《流体力学》（第2版）李玉柱-苑明顺-06 管流PPT课件下载推荐.pptx

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,EXIT,自由出流淹没出流,薄壁出流,厚壁出流,H,H0,O,O,C,A,AC,D,C,vC,v0,H2,H2=0?

A,AcAc薄壁出流确切地讲就是锐缘孔口出流，流体与孔壁只有周线上接触，孔壁厚度不影响射流形态，否则就是厚壁出流，如孔边修圆的情况，此时孔壁参与了出流的收缩，但收缩断面还是在流出孔口后形成。

EXIT,管嘴出流,如果壁厚达到34D，孔口就可以称为管嘴，收缩断面将会在管嘴内形成，而后再扩展成满流流出管嘴。

管嘴出流的能量损失只考虑局部损失，如果管嘴再长，以致必须考虑沿程损失时就是管流了。

DC34D,v,C,vc,EXIT,H,H0,O,O,自由出流的收缩断面上相对压强均为零。

对上游断面O-O和收缩断面C-C运用能量方程即可得到小孔口自由出流公式C,AC,DA,C,vC,v0,二.薄壁孔口出流,H0作用总水头孔口流速系数孔口流量系数,能量方程,小孔口自由出流公式,EXIT,流量系数是流速系数与小孔口断面收缩系数的乘积,完全收缩,非完全收缩,无收缩由于边壁的整流作用，它的存在会影响收缩系数，故有完全收缩与非完全收缩之分，视孔口边缘与容器边壁距离与孔口尺寸之比的大小而定，大于3则可认为完全收缩。

流量系数,a,b,EXIT,小孔口淹没出流的相应公式只需将作用,H0H,O,O,A,AC,D,C,vC,v0,HcC,总水头改成孔口上游总水头与下游水位的差即可。

作用总水头是上游总水头与出口测压管水头的差，用来支付出口速度水头和全部水头损失。

能量,方程,作用总水头:

H0-Hc,小孔口淹没出流公式,EXIT,由于淹没出流的作用总水头与孔口在自由,面下的深度无关，所以小孔口淹没出流的流速和流量公式也适用于大孔口淹没出流。

大孔口自由出流的流量公式形式不变，只,是出口断面上的测压管水头不均匀，应近似取为孔口形心处的值，具体的流量系数也与小孔口出流不同。

大孔口自由出流公式,大孔口淹没出流公式,EXIT,厚壁孔口出流与薄壁孔口出流的差别在于收缩系数和边壁性质有关，注意到收缩系数定义中的A为孔口外侧面积，容易看出孔边修圆后，收缩减小，收缩系数和流量系数都增大。

三.厚壁孔口出流,A,Ac,Ac,EXIT,四.孔口非恒定出流,t=T,C,AC,D,AC,t=0,H,H2,H1,容器水位变化，形成非恒定出流,假设容器断面积较大，微小时间段内视,为恒定出流,根据连续性，易知,EXIT,t=T,C,AC,D,AC,t=0,H,H,2,H1,积分,设t=0，H=H1；

t=T，H=H2,令H2=0，可得泄空时间,EXIT,五.圆柱形外伸管嘴出流,DC34D,v,vc,管嘴出流的局部损失由两部分组成，即孔口,管嘴出流公式,的局部水头损失及收缩断面后扩展产生的局部损失，水头损失大于孔口出流。

但是管嘴出流为满流，收缩系数为1，因此流量系数仍比孔口大，其出流公式为管嘴出流流量系数比相应孔口出流大H0C,EXIT,管嘴出流流量系数的加大也可以从管嘴,收缩断面处存在的真空来解释，由于收缩断面在管嘴内，压强要比孔口出流时的零压低，必然会提高吸出流量的能力。

v,C,vc,DC34D,H0,收缩断面处的真空,EXIT,62有压管道恒定流动的水力计算,简单管道的水力计算复杂管道的水力计算,EXIT,有压管道恒定流动水力计算主要解决以下几方面问题：

计算管道输水能力；

确定作用水头；

计算沿程压强分布。

沿程损失,局部损失,已能定量分析，原则上解决了恒定总流能量方程中的粘性损失项。

管道中的满流,实际流体恒定总流能量方程,EXIT,自由出流,v,O,O,1,2,2,H,一.简单管道的水力计算有压管道的进口是淹没的，出口分自由和淹没两种情况，它们的作用水头是不同的。

1,EXIT,上游总水头和下游测管水头之差，用于支付出口速度水头和全部水头损失（包括沿程损失及所有局部损失）。

v,O,O,1,1,22,H,改写,作用水头,EXIT,=H,0,=0,=,=,v,O,O,1,1,22,H,管系,流量系数,作用水头H,EXIT,v,O,O,1,1,2,2,淹没出流,z,h,=z+h,0,=,=,=h,作用水头z,EXIT,v,O,O,1,1,23,23,z,h,=z+h,0,=,=,用3-3断面作下游断面,0,=h,=,出口水头损失按突扩计算,EXIT,v,O,O,1,1,2,2,z,h,管系流量系数,淹没与自由出流相,比，作用水头不同，管系流量系数相同，局部损失中不包含2-2断面出口损失。

EXIT,流量模数与流量具有相同的量纲,如果作用水头的95%以上用于沿程水头损失，我们就可以略去局部损失及出口速度水头，认为全部作用水头消耗在沿程，这样的管道流动称为水力长管。

否则为水力短管。

水力长管,对水力长管，根据连续方程和谢才公式可知,长管:

作用水头全部用于支付沿程损失,EXIT,压强的沿程分布,入口断面0-0，任意断面i-i,通过有压管道定常流动的水力计算，容易确定沿程压强的分布，得到测压管水头线。

测压管水头线低于管轴线，为负压。

工程中有时需要避免压力的低值，为此找出管道中的压力最低点，检验其是否满足要求。

如压力过低，可采取调整管道位置高程、降低流速等措施解决。

EXIT,当液流局部地区的压强降低到一定程度时，液流,的内部会出现气体（或蒸汽）空泡或空穴，这种现象叫空化。

空化会造成水力机械效率的降低以及气泡在随后压强稍高的区域溃灭时的空蚀危害。

理论上认为压强低于当地温度下液体的蒸汽压强就要发生空化。

空化现象,今后有压管道恒定流动的水,头线可依据水力计算结果，比较精确地定量绘制。

有压管道恒定流动的水头线,EXIT,计算实例,z,z2,1,1,2,2,3,3,水泵最大真,空度不超过6m,l,2,l1,水泵扬程,流量Q，吸水管长l1，压水,管长l2，管径d，提水高度z，各局部水头损失系数，,沿程水头损失系数,要求,确定水泵允许安装高度,计算,已知,1离心泵管路系统的水力计算,EXIT,z,z2,1,21,2,3,3,l,2,l1,Q，d,v,EXIT,z,z2,1,21,2,3,3,l,2,l1,水泵扬程=提水高度+全部水头损失,EXIT,l1,1,3,2,l2,泄流量Q，画,出水头线,圆形隧洞,求,已知,2有压泄水道的水力计算,具体例子Q=392.5m3/s,EXIT,l1,1,2,l2,出口断面由A缩小为A2,新增出口局部损失出口流速管内流速3,具体例子Q=324m3/s,EXIT,l1,1,3,2,l2,出口断面缩小,出口流速稍有增大,管中流速却显著减小,出流量减小,沿程压强增高,EXIT,等值长度,二.复杂管道的水力计算,Q,3,l1,d1,l2,d2Q2,l3,d3,Q1,q,1,q,2,hf1,hf2,hf3,H,以沿程损失为主，必要时用等值长度计及局部损失。

水头线中不再画局部损失和速度水头。

EXIT,Q,3,l1,d1,l3,d3,Q1,l2,d2Q2q,1,q,2,hf1,hf2,hf3,H,各段流量间的关系由连续原理确定，又,可得n-1个方程,n段串联管道各段的流量、流速、管径、,长度可不同，各段损失分别计算然后叠加，认为作用水头全部用于沿程损失，可得一个方程,串联管道水力计算,EXIT,Q2Q3,Q1,hf1=hf2=hf3,hfAB,hfCD,H,A,B,C,D,n段并联管道的水头损失是相同的，给出,n-1个方程,并联管道水力计算,流量之和为总流量，又可得一个方程,EXIT,分枝状管网水力计算,分枝状管网应按最不利点设计干管，在干管各段的流量分配给定，管径由经济流速确定的情况下，可以决定所需作用水头。

此后的支管设计就成为已知水头和流量求管径的问题。

EXIT,环状管网水力计算对环状管网的每一个节点可写出连续方程，其中独立的比总节点数少一个。

管网中的每一个闭合环水头损失的代数和为零。

方程总个数恰为管网中的管段数。

独立节点数：

5独立闭合环：

2,管网中的管段数：

7,EXIT,工程上一般采用迭代法确定各管段流量分配，先给出流量分配初值，由经济流速确定管径，计算各闭合环水头损失代数和，根据各闭合环代数和的值，推求校正流量，重新进行流量分配，继续迭代过程，直至满足要求。

环状管网水力计算步骤,EXIT,63有压管道中的水击,水击现象简述水击波的压强增值水击波的传播速度水击现象的分析,EXIT,水击现象是一种典型的有压管,道非恒定流问题，在水击现象中，由于压强变化急剧，必须考虑流体的压缩性及管道的弹性。

有压管道流动的流量突变,流速突变,由于流动的惯性，造成压强大幅波动,水击现象的大致描述,流体的压缩性和管道的弹性使波动在管道中以有限的速度传播,一.水击现象简述,流体的压缩性及管道的弹性,EXIT,p,以阀门突然关闭为例，将有一个增压、增密度、增,管道断面积、减流速的过程从阀门向上游传播，压强、流速、密度、管道断面积的间断面在管道中运动，这就是水击波。

水击波,EXIT,的流体域的动量增量为cAv，受力为Ap，,这里，我们都略去了高,阶小量的影响。

根据动量定律，容易得到,二.水击波的压强增值,在已知水击波传播速度c的条件下，分析压强增量p与流速增量v的关系。

单位时间水击波通过,s,c,ct,v,p,p-cv,EXIT,s,ct,三.水击波的传播速度单位时间水击波通过的流体域中质量增量为cA+cA，因流速增量造成的流出该区域的质量流量为Av，根据质量守恒原理，易知v=-c（/+A/A），即p=c2（/+A/A），写成极限形式，则有cv,p,EXIT,K为液体的体积弹性系数,反映管壁的弹性,对于直径为D的圆管,E为管壁材料的弹性系数为管壁厚度,水击波传播速度取决于液体的压缩性和管壁的弹性,EXIT,为声波速度（水中约为1435m/s）。

可见若忽略管壁的弹性，即认为E=，则c=c0,水电站引水管D/，cms,对于直径为D的圆管,EXIT,四.水击现象的分析为了更清晰地说明水击波传播、反射、叠加的发展过程，考察上游水库与阀门间的长度为L的直圆管（BA）中因阀门A突然完全关闭发生的水击现象。

弹性力与惯性力起主要作用，忽略水头损失和流速水头。

在理解了水击波在A处的正反射和B处的负反射之后，可以列出0tL/c，L/ct2L/c，2L/ct3L/c，3L/ct4L/c四个阶段水击现象的物理特性。

L,B,A,EXIT,阶段,时段,速度,流速方向,压强变化,水击波,运动状态,液体状态,B,A,L,v0,c,h,h0,v-v0,pcv0,hcv0/g,全管原压强水头h0,v=0,第一阶段,EXIT,B,A,L,hcv0/gh0,v=0,时刻,全管速度,全管压强水头,水击波到达,液体状态,t=L/c,v=0,h0h,B点,压缩,第一阶段末,EXIT,B,A,L,hcv0/g