[工学]第三章孔口、管嘴流动课件.ppt

1、Jiangsu University1第三章第三章 管路、孔口、管嘴的水力计算管路、孔口、管嘴的水力计算 实际流体具有粘性，流体在运动过程中因克服粘性阻力而消耗的机械实际流体具有粘性，流体在运动过程中因克服粘性阻力而消耗的机械能称为水头损失。能称为水头损失。jfwhhh1沿程损失沿程损失fh它是流体克服粘性阻力而产生的能它是流体克服粘性阻力而产生的能量损失，流程越长，所损失的能量量损失，流程越长，所损失的能量越多，沿程损失因此而得名。越多，沿程损失因此而得名。gvdlhf22Jiangsu University22局部损失局部损失流体运动中，如果遇到因边界发生急剧变化的局部障碍（如突然扩大、阀

2、门流体运动中，如果遇到因边界发生急剧变化的局部障碍（如突然扩大、阀门等），会引起流线弯曲、流体脱离边界、旋涡等，而产生水头损失，由于这等），会引起流线弯曲、流体脱离边界、旋涡等，而产生水头损失，由于这种损失发生在局部范围内，故称为局部损失。种损失发生在局部范围内，故称为局部损失。gVhj22：局部阻力系数。：局部阻力系数。如果管道由若干管段组成，并有多处局部损失，则管道总的水头损失等于如果管道由若干管段组成，并有多处局部损失，则管道总的水头损失等于各段的沿程损失和各处局部损失之和。各段的沿程损失和各处局部损失之和。jfwhhhJiangsu University3第一节第一节 流体运动的两种流

3、态流体运动的两种流态在在19世纪初，许多研究者发现圆管流动中的水头损失与速度大小有关，当世纪初，许多研究者发现圆管流动中的水头损失与速度大小有关，当速度比较小的时候，水头损失与速度一次方成正比，而速度比较大时，水速度比较小的时候，水头损失与速度一次方成正比，而速度比较大时，水头损失与速度的二次方或接近二次方成正比。头损失与速度的二次方或接近二次方成正比。1883年英国科学家年英国科学家Reynolds进行了流动阻力实验。实验发现水头损失与速度的关系之所以不同，是因进行了流动阻力实验。实验发现水头损失与速度的关系之所以不同，是因为流动存在两种不同的流态：层流和湍流。为流动存在两种不同的流态：层流

4、和湍流。一、实验装置一、实验装置雷诺实验装置由稳压水箱、实验雷诺实验装置由稳压水箱、实验管段、测压管以及有色液体注入管段、测压管以及有色液体注入管组成。水箱内装有溢流挡板，管组成。水箱内装有溢流挡板，使水位保持恒定，实验管段后端使水位保持恒定，实验管段后端装有调节流量的阀门。两测压管装有调节流量的阀门。两测压管的高差的高差=此管段的沿程损失。此管段的沿程损失。gphfJiangsu University4当水箱中水稳定后，即在定常流条件下，打开阀门，使流速由小变大，流当水箱中水稳定后，即在定常流条件下，打开阀门，使流速由小变大，流速较小时，可以清楚地观察到管中的有色液体为一条直线，这说明水流以

5、速较小时，可以清楚地观察到管中的有色液体为一条直线，这说明水流以一种规律相同、互不混杂的形式作分层流动，称为层流。一种规律相同、互不混杂的形式作分层流动，称为层流。继续开大阀门，流速逐渐增大，这时可以观察到有色液体线发生波动、弯继续开大阀门，流速逐渐增大，这时可以观察到有色液体线发生波动、弯曲，随着流速的增加，波动愈来愈烈，有色液体线断裂，变成许许多多大曲，随着流速的增加，波动愈来愈烈，有色液体线断裂，变成许许多多大大小小的旋涡，此时有色液体和周围水体掺混，这种流态称为湍流。介于大小小的旋涡，此时有色液体和周围水体掺混，这种流态称为湍流。介于层流与湍流之间的流态称为过渡状态。通常将过渡状态归入

6、湍流中。层流与湍流之间的流态称为过渡状态。通常将过渡状态归入湍流中。当流态变为湍流后，如果逐渐关小阀门，可以看到有色液体线慢慢变得清当流态变为湍流后，如果逐渐关小阀门，可以看到有色液体线慢慢变得清晰，当流速降为某个值时，有色液体线又成一条直线，这说明流态从湍流晰，当流速降为某个值时，有色液体线又成一条直线，这说明流态从湍流又恢复为层流。又恢复为层流。Jiangsu University5二、流态判别二、流态判别cvv cvvccvvv层流层流 湍流湍流 过渡区（归入湍流中）过渡区（归入湍流中）雷诺通过大量的实验发现，不论管径雷诺通过大量的实验发现，不论管径d，运动粘度，运动粘度如何变化如何变化

7、,无量纲量：无量纲量：ccdvRe是个定值，称为临界雷诺数。分为下临界雷诺数和上临界雷诺数。是个定值，称为临界雷诺数。分为下临界雷诺数和上临界雷诺数。）（eRReRe eRRe ReRe归入湍流中过渡区湍流层流ccccJiangsu University6雷诺本人得到的下临界雷诺数为雷诺本人得到的下临界雷诺数为2300，上临界雷诺数为，上临界雷诺数为14000。很多学者。很多学者也进行了这一实验，所得到的下临界雷数基本上等于也进行了这一实验，所得到的下临界雷数基本上等于2300，但各人所得到，但各人所得到的上临界雷诺数的值相差很大，最高可达的上临界雷诺数的值相差很大，最高可达105。在实际情况

8、下，过渡区极不稳定，遇到外界扰动时，很容易变成湍流，所以在实际情况下，过渡区极不稳定，遇到外界扰动时，很容易变成湍流，所以通常将它归入湍流，于是将下临界雷诺数作为判别标准。对于圆管：通常将它归入湍流，于是将下临界雷诺数作为判别标准。对于圆管：湍流层流 2300Re 2300Re其他形状的管路：其他形状的管路：HvdReva3va2vcRe2070 1930 1100Jiangsu University7三、管中层、湍流的水头损失规律三、管中层、湍流的水头损失规律 gphf对于管道中的某一平均流速，测出管对于管道中的某一平均流速，测出管段的沿程损失，并将测量数据标示在段的沿程损失，并将测量数据标

9、示在对数坐标纸上。得到对数坐标纸上。得到 曲线。曲线。vhf当流速由小变大时，实验点落在当流速由小变大时，实验点落在ABCD上，当流速由大变小时，实验点落在上，当流速由大变小时，实验点落在DEA上。上。vmKhflglglgmfKvh Jiangsu University8第二节第二节 圆管中的层流圆管中的层流流动恒定，根据牛顿第二定律，流动恒定，根据牛顿第二定律，轴向受力平衡：轴向受力平衡：4op dl 2211221222ffpvpvzzhggggphg21221202pprrlpprl 一、切应力的分布一、切应力的分布12在壁面处取得最大切应力：22fl vhdg208vJiangsu

10、University92dvp rdyl dvdy2dvprdyl 二、速度分布二、速度分布由牛顿内摩擦定律由牛顿内摩擦定律24pvrCl 204rRvpCRl当时，22()4pvRrlJiangsu University104220248RppRQv dARrrdrll42288pRQpRlvARl2max4pRvll 流量流量l 平均流速平均流速max12vv 332v dAvAJiangsu University11 2243v dAvA222832642fplvlvlvhgRgdgdgv d22fl vhdgl 层流中动能修正系数层流中动能修正系数l 沿程损失沿程损失6464Rev d

11、对照达西公式：对照达西公式：所以，层流沿程阻力系数为所以，层流沿程阻力系数为Jiangsu University12起始段长度起始段长度l:从进口速从进口速度接近均匀到管中心流度接近均匀到管中心流速到达最大值的距离。速到达最大值的距离。三、圆管的起始段三、圆管的起始段Jiangsu University13第三节第三节 圆管中的湍流圆管中的湍流一、层流向湍流的转变一、层流向湍流的转变 前面讲过，当流动雷诺数高于某一临界值时，粘性流动就有可能从层前面讲过，当流动雷诺数高于某一临界值时，粘性流动就有可能从层流过渡到湍流状态。雷诺数越高，流动越容易变为湍流。但是发生过渡的流过渡到湍流状态。雷诺数越高

12、，流动越容易变为湍流。但是发生过渡的雷诺数并不总是一定的，它还取决于流体所受扰动的大小。这些扰动可以雷诺数并不总是一定的，它还取决于流体所受扰动的大小。这些扰动可以是来流速度的不均匀、物体表面的粗糙、流体中掺混杂质的多少、或是来是来流速度的不均匀、物体表面的粗糙、流体中掺混杂质的多少、或是来流温度的不均匀等。流温度的不均匀等。在雷诺数较低时，这些扰动受到粘性阻尼作用而衰减，所以能保持层在雷诺数较低时，这些扰动受到粘性阻尼作用而衰减，所以能保持层流状态。在雷诺数高到一定程度时，流体惯性力远超过粘性力，惯性力使流状态。在雷诺数高到一定程度时，流体惯性力远超过粘性力，惯性力使扰动放大，当超过了粘性力

13、的阻尼作用，扰动得到发展，最终出现湍流。扰动放大，当超过了粘性力的阻尼作用，扰动得到发展，最终出现湍流。人们通过小心控制实验条件，避免各种扰动因素，可大大推迟发生过人们通过小心控制实验条件，避免各种扰动因素，可大大推迟发生过渡的雷诺数。渡的雷诺数。二、时均流动与脉动二、时均流动与脉动湍流是每个流体质点在宏观空间尺度上和在时间上作随机运动的流动湍流是每个流体质点在宏观空间尺度上和在时间上作随机运动的流动。平均的方法有许多种，最常用的是对时间取平均的方法，叫做时均法。平均的方法有许多种，最常用的是对时间取平均的方法，叫做时均法。Jiangsu University14Ttv时均速度时均速度瞬时速度

14、时均速度脉动速度瞬时速度时均速度脉动速度dtvTvTxx01xxxvvv0)(10dttvTvTxx脉动值的时段平均值脉动值的时段平均值 yyyvvv同理：同理：zzzvvvpppJiangsu University15 1.瞬时速度瞬时速度v，瞬时压强，瞬时压强p 表示在某一时刻湍流流场中某一点的速度、压强的真实值。表示在某一时刻湍流流场中某一点的速度、压强的真实值。2.时均速度时均速度 ，时均压强，时均压强表示在一定时段内，湍流流场中某空间点上速度、压强的时间平均值，但要表示在一定时段内，湍流流场中某空间点上速度、压强的时间平均值，但要注意，在过流断面上不同点有不同的时间平均值。注意，在过

15、流断面上不同点有不同的时间平均值。vp3.脉动速度脉动速度 ，脉动压强，脉动压强表示在某一空间点上速度、压强的真实值与时均值的差值。表示在某一空间点上速度、压强的真实值与时均值的差值。vp4.断面平均流速断面平均流速V表示过流断面上所有点的时均速度的平均值，断面上各点的平均速度是相表示过流断面上所有点的时均速度的平均值，断面上各点的平均速度是相同的。同的。Jiangsu University16三、湍流中的附加切应力三、湍流中的附加切应力 脉动速度会引起湍流的动量交换，从而会产生湍流附加切应力。下面用脉动速度会引起湍流的动量交换，从而会产生湍流附加切应力。下面用动量定理导出湍流中的附加切应力。

16、动量定理导出湍流中的附加切应力。dAvy底面脉动进入的质量底面脉动进入的质量xv产生的横向脉动速度产生的横向脉动速度引起控制体内的动量变化引起控制体内的动量变化 xydAvv动量变化必然引起两个动量变化必然引起两个流层之间的切向作用力流层之间的切向作用力 xyxdAvvFyxtvv上式是湍流附加切应力以脉动速度表示的形式，是雷诺于上式是湍流附加切应力以脉动速度表示的形式，是雷诺于1895年提出年提出的，称为雷诺切应力。的，称为雷诺切应力。t湍流中总的应力湍流中总的应力Jiangsu University17四、四、Prandtl混合长理论混合长理论普朗特认为：与气体分子的运动要经过一段自由行程

17、相类似，流体微团在普朗特认为：与气体分子的运动要经过一段自由行程相类似，流体微团在横向脉动过程中也经过一段路程，即流体微团在与其他流体微团碰撞之前横向脉动过程中也经过一段路程，即流体微团在与其他流体微团碰撞之前要经过一段距离。流体微团把它原来的动量带到新的位置，完成动量交换要经过一段距离。流体微团把它原来的动量带到新的位置，完成动量交换。称为混合长度或自由行程。称为混合长度或自由行程。lldyvd )y(v ldyvd)y(v )y(v)ly(vvxxxxxxxldyvdvxxxyvvJiangsu University18因此湍流的附加切应力可以表示为：因此湍流的附加切应力可以表示为：22)

18、(dyvdlcvvxyx22)(dyvdLvvxyxtdyvddyvdLxxt2L称为普朗特混合长度。称为普朗特混合长度。与牛顿内摩擦公式相比，可得：与牛顿内摩擦公式相比，可得：dyvdLxt2dyvd)(dyvddyvdLdyvdxtxxxt2 普朗特混合长度理论的物理意义在于：把脉动切向应力与时均速度联普朗特混合长度理论的物理意义在于：把脉动切向应力与时均速度联系起来，得出脉动切向应力与时均速度梯度的平方成正比的关系，脉动切系起来，得出脉动切向应力与时均速度梯度的平方成正比的关系，脉动切向应力本应该和脉动速度相联系，但是脉动速度难于测量。向应力本应该和脉动速度相联系，但是脉动速度难于测量。

19、Jiangsu University19五、圆管湍流的结构五、圆管湍流的结构1.湍流结构湍流结构湍流核心区湍流核心区过渡区过渡区粘性底层粘性底层湍流区湍流区Jiangsu University202.水力光滑管，水力粗糙管水力光滑管，水力粗糙管根据粘性底层的厚度和管壁粗糙度之间的相互根据粘性底层的厚度和管壁粗糙度之间的相互关系，将管道分成水力光滑管和水力粗糙管。关系，将管道分成水力光滑管和水力粗糙管。管壁的粗糙凸出部分完全被粘性底层所淹管壁的粗糙凸出部分完全被粘性底层所淹没，粗糙度对湍流核心几乎没有什么影响没，粗糙度对湍流核心几乎没有什么影响，流动类似在光滑壁面上的流动。，流动类似在光滑壁面上

20、的流动。水力光滑管水力光滑管湍流核心部分和管壁粗糙直接接触，流体湍流核心部分和管壁粗糙直接接触，流体流过凸起部分时会产生旋涡，从而加剧紊流过凸起部分时会产生旋涡，从而加剧紊乱，造成新的能量损失，这时粗糙管对湍乱，造成新的能量损失，这时粗糙管对湍流流动产生较大影响。流流动产生较大影响。水力粗糙管水力粗糙管水力光滑管到水力粗糙管的过渡水力光滑管到水力粗糙管的过渡 Jiangsu University21六、圆管湍流的速度分布六、圆管湍流的速度分布粘性底层：粘性底层的流动属于层流流动，湍流附加切应力为零。粘性底层：粘性底层的流动属于层流流动，湍流附加切应力为零。湍流区：在湍流核心中，流体的切应力主要

21、是湍流附加切应力。湍流区：在湍流核心中，流体的切应力主要是湍流附加切应力。0dydvx粘性底层很薄，在此薄层内流体的切应力可近似用壁面上的切应力表示，粘性底层很薄，在此薄层内流体的切应力可近似用壁面上的切应力表示，并对其积分得：并对其积分得：yvx022)(dydvLxyL 令4.0卡门常数卡门常数222)(dyvdyx量纲为L/T，称为切应力速度，记做v222*)(dyvdyvxCyvvxln1*上式表明：湍流核心区的速度分布具有对数函数的形式，它比旋转抛物面上式表明：湍流核心区的速度分布具有对数函数的形式，它比旋转抛物面的分布要均匀得多。这主要是脉动速度使流体质点之间发生强烈的动量交的分布

22、要均匀得多。这主要是脉动速度使流体质点之间发生强烈的动量交换，速度分布趋于均匀。换，速度分布趋于均匀。Jiangsu University22对数函数对数函数二次函数二次函数动量修正系数：动量修正系数：动能修正系数：动能修正系数：01.01.Jiangsu University23第四节第四节 管路中的沿程损失管路中的沿程损失：沿程损失阻力系数：沿程损失阻力系数gvdlhf22层流的沿程阻力系数已经用分析的方法推导出来，并为实验所证实。对层流的沿程阻力系数已经用分析的方法推导出来，并为实验所证实。对于湍流，人们通常用尼古拉兹实验曲线和莫迪图来确定沿程阻力系数。于湍流，人们通常用尼古拉兹实验曲线

23、和莫迪图来确定沿程阻力系数。一、尼古拉兹实验一、尼古拉兹实验)(Re,dfJ.Nikuradse在在1933年发表其成果。年发表其成果。101415041252112012611301,.,d610500Re Jiangsu University24与无关，仅与Re有关Ref 层流区层流区 Re23006种管流的试验点都落在同一直线ab上164Refhv二、实验成果分析二、实验成果分析Jiangsu University25 层流湍流过渡区层流湍流过渡区 2300Re4000 试验点分布在试验点分布在区，波动不规则。该区范围较小，工程实际中区，波动不规则。该区范围较小，工程实际中Re在在这个区

24、域很少，对它的研究也较少，通常按水力光滑管处理。这个区域很少，对它的研究也较少，通常按水力光滑管处理。5560.2374000Re10Re0.22110Re3 100.0032Re 0.250.3164布拉修斯公式 尼古拉兹公式 湍流水力光滑区湍流水力光滑区 4000Re26.98（d/)8/7与无关，仅与Re有关Ref试验点都落在同一直线cd上1.75fhvJiangsu University2621.42lg Red21.42lg Red 湍流水力过渡区湍流水力过渡区 26.98（d/)8/7 Re（0.5d/)0.85试验点连线呈水平线与Re 无关，仅与有关原因：粗糙度掩盖了粘性底层原因

25、：粗糙度掩盖了粘性底层，粘性底层不起作用。，粘性底层不起作用。2fhvJiangsu University28三、莫迪图三、莫迪图 1944年，莫迪提供了工业管道沿程阻力系数与年，莫迪提供了工业管道沿程阻力系数与Re和相对粗糙度之间的和相对粗糙度之间的关系曲线，图中湍流水力过渡区按柯罗布鲁克公式绘制，求出关系曲线，图中湍流水力过渡区按柯罗布鲁克公式绘制，求出Re和管道的和管道的相对粗糙度，在莫迪图中可直接查出相对粗糙度，在莫迪图中可直接查出的值。的值。与尼古拉兹曲线图的差与尼古拉兹曲线图的差异：莫迪图没有层流到异：莫迪图没有层流到湍流过渡区的实验点，湍流过渡区的实验点，在工业管道上难得到这在工

26、业管道上难得到这一过渡状态。此外，对一过渡状态。此外，对于莫迪图，也没有离开于莫迪图，也没有离开光滑管区后的阻力系数光滑管区后的阻力系数曲线的回升部分，阻力曲线的回升部分，阻力系数随雷诺数增加略为系数随雷诺数增加略为减小，一直到完全粗糙减小，一直到完全粗糙为止。为止。Jiangsu University29第五节第五节 管路中的局部损失管路中的局部损失 一、局部损失产生的原因一、局部损失产生的原因 1.1.旋涡损失旋涡损失 旋涡损失应包括：旋涡损失应包括：1 1）旋）旋涡本身的损失；涡本身的损失；2 2）主流）主流、旋涡区质量交换产生、旋涡区质量交换产生的损失。的损失。2.2.速度分布调整产生

27、的损失速度分布调整产生的损失 流体从小管进入大管，流速减小，即速度分布的调整不仅加剧流动的内流体从小管进入大管，流速减小，即速度分布的调整不仅加剧流动的内部摩擦，而且还会引起流体质点的前后撞击，从而造成损失。部摩擦，而且还会引起流体质点的前后撞击，从而造成损失。Jiangsu University303 3、转向损失、转向损失 流体在转弯时，由于离心力的流体在转弯时，由于离心力的作用，将流体质点从内侧挤向作用，将流体质点从内侧挤向外侧，使外侧压力增加，内侧外侧，使外侧压力增加，内侧压力减小，在压差作用下，近压力减小，在压差作用下，近壁处的流体质点沿壁面从外侧壁处的流体质点沿壁面从外侧高压区）向

28、内侧（低压区）流高压区）向内侧（低压区）流动，并在内侧中心汇合，形成动，并在内侧中心汇合，形成回流，这一环流称为二次流回流，这一环流称为二次流 解决办法解决办法局部出现的旋涡区、二次流局部出现的旋涡区、二次流以及速度分布调整是局部损以及速度分布调整是局部损失的主要原因。失的主要原因。Jiangsu University31二、截面突然扩大的局部阻力系数二、截面突然扩大的局部阻力系数 图示圆管从突扩到，在截面突扩处，流线发生弯曲，并在拐角处形成旋涡图示圆管从突扩到，在截面突扩处，流线发生弯曲，并在拐角处形成旋涡区。在距突扩处约的下游，旋涡消失，流线接近平行。区。在距突扩处约的下游，旋涡消失，流线

29、接近平行。jhgvgpzgvgpz222222221111 2222121gvvgpphj)(1122xxxvvQF)()(1222221211vvAvApAApAp )(12221vvgvgppgvvhj2)(221Jiangsu University32gvvhj2)(221:Jean-Charles de Borda定理定理gvgvAAhj22)1(21121221gvgvAAhj22)1(22222212对应上游速度水头对应上游速度水头对应下游速度水头对应下游速度水头2211)1(AA2122)1(AA特例：特例：gvhj221112211)1(AA12AA Jiangsu Unive

30、rsity33三、其他管件三、其他管件1.1.逐渐扩大逐渐扩大 212)1(AAK75最佳最佳2.2.突然缩小突然缩小 212)1(5.0AA012AA212)1(5.0AA5.0Jiangsu University343.逐渐缩小逐渐缩小 04.02010四、局部阻力系数选择，计算时注意：四、局部阻力系数选择，计算时注意：1.1.沿程损失指的是静压差，局部损失包括两部分。沿程损失指的是静压差，局部损失包括两部分。2.2.当二个局部装置相距很近时，局部阻力系数不能简单相加，而应重新当二个局部装置相距很近时，局部阻力系数不能简单相加，而应重新实验。如实验。如Z Z型折管。型折管。Jiangsu

31、University353.22 2个弯管叠加：个弯管叠加：22.4max最大阻力系数：最大阻力系数：61.1最小阻力系数：最小阻力系数：3.3.手册中的局部阻力系数均在阻力平方手册中的局部阻力系数均在阻力平方区获得的。实际局部阻力系数跟区获得的。实际局部阻力系数跟ReRe有关。有关。Jiangsu University36第六节第六节 管路的水力计算管路的水力计算 计算管路流量计算管路流量Q、管路的尺寸（、管路的尺寸（d）与作用水头）与作用水头(H或者或者hf)。22112222221111 22AvAvhgvgpzgvgpzwgvhgvdlhhjfw22 22)(Re,df?求解求解Jia

32、ngsu University37管路的分类：管路的分类：按结构：按结构：按计算特点按计算特点 fjhgvh%5)2(2长管长管短管短管fjhgvh%5)2(2Jiangsu University38一、短管水力计算一、短管水力计算 解：列解：列0-00-0到到1-11-1两断面的伯努利方程两断面的伯努利方程 whgvgpzgvgpz222111120000简化简化 212whgvHJiangsu University39)(jfwhhhgvdlgvdlllhf222222211431211222dvdvgvdddldlll2)(21421221431gvhj2)(21阀缩扩进1v扩gv27.

33、12021gv204.521gvhgvHw274.125221 21svm 57.11slQ 08.3Jiangsu University40解：列解：列1-11-1到到2-22-2两断面的两断面的B.E.B.E.gvgvdllhHw2)2(22221出弯进whgvgpzgvgpz222222221111smv42.281.920.13.020.12.01815025.022vsmQ3076.0Jiangsu University41解：解：1.1.列列0-00-0，2-22-2的的B.EB.E（有能量输入的（有能量输入的B.EB.E）whhHgvdlgvdlhw2)2(2)(22222111

34、出弯阀弯进smdQv241211smdQv54.34122281.9254.3)0.13.029.315.0180026.0(81.922)322.012026.0(22whJiangsu University42m46.2367.2279.0m 46.12346.23100whhH2.2.列列0-00-0，1-11-1的的B.E B.E 10211120wshgvgphmhw 79.0100.679.081.92272sshhmhs 0.6二、长管水力计算二、长管水力计算 在长管水力计算中，根据管道系统的不同特点，又可分为简单管路，串联在长管水力计算中，根据管道系统的不同特点，又可分为简单管

35、路，串联管路、并联管路、管网等。管路、并联管路、管网等。Jiangsu University431.1.等直径管路等直径管路 列列1-11-1，2-22-2的的B.E B.E whgvH2220222gv0jhfwhhH22522228)41(212KQQgdldQgdlgvdlhf2KQH 528gdlKJiangsu University442.2.串联管路串联管路 通过串联管道各管段的流量是通过串联管道各管段的流量是相同的；串联管道的损失应等相同的；串联管道的损失应等于各管段损失的总和。于各管段损失的总和。321QQQQ321ffffhhhhH解：由串联管路的总损失解：由串联管路的总损失

36、=各段损失之和。各段损失之和。gvdlgvdlgvdlhhhHfff222233332222221111321Jiangsu University45211141dQv222241dQv233341dQv23212532335222251211)()888(QKKKQdgldgldglHsmQ3032.0Jiangsu University463.3.并联管路并联管路 321QQQQ321ffffhhhh321fffhhhJiangsu University474.4.枝状管路枝状管路 枝状管路的水力计算，主要枝状管路的水力计算，主要确定管段的直径和水力损失确定管段的直径和水力损失，在此基础上

37、确定水塔高度，在此基础上确定水塔高度（或供水压力）。（或供水压力）。Jiangsu University48第七节第七节 管路中的水击管路中的水击 在有压管道中，由于某种原因引起的管路中流速发生突然变化时，例如阀门在有压管道中，由于某种原因引起的管路中流速发生突然变化时，例如阀门突然开、关，水泵、水轮机机组突然停机等，会引起管道局部压强急剧升高突然开、关，水泵、水轮机机组突然停机等，会引起管道局部压强急剧升高、降低。这种现象称为水击，或称水锤。、降低。这种现象称为水击，或称水锤。一、水击的物理过程一、水击的物理过程 水击发生的根本原因在于液体水击发生的根本原因在于液体的可压缩性和管壁的弹性。的

38、可压缩性和管壁的弹性。图示管道长图示管道长L L，直径，直径d d，其上游，其上游B B点连接水池，下游出口点连接水池，下游出口A A处装有阀门。处装有阀门。设水击前管中流速设水击前管中流速 0v，设水击前管中压强为，设水击前管中压强为 ,0pgHp0假设假设A A处阀门迅速关闭，即关闭时间为零。处阀门迅速关闭，即关闭时间为零。1 1升压过程升压过程 Clt00Jiangsu University492.2.压强恢复过程压强恢复过程 ClCltCl2 3 3压强降低过程压强降低过程 ClCltCl3224 4压强恢复过程压强恢复过程 ClCltCl433阀门阀门A A处压强随时间的变化规律：处

39、压强随时间的变化规律：Jiangsu University50二、直接水击与间接水击二、直接水击与间接水击 水击波的相：水击波的相：cltr2水击波的周期：水击波的周期：rtclT24阀门关闭时间：阀门关闭时间：strstt:直接水击直接水击 :间接水击间接水击 rstt 三、水击压强的计算三、水击压强的计算 在在t t时间内，阀门处产生的增压波时间内，阀门处产生的增压波向左传播的距离为向左传播的距离为s=cs=ct t，在，在s s管段内液体流速为零。管段内液体流速为零。pp0AAtmvFxxJiangsu University51)()(00AAppAAptvsAA)0()(00cvptc

40、s)(0vvcpsrttcvp0Jiangsu University52四、水击波的传播速度四、水击波的传播速度 Kc K液体体积模量液体体积模量 28106.20mNKsmc1435EeKdKK1管壁的弹性变形会影响压力波的传播，水中的体积模量需要进行修正管壁的弹性变形会影响压力波的传播，水中的体积模量需要进行修正 E E：管壁材料的弹性模量；：管壁材料的弹性模量；e:e:管壁厚度；管壁厚度；d d：管道内径。：管道内径。EeKdKC1Jiangsu University53五、减小水击压强的措施五、减小水击压强的措施 1 1延长阀门开闭时间，使阀门开闭平缓。延长阀门开闭时间，使阀门开闭平缓

41、。2 2改变管道设计改变管道设计在保证流量的条件下，尽量采用大口径的管道，目的减小管内流速。在保证流量的条件下，尽量采用大口径的管道，目的减小管内流速。3 3设立缓冲装置设立缓冲装置在管道中设置空气蓄能器、调压塔、安全阀等缓冲装置，用以吸收压在管道中设置空气蓄能器、调压塔、安全阀等缓冲装置，用以吸收压力波能量，缓解水击压强。力波能量，缓解水击压强。Jiangsu University54例题：水流速度为例题：水流速度为3m/s3m/s，在直径为，在直径为200mm200mm，厚度为，厚度为6mm6mm，管长为，管长为120m120m的钢管道的钢管道内流动，试计算管道出口处阀门突然完全关闭和阀门

42、部分关闭，速度减小到内流动，试计算管道出口处阀门突然完全关闭和阀门部分关闭，速度减小到1.8m/s1.8m/s时，理论上的压力波动间隔（相长）和最大水击压强。时，理论上的压力波动间隔（相长）和最大水击压强。Jiangsu University55第八节第八节 孔口与管嘴出流孔口与管嘴出流 一、分类一、分类 1 1薄壁孔口、厚壁孔口（管嘴）薄壁孔口、厚壁孔口（管嘴）2 2小孔口、大孔口小孔口、大孔口 3 3自由孔口出流和淹没孔口出流自由孔口出流和淹没孔口出流 二、薄壁孔口出流（定常流）二、薄壁孔口出流（定常流）如图所示，孔口出流时，水流由各方如图所示，孔口出流时，水流由各方向孔口汇集，由于水流的

43、惯性作用，向孔口汇集，由于水流的惯性作用，流体不能转折，收缩形成最小断面流体不能转折，收缩形成最小断面C-C-C C，称为收缩断面，而后，在重力的，称为收缩断面，而后，在重力的影响下下落影响下下落 Jiangsu University56Jiangsu University57二、管嘴出流二、管嘴出流 在薄壁孔口上连接一段长在薄壁孔口上连接一段长L=(3-4)dL=(3-4)d的短管，称为管嘴。的短管，称为管嘴。Jiangsu University58出流特点：出流特点：管嘴出流特点是：当液体进入管嘴出流特点是：当液体进入管嘴后，与孔口时相似，同样管嘴后，与孔口时相似，同样形成收缩，在收缩处，液体与形成收缩，在收缩处，液体与管壁分离，形成旋涡区，然而管壁分离，形成旋涡区，然而又逐渐扩大，在管嘴出口断面又逐渐扩大，在管嘴出口断面上，液面完全充满整个断面。上，液面完全充满整个断面。实验观察表明：在收缩断面处，液流和管壁脱离形成环状真空区，由于实验观察表明：在收缩断面处，液流和管壁脱离形成环状真空区，由于真空区的存在，对水箱来流产生抽吸作用，从而提高管嘴的过流能力。真空区的存在，对水箱来流产生抽吸作用，从而提高管嘴的过流能力。Jiangsu University59管嘴真空现象管嘴真空现象 Jiangsu University60Jiangsu University61