
二、管嘴泄流
Ell,
且1=（3〜4）d
流态不一样，先收缩，再扩大，然后封住出口，均匀泄出。
孔口只有局部阻力，管嘴加上扩大阻力和沿程阻力。
由于£=1,要知卩,须求0。
实验修正：
0.82
孔口和管嘴的流量公式:
Q=Aj2gH0
三、管嘴流量系数为什么大于孔口流量系数
管嘴出口在收缩
孔口计算断面为收缩断面C-C,其压强为Pa,而管嘴收缩处却不一样
1—C之间增
断面之后，由于在C-C'处液流带走一部分气体形成负压，这就相当于在大了一个压头差，当然，流量系数也就增大了。
取1-C列方程：
压力标准取绝对压力：
RVc2
2g
孔Vg
（V10
PaPc
所以
将进入破坏真空，使液流充不满管子，反而减少流量。
四、其它形式管嘴
见书本P166,表5-4
然后经d2=20mm的圆柱行管
例1:
水从封闭水箱上部直径di=30mm的孔口流至下部,
嘴排向大气中，流动恒定后，水深hi=2m,h2=3m,水箱上的压力计读数为4.9MPa,求流量Q
和下水箱水面上的压强P2,设为稳定流。
解:
经过孔口的流量Qi
Q1=1
d2
4
2ghi
经过管嘴的流量
Q2
10.6,
20.82。
1Pl71
1
円
p；7
■III
P1P2
2
Q2=2t2gh2旦
4II
因为稳定流，所以Q1=Q2
整理得：
P2
4.34104Pa
QQ2=2
d；-
门2gh2
P23.11103m3/s
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