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

1、,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

2、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

3、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

4、 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

5、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

6、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,

7、=,=,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

8、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

9、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

10、,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

11、 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,hf 1=hf 2=hf 3,hf AB,hf CD,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

12、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

13、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。

14、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1435 m/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/，c ms,对于直径为D

15、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,p cv0,h cv0/g,全管原压 强水头h0,v=0,第一阶段,EXIT,B,A,L,h cv0/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,h cv0/g