流体力学水力学孔口和管嘴出流与有压管流培训教学课件.ppt
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1、流体力学水力学孔口和管嘴出流与有压管流课件2023-6-2521 孔口出流与管嘴出流的基本概念2023-6-2531 孔口出流与管嘴出流的基本概念一、孔口出流的分类水流从容器壁上的孔中流出的现象称为孔口出流。(一)按孔口大小按孔口的直径d与孔口形心点以上的水头H之比分:Hld2023-6-2541 孔口出流与管嘴出流的基本概念1.1.小孔口出流小孔口出流若 ,这种孔口称为小孔口,其孔口断面上各点水头可近似地认为相等,且均为H。2.2.大孔口出流大孔口出流若 ,这种孔口称为大孔口,大孔口断面上各点的水头不等,必须分别情况予以分析。10/Hd 10/Hd Hld2023-6-255(二)按孔口位置
2、1.自由出流自由出流当液体经孔口流入大气中的出流为自由出流。2.淹没出流淹没出流液体经孔口流入下游液体中的出流为淹没出流。OCCO11HH0oo1122H1H2H2023-6-256(三)按孔口边壁的厚度1.薄壁孔口出流薄壁孔口出流具有尖锐薄边缘的孔口,出流液体与孔口仅为线接触的孔口出流称为薄壁孔口出流薄壁孔口出流。2.管嘴出流管嘴出流孔口具有一定厚度,或在孔口上连接的短管长度为孔径的3-4倍时,出流时液体与孔口呈面接触。2023-6-257(四)按水位变化1.恒定出流恒定出流若水箱中的水位保持不变,则为恒定出流。2.非恒定出流非恒定出流若水箱中的水位在流动过程中随时间而变化则为非恒定出流。2
3、023-6-258二、有压管流的分类水沿管道满管流动的水力现象。其特点为:水流充满管道过水断面,管道内不存在自由水面,管壁上各点承受的压强一般不等于大气压强。按沿程损失和局部损失的比重,将有压管流分为短管和长管。1 10 00 00 0)。一一般般L L/d d的的水水头头大大于于沿沿程程损损失失(一一般般局局部部损损失失和和速速度度 算算时时不不能能忽忽略略的的管管道道.中中占占有有相相当当的的比比重重,计计速速度度水水头头在在总总水水头头损损失失短短管管:局局部部水水头头损损失失和和 10%5%2023-6-259长管:凡局部阻力和出口速度水头在总的阻力损失中,其比例不足5的管道系统,称为
4、水力长管,也就是说只考虑沿程损失。2023-6-25102 有压管流的水力计算一、短管的水力计算所谓短管是指局部水头损失和流速水头之和占沿程水头损失的5%以上,在计算时两者不能被忽略的管道,它又分为自由出流和淹没出流。(一)自由出流的基本公式右图为短管自由出流示意图,短管的长度为l,直径为d,根据伯努利方程推导基本公式:vH2023-6-2511(二)水塔高度(水源水头)的计算(水泵自身的水头损失包含在扬程内Ht)(一)自由出流的基本公式5m,管长 段为15m,段为25m,管径d为200mm,沿程摩阻系数0.直径的虹吸管(右侧直径5 气体与浆液的管道输送若 ,这种孔口称为大孔口,大孔口断面上各
5、点的水头不等,必须分别情况予以分析。其特点为:水流充满管道过水断面,管道内不存在自由水面,管壁上各点承受的压强一般不等于大气压强。正,则流出节点的流量为如果每节管段不很长,则局部水头损失和流速水头不能忽略,这时应按短管计算。下面以例5-3来说明计算方法(图5-12)。虹吸管的优点在于能跨越高地,减少挖方。一般来说,按控制管线确定的水塔理论高度对其他管线来说可能偏高,为使其他管线也经济合理,工程上采用调整其支管管径的办法来解决。常见有枝状管网和环状管网。此外,它的安装也很特殊:部分管段高于上游水面,但出口必须低于上游水面。垅水库大坝上,尤为壮观,三式联解,可求出分叉管道的水力问题。(三)紊流过渡
6、区的水力计算这就是气体的能量方程。这时,总水将全部用于克服各管道的沿程水头损失。vOO1122H2211 122 212w1 222pvpvzzhgggg伯努利方程:=0=H 00=0=gv22221 112221212j()()22fp vp vzzhhg gg g =2023-6-2512jfhhgVH22上式表明,短管的总水头H一部分转化成水流动能,另一部分克服水流阻力转化成水头损失hw1-2。gVhgVdlhjf2222dlgVgVgVdlgVH122222222因则2023-6-2513gHdlV211则dlc1/1令短管自由出流的流量系数则gHAVAQc2这就是短管自由出流的水力计
7、算的基本公式。2023-6-25142211 122 212w1 222pvpvzzhgggg伯努利方程:=0=H 00=0=221 112221212j()()22fp vp vzzhhg gg g =(二)短管淹没出流11OOv22H02023-6-2515jfhhH上式表明,短管的总水头H一部分转化成水流动能,另一部分克服水流阻力转化成水头损失hw1-2。gVhgVdlhjf2222dlgVgVgVdlH222222因则2023-6-2516gHdlV21则dlc/1/令短管淹没出流的流量系数则gHAVAQc2/这就是短管淹没出流的水力计算的基本公式。2023-6-2517(三)短管自由
8、出流与淹没出流计算之异同 短管自由出流和淹没出流公式的基本形式相同。两种出流的作用水头不同。管道流量系数不同,但在两种出流的管道长度、直径、沿程阻力和局部阻力均相同时,则因为尽管在淹没出流时中忽略了流速水头,使式中不含1,但淹没中两断面间又多了一个由管口进入下游水池的局部水头损失,而这个水头损失系数=1,故 。ccdlc/1ccdlc1/12023-6-2518ZZs 虹吸管是一种压力管,顶部弯曲且其高程高于上游供水水面。其顶部的真空值一般不大于7-8m水柱高。虹吸管安装高度Zs越大,顶部真空值越大。虹吸管的优点在于能跨越高地,减少挖方。虹吸管长度一般不长,故按短管计算。二、短管水力计算实例(
9、一)虹吸水力计算2023-6-25192023-6-2520虹吸输水:世界上最大世界上最大直径的虹吸管直径的虹吸管(右侧直径右侧直径15201520毫米、左侧毫米、左侧600600毫米毫米),),虹吸高度均为八米,犹如虹吸高度均为八米,犹如一条巨龙伴游一条小龙匐一条巨龙伴游一条小龙匐卧在浙江杭州萧山区黄石卧在浙江杭州萧山区黄石垅水库大坝上,尤为壮观,垅水库大坝上,尤为壮观,已获吉尼斯世界纪录。已获吉尼斯世界纪录。2023-6-2521ZZs 虹吸管是一种压力管,顶部弯曲且其高程高于上游供水水面。其顶部的真空值一般不大于7-8m水柱高。虹吸管安装高度Zs越大,顶部真空值越大。虹吸管的优点在于能跨
10、越高地,减少挖方。虹吸管长度一般不长,故按短管计算。2023-6-2522虹吸管是一种压力管,顶部弯曲且其高程高于上游供水水面。如果每节管段不很长,则局部水头损失和流速水头不能忽略,这时应按短管计算。则水泵吸水入口轴线真空度此外,它的安装也很特殊:部分管段高于上游水面,但出口必须低于上游水面。的d确定实际流速Vi。正,则流出节点的流量为当液体经孔口流入大气中的出流为自由出流。估算各管段的直径di,再按标准管由于实际管道大多都在环境中暴露着,当管道较长时,原先与环境温度不同的气体,在流动中不断进行热交换,使气体很快就接近环境温度了。0,90o弯管b0.解:选1-1和2-2断面为计算断面,两断面与
11、大气接触如果每节管段不很长,则局部水头损失和流速水头不能忽略,这时应按短管计算。三、简单管道水力计算的基本类型水沿管道满管流动的水力现象。因Q3=55,若先分配给管段+15,则管段必为-40。图5-17是一由三根管段组成的并联管道,并联点为、,两点的测压管水头差就是单位重量液体由点到点的水头损失hf,而与通过哪根管道无关。例5-7(图5-16)(二)水泵扬程的确定对于任一闭合环路,如果规定顺时针流向所产生的水头为正,逆时针流向所产生的损失为负,则各环路的水头损失的代数和为零。流体力学水力学孔口和管嘴出流与有压管流课件点的真空度。虹吸管顶和,试求虹吸管流量点高出上游水面,的,头的、,弯头的,弯头
12、,出口,进口,已知。两水池水位差直径,:虹吸管长例BQBHdlllseBCABm5.43.044.0322.010.15.003.0:m2.1mm20050m30mm204543212023-6-2523gdlhHw2221得:2100000whH解:选1-1和2-2断面为计算断面,两断面与大气接触处为计算点,并以2-2为基准面,由伯努利方程得:2023-6-252412vgHld解之得:8.20.13.04.04.02.05.0smvQsm/0475.0A/51.12.18.928.22.05003.013则2023-6-252523200025.4wBhgapH)(gdlhBCw22S43
13、23)(解:选3-3和2-2断面为计算断面,并以2-2为基准面,由伯努利方程得:2023-6-2526水柱)()()()()(m09.55.42.18.9251.1113.04.02.03003.05.4222S43HgdlpBCB,代入伯努利方得:取12023-6-2527(二)水泵的基本概念及水力计算 基本概念:1.扬程H:水泵供给单位重量液体的能量,单位为m水柱。2.有效功率Ne:单位时间内液体从水泵得到的能量,可表 示为 Ne=QH 3.轴功率:电动机传动给水泵的功率,即输入功率(kw).4.效率:有效功率与轴功率之比。5.气蚀:当水泵进口处的真空值过大时,水会汽化成气泡 并在水泵内受
14、压破裂,周围水流向该点冲击会形成极大局 部压强,使水泵损坏。为防止气蚀现象需根据最大真空值 确定水泵安装高度。2023-6-2528及水泵入口处压强。的轴功率效率为扬程,试求水泵,压水管出口,水泵吸水段弯头,两个吸水口,压水管长。吸水管长离液面,泵轴管道直径均为:液面高差例NHsQzp80,/m4.00.11.03.0900.30.0390m10m,2mhmm500m,45553543212023-6-25292100000:112211wphzH断面为基准面,以,解:选水柱)(m26.471621242QdgdlzHpkwQHNps8.231水泵轴功率代入伯努利方程,得224 221dQAQ
15、vgvdlhw2023-6-2530gdlhw22342131吸312332000:113311whgvpz断面为基准面,以,选2023-6-2531水柱)(代入伯努利方程可得mhghpw06.3231233则水泵吸水入口轴线真空度水柱mp06.3v2023-6-2532例:如下图所示的虹吸管,上下游水池的水位差H为2.5m,管长 段为15m,段为25m,管径d为200mm,沿程摩阻系数0.025,入口水头损失系数e1.0,各转弯的水头损失系数b0.2,管顶允许真空高度hv=7m。试求通过流量及最大允许超高。AClCBl2023-6-2533例:如图所示离心泵,抽水流量Q8.1L/s,吸水管长
16、度 ,直径d为100mm,沿程摩阻系数0.035,局部水头损失系数为:有滤网的底阀7.0,90o弯管b0.3,泵的允许吸水真空高度hv=5.7m,确定水泵的最大安装高度。9.0lm2023-6-25342023-6-2535二、长管的水力计算当管中局部水头损失和流速水头相对于沿程水头损失而言较小而可以被忽略的管道称为长管。当管道较长时,沿程水头损失hf占总水头损失hw的绝大部分,因而可把hj忽略,故长管的水力计算较简单:gHdlAQgHdlVgVdlhHf2,2,22这就是长管出流的基本水力计算公式。由于有压管流多属紊流阻力平方区,部分为紊流过渡区,在这两种情况下,水力计算常采用下列三种方法(
17、而不用值)2023-6-2536由节点2(节点无流量储存)可知,管段的流量为50-20-15=+15。依据流速V查出k(修正系数)算主要是根据需求确定,根据实验测得,k与V的关系如表5-5。因为尽管在淹没出流时中忽略了流速水头,使式中不含1,但淹没中两断面间又多了一个由管口进入下游水池的局部水头损失,而这个水头损失系数=1,故 。直径的虹吸管(右侧直径根据环路条件,新的能量方程也应满足:若忽略局部损失和流速水头,即调整管径:为了使A123管线上的高程也为22.故 ,将d、n与K的关系列于表5-4,便于查阅。图5-17是一由三根管段组成的并联管道,并联点为、,两点的测压管水头差就是单位重量液体由
18、点到点的水头损失hf,而与通过哪根管道无关。这时,总水将全部用于克服各管道的沿程水头损失。因为节点本身不可能有流量贮存,故任一节点流入与流出的流量应相等。流体力学水力学孔口和管嘴出流与有压管流课件1L/s,吸水管长度 ,直径d为100mm,沿程摩阻系数0.由两个以上的支管在总管某处分开而不再汇合的管道系统称为分叉管道,它是常见的工业和民用给水系统(图5-19)。3,泵的允许吸水真空高度hv=5.一般来说,按控制管线确定的水塔理论高度对其他管线来说可能偏高,为使其他管线也经济合理,工程上采用调整其支管管径的办法来解决。1L/s,吸水管长度 ,直径d为100mm,沿程摩阻系数0.按沿程损失和局部损
19、失的比重,将有压管流分为短管和长管。(一)由流量模数计算将 代入长管式得:28CglRACQAQdClgVdlCgH22222222428RACK 令则fhlKQH22JKlhKQf222lHKlhKJKQf2023-6-2537由于J与Q具有相同的量纲,故K称为长管流量模数,它与管道断面形状(A)、大小(R)和边壁糙率(n、C)有关。对于圆管:38353223222161244411414dnddnRndRRndRACK故 ,将d、n与K的关系列于表5-4,便于查阅。借用此式,可求Q、hf和V等水力要素。dnfK,2023-6-2538(二)由比阻计算(适用于紊流平方区)由于圆管的 ,代入基
20、本式得:24/dQAQV2316223125222522522229.1046488821)4(lQdnlQdndlQCgdglQdggdQdlhHf2023-6-25393162029.10dnS 20lQSH 20lQHS 令则或当l=1,Q=1时,H=S0,即S0的物理意义是单位流量通过单位长度管道时需要的水头损失,这个数称为管道比阻。它也是n和d的函数,也可用表5-4查得。由于2022lQSlKQH120KS故2023-6-2540(三)紊流过渡区的水力计算当V1.2m/s时,长管中的液体流动属过渡粗糙区,H(hf)与V不是平方关系,而是1.8次方的关系。为使上述两法能用于处于紊流过渡
21、区的长管水力计算,我们引入一修正系数k,即lQkSHlKQkhHf2022或根据实验测得,k与V的关系如表5-5。2023-6-2541三、简单管道水力计算的基本类型 已知管道布置、断面尺寸及作用水头,求流量Q,这可以直接用简单管道水力计算基本公式得出。已知管道布置、断面尺寸和流量,计算所需水头这类问题,应用基本公式解出水头H。已知管道布置、长度、流量和作用水头,求管径时,如果公式两边均含有同一个未知数又不能求得解析解,则要采用试算法。即先给出等式右边的某未知数一个值,若假定与计算不符,则将新解出的值代入右边,再求左边的值,直到差值在允许的范围内为止。2023-6-2542四、简单管道的水头线
22、绘制正确绘制管道的测压管水头线和总水头线,有利于分析和解决水头计算中的许多问题。绘制水头线的步骤:绘制水头线的步骤:由已知的流量和管径计算出各管段的流速和流速水头 计算各管段的沿程水头损失和局部水头损失 计算各断面的总水头2023-6-2543五、虹吸管道的水力计算虹吸管是特殊的简单短管,它的特殊在于管内的水流动能不是靠位能的降低来获得,也不是靠外加输入功率而完成,而是靠管内最高点形成的真空,即靠压强的降低使水池中的水在大气压的作用下进入管道内。此外,它的安装也很特殊:部分管段高于上游水面,但出口必须低于上游水面。虹吸管的水力计算问题有两个:一是计算虹吸管的流量Q,二是顶部最大安装高度。下面以
23、例5-3来说明计算方法(图5-12)。2023-6-2544已知输水管直径d,上游水面高程和下游水面高程2,三部分管道长度分别为l1、l2、l3,管道折角及各部分局部水头损失系数i,求:2023-6-2545六、水泵管路系统的水力计算图5-13所示。由于水泵转动,在水泵进口处堪真空,水池的水在大气压的作用下进入吸水管,当水上升至水泵内时,获得水泵给的能量,动能增加,使水经出水口流向较高的用水地。对水泵管路的计算包括两部分:一是通过对吸水管的水力计算,确定水泵的安装高度。二是通过对出水管的水力计算,确定水泵扬程。2023-6-2546这就是气体的连续方程。根据环路条件,新的能量方程也应满足:计算
24、各断面的总水头1L/s,吸水管长度 ,直径d为100mm,沿程摩阻系数0.如果每节管段不很长,则局部水头损失和流速水头不能忽略,这时应按短管计算。这样就可把需要调整的流量Q确定下来了。虹吸管的优点在于能跨越高地,减少挖方。由于实际管道大多都在环境中暴露着,当管道较长时,原先与环境温度不同的气体,在流动中不断进行热交换,使气体很快就接近环境温度了。虹吸管长度一般不长,故按短管计算。故 ,将d、n与K的关系列于表5-4,便于查阅。因为尽管在淹没出流时中忽略了流速水头,使式中不含1,但淹没中两断面间又多了一个由管口进入下游水池的局部水头损失,而这个水头损失系数=1,故 。对于任一闭合环路,如果规定顺
25、时针流向所产生的水头为正,逆时针流向所产生的损失为负,则各环路的水头损失的代数和为零。在一般给水系统中,每节管道较长,可将其视为长管。025,入口水头损失系数e1.短管自由出流的流量系数将 代入长管式得:例5-10(图5-23)为一枝状管网,已知数据标在图上,还有的写于题中。对于非公用管路,其所在环路的Q就是它的校正流量Qi,对于公用管路,其 。(三)短管自由出流与淹没出流计算之异同(二)水泵的基本概念及水力计算图5-17是一由三根管段组成的并联管道,并联点为、,两点的测压管水头差就是单位重量液体由点到点的水头损失hf,而与通过哪根管道无关。环路:管段为顺时针方向流动,管段为逆时针流动。(一)
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