1、流体力学,流体力学,中国矿业大学电力工程学院,第六章,第六章 能量损失及管路计算,6.1 沿程阻力系数,6.2 局部阻力系数,6.3 管路计算,6.4 有压管路中的水击,6.5 明渠均匀流,6.1 沿程阻力系数,一、尼古拉兹实验,（1）层流区：,（2）第一过渡区： 2320Re4000,为层流向紊流过渡的不稳定区域。该区没有经验公式，实际计算时，可借用水力光滑管区的经验公式。,6.1 沿程阻力系数,（4）第二过渡区：,（5）水力粗糙区：,（3）水力光滑区：,6.1 沿程阻力系数,二、莫迪图,莫迪图用各种工业管道进行大量实验，将实验结果绘制成下图所示的曲线。,6.2 局部阻力系数,一、管道截面突
2、然扩大,取1-1、2-2截面及之间的管壁为控制体。由动量方程：,局部损失：,对截面1-1与2-2列出伯努利方程：,实验证明，作用于扩大管凸肩圆环上的压力：,6.2 局部阻力系数,控制体所受合力为：,由以上各式联立，得：,局部损失系数为：,（按小截面流速计算）,（按大截面流速计算）,由连续性方程：,6.2 局部阻力系数,二、管道截面逐渐缩小,截面逐渐缩小的局部损失为：,沿程阻力系数 取进出口的平均值。,三、局部装置的当量管长,四、能量损失的叠加,6.3 管路计算,简单管路,指管道的直径和壁面粗糙度沿程不变的一根管子或数根管子串联在一起的管道系统。,复杂管路,复杂管路由若干条简单管路以一定方式组合
3、而成，按组合形式不同复杂管路又可分为串联管路、并联管路、分支管路和管网。,管路计算原则,总流伯努利方程和能量损失基本公式的综合应用。,6.3 管路计算,一、简单管路,计算步骤：,这类问题相当于管路铺设后（已知管路的几何尺），要求能够满足一定过流能力的水泵扬程。,第一类：已知 、 、 、 、 ，求,(a) 由流量和直径可求出管内流速：,(b) 确定雷诺数：,(c) 由雷诺数和相对粗糙度，可确定：,(d) 根据达西公式可求出沿程阻力损失：,6.3 管路计算,计算步骤：,这类问题相当于管路铺设后，在一定的阻力损失下（即水泵扬程已定），计算管路的过流能力。,第二类：已知 ， ， ， ， ，求,(a)
4、根据达西公式：,(b) 任取一个 1，由上式可得流速 v1，并计算雷诺数 Re1,(c) 由该雷诺数 Re1和管路的相对粗糙度，可计算出一个新的沿程阻力系数 2,(d) 比较 1与 2的大小，如果两者的误差比给定的精度大，则取 = 2，再回到（b）循环计算。,6.3 管路计算,计算步骤：,这类问题相当于在一定的阻力损失下（即水泵扬程已定），设计满足给定过流能力的管路尺寸。,第三类：已知 ， ， ， ， ，求,(b) 任取一个 d1，由流量可得流速 v1，并计算雷诺数 Re1,(c) 由该雷诺数 Re1和管路的相对粗糙度，可计算出一个沿程阻力系数 1,(d) 根据上面推导出的直径表达式，求得一个
5、新的直径d2,(e) 比较 d1与 d2，如不满足给定误差，则取 d = d2，再回（b）循环计算。,6.3 管路计算,二、串联管路,第一类：已知流过串联管道的流量 ，求所需的总水头,串联管路的流动特点：,串联管路,由不同直径或粗糙度的数段管子连接在一起的管道。,6.3 管路计算,计算步骤,第二类：已知总水头 H，求串联管道的过流能力,(a) 任取第一根管段的阻力损失为 ，则该管段的计算为简单管路的第二类问题，可得第一根管段的流量,计算步骤,根据串联管路的流动特点，各管段的流量也是已知的； 这类问题的计算变成各简单管路第一类问题的计算； 各管段阻力损失累加就是串联管道所需的总水头 H。,(b)
6、 根据串联管道的流动特点，可得其余管段的流量为：,6.3 管路计算,(c) 对第 i 根管段，由简单管路的第一类计算步骤，可求出其阻力损失,(d) 将已知的总水头 H ，按照比例进行分配：,(e) 由上一步得到的各管段的阻力损失，按照简单管路第二类问题的求解步骤，可得到各管段的流量,(f) 串联管路各段的 应该相等；两两比较各管段流量的大小，如果误差比给定的精度大，则取 ，再回到(a) 循环计算。,6.3 管路计算,三、并联管路,第一类：已知管路两端的静压力，也即并联管道的水头损失，求总流量,并联管路的流动特点：,并联管路,多条简单管路首尾分别相连的管道。,6.3 管路计算,计算步骤：,第二类
7、：已知总流量，求各分管道中的流量及水头损失,(a) 任取第一根管段的流量为 ，则第一根管段的计算为简单管路第一类问题，得第一根管段的损失,计算步骤：,根据并联管路流动特点，各管段的水头损失也是已知的； 对各分管路来说，变成串联（或简单）管路的第二类问题，即已知水头损失求流量； 并联管道的总流量等于各分管的流量和。,6.3 管路计算,(c) 对第 i 根管段，由简单管路的第二类计算步骤，可求出其阻力损失,(d) 将已知的流量按照比例进行分配：,(e) 根据上一步计算得到的各管段的流量，按照简单管路第一类问题的求解步骤，可以得到各管段的损失,(f) 并联管路各段的 应该相等；两两比较各管段损失的大
8、小，如果误差比给定的精度大，则取 ，再回到(a) 循环计算。,(b) 根据并联管道的流动特点，其余管段的损失为：,6.3 管路计算,四、分支管路及管网,环状管网的水力计算必须满足以下两个条件：,管网是一种非常复杂的管路系统，通常分为两类：枝状管网和环状管网,（1）流入结点的流量应等于流出结点的流量。,（2）任一环路中，由某一结点沿两个方向到另一结点的水头损失应相等。,6.4 有压管路的水击,一、水击现象的发展过程,第一阶段：减速升压过程,第二阶段：压力恢复过程,第四阶段：压力恢复过程,第三阶段：压力降低过程,6.4 有压管路的水击,二、水击压强的计算,直接水击压强计算公式：,水击波的传播速度：,（a）在可能出现水击的地方，设置蓄能器； （b）缓慢启闭阀门，避免产生直接水击并可降低间接水击强度； （c）在管路上安装调压塔，使水击压力尽快衰减。,三、减弱水击的措施,第六章小结,【本章重点】,沿程阻力系数与局部阻力系数；管道水力计算。,【本章难点】,【学习目标】,管路系统的水力计算流程与计算方法。,掌握沿程损失系数、局部损失系数变化规律，重点掌握管路中沿程阻力和局部阻力计算；能进行管路水力计算。,
