1、第六章第六章孔口、管嘴出流和有壓管流孔口、管嘴出流和有壓管流6-16-1薄壁孔口恒定出流薄壁孔口恒定出流 6-26-2管嘴出流管嘴出流6-36-3有壓管流有壓管流 6-46-4短管的水力計算短管的水力計算 6-56-5長管的水力計算長管的水力計算6-66-6管網(wǎng)的水力計算管網(wǎng)的水力計算6-76-7有壓管路中的水擊有壓管路中的水擊6-1 薄壁孔口恒定出流一、一、 基本概念基本概念孔口出流孔口出流 : :在盛有流體的容器壁上開在盛有流體的容器壁上開一孔口，流體會通過孔口流出容器的一孔口，流體會通過孔口流出容器的流動現(xiàn)象。流動現(xiàn)象。小孔口出流小孔口出流10Hd 0011ccHdl1.1.按孔口大小劃

2、分按孔口大小劃分大孔口出流大孔口出流10Hd 2.2.按時間大小劃分按時間大小劃分恒定出流：孔口處的水頭保持不變恒定出流：孔口處的水頭保持不變H非恒定出流：孔口處的水頭隨時間改變非恒定出流：孔口處的水頭隨時間改變H3.3.按孔口出口條件劃分按孔口出口條件劃分自由出流：孔口出流進(jìn)入空氣中的出流。自由出流：孔口出流進(jìn)入空氣中的出流。淹沒出流：孔口出流不是進(jìn)入空氣，而是進(jìn)入另一部分流淹沒出流：孔口出流不是進(jìn)入空氣，而是進(jìn)入另一部分流體時的出流體時的出流 。工程實例工程實例二、小孔口恒定自由出流二、小孔口恒定自由出流0011ccHdl1.孔口收縮系數(shù)孔口收縮系數(shù) AAc64. 063. 02.孔口出流

3、流速孔口出流流速 2211 122cccwpvpvHhgggggvhhccjw220212HgvH10v 0HH行近速度行近速度 作用水頭作用水頭 2cvgH流速系數(shù)流速系數(shù) 10.96 0.981c3.3.孔口出流流量孔口出流流量 22ccdQv AAgHC AgH流量系數(shù)0.60 0.62dC 1HH2Hdl002211三、小孔口恒定淹沒出流三、小孔口恒定淹沒出流122 ()cvg HH122 ()dQC Ag HH四、收縮系數(shù)和流量系數(shù)的影響因素四、收縮系數(shù)和流量系數(shù)的影響因素 1.1.全部收縮全部收縮: :當(dāng)孔口的全部邊界都當(dāng)孔口的全部邊界都不與相鄰的容器底邊和側(cè)邊重合不與相鄰的容器底

4、邊和側(cè)邊重合時，流體在四周方向上能夠發(fā)生時，流體在四周方向上能夠發(fā)生收縮。否則稱為不全部收縮收縮。否則稱為不全部收縮。2.2.完善收縮完善收縮 ：當(dāng)孔口與相鄰面：當(dāng)孔口與相鄰面壁的距離滿足且時，壁的距離滿足且時，孔口出流不受距壁面遠(yuǎn)近的影響。孔口出流不受距壁面遠(yuǎn)近的影響。否則是不完善收縮。否則是不完善收縮。 al33lb其中為薄壁小孔口在全部、完善收縮情其中為薄壁小孔口在全部、完善收縮情況下的收縮系數(shù)值。況下的收縮系數(shù)值。64. 063. 06-2管嘴出流管嘴出流110c220cHddl)43(一、管嘴自由出流一、管嘴自由出流2211 122222wpvpvHhgggggvdlhhhjfw2)

5、(22HgvHH22101.出流流速出流流速 出流流速出流流速21221vgHgHld10.80 0.821ld2.出流流量出流流量 22222dQv AAgHC AgH0.80 0.82dC流量系數(shù)流量系數(shù)二、管嘴淹沒出流二、管嘴淹沒出流122 ()vg HH122 ()dQC Ag HH出流流速出流流速出流流量出流流量三、空化、空蝕和管嘴使用條件三、空化、空蝕和管嘴使用條件1.1.空化：當(dāng)液流中存在低于液體飽和蒸汽壓強的真空區(qū)時，空化：當(dāng)液流中存在低于液體飽和蒸汽壓強的真空區(qū)時，真空區(qū)內(nèi)的液體會發(fā)生汽化，形成含有蒸汽的氣泡的現(xiàn)象。真空區(qū)內(nèi)的液體會發(fā)生汽化，形成含有蒸汽的氣泡的現(xiàn)象。 2.2

6、.空蝕：若氣泡隨液流運動到高壓區(qū)，氣泡會潰滅，產(chǎn)生瞬時空蝕：若氣泡隨液流運動到高壓區(qū)，氣泡會潰滅，產(chǎn)生瞬時高壓（能達(dá)到幾千個大氣壓），當(dāng)氣泡潰滅在管壁附近時，瞬高壓（能達(dá)到幾千個大氣壓），當(dāng)氣泡潰滅在管壁附近時，瞬時高壓的沖擊能造成壁面材料的破壞的現(xiàn)象。時高壓的沖擊能造成壁面材料的破壞的現(xiàn)象。 3.3.收縮截面的真空度收縮截面的真空度2222 222cccjpvpvhgggg0.75cvcapppHgg 該式表明：收縮截面的真空度是作用該式表明：收縮截面的真空度是作用水頭的水頭的倍，管嘴的作用相當(dāng)于倍，管嘴的作用相當(dāng)于孔口自由出流的作用水頭增大了，孔口自由出流的作用水頭增大了，所以管嘴比孔口的

7、出流能力大。所以管嘴比孔口的出流能力大。 3/4%754.4.管嘴正常工作條件管嘴正常工作條件dl43mH95.5.各種形式管嘴各種形式管嘴6-3 有壓管流有壓管流一、有壓管流和無壓管流一、有壓管流和無壓管流有壓管流：流體充滿整個管道截面的流動，簡稱管流有壓管流：流體充滿整個管道截面的流動，簡稱管流 。 無壓流動：當(dāng)管道截面沒有充滿液體，管道內(nèi)存在自由液無壓流動：當(dāng)管道截面沒有充滿液體，管道內(nèi)存在自由液面，且自由液面上為大氣壓，簡稱明渠流面，且自由液面上為大氣壓，簡稱明渠流 。 二、短管與長管二、短管與長管長管：是流體在管道中流動時，其速度水頭和局部損失長管：是流體在管道中流動時，其速度水頭和

8、局部損失之和小于沿程損失的的有壓管道。之和小于沿程損失的的有壓管道。%5%5/1dl長管長管短管短管15%/ l d簡單管路：由管徑不變、沒有分叉的管道組成。簡單管路：由管徑不變、沒有分叉的管道組成。 復(fù)雜管路：由兩根或兩根以上的簡單管道組合而成的管道系統(tǒng)復(fù)雜管路：由兩根或兩根以上的簡單管道組合而成的管道系統(tǒng)。 三、簡單管道與復(fù)雜管路三、簡單管道與復(fù)雜管路四、標(biāo)準(zhǔn)管徑和經(jīng)濟流速四、標(biāo)準(zhǔn)管徑和經(jīng)濟流速標(biāo)準(zhǔn)管徑：是在工程實際中常使用的各種管道的標(biāo)準(zhǔn)直徑，標(biāo)準(zhǔn)管徑：是在工程實際中常使用的各種管道的標(biāo)準(zhǔn)直徑，各種鋼管和鑄鐵管的標(biāo)準(zhǔn)管徑可查閱工程手冊。各種鋼管和鑄鐵管的標(biāo)準(zhǔn)管徑可查閱工程手冊。經(jīng)濟流速經(jīng)

9、濟流速ev0.6 1.0m/sev 100 400mmd 1.0 1.4m/sev 400mmd 供水管道供水管道 6-4 短管的水力計算短管的水力計算一、短管自由出流一、短管自由出流221 12222aawppvvHhgggg21 102vHHHggvgvdlhhhcjfw22)(22121cvgH1221ccQvAAgHAgH總損失系數(shù)總損失系數(shù)流量系數(shù)流量系數(shù)cc11二、短管淹沒出流二、短管淹沒出流220 0222aawpvpvHhggggHgvvHH222200022wcvhg12cvgH122ccQvAAgHAgHcc1流量系數(shù)流量系數(shù)三、短管水力計算的問題三、短管水力計算的問題 短

10、管恒定出流計算問題有以下三種基本類型：短管恒定出流計算問題有以下三種基本類型： （1 1）已知流量）已知流量、管路直徑和局部損失組成，計算，、管路直徑和局部損失組成，計算，如設(shè)計水箱或水塔高度問題。如設(shè)計水箱或水塔高度問題。dHQHdQ（2 2）已知作用水頭、管徑和局部損失組成，計算）已知作用水頭、管徑和局部損失組成，計算流量。流量。evdHQ（3 3）已知流量、作用水頭和局部損失組成，設(shè)計管路）已知流量、作用水頭和局部損失組成，設(shè)計管路直徑。此時，會應(yīng)用到經(jīng)濟流速的問題。直徑。此時，會應(yīng)用到經(jīng)濟流速的問題。四、實例分析四、實例分析1.1.水泵吸水管的水力計算水泵吸水管的水力計算2.2.虹吸水

11、力計算虹吸水力計算真空輸水：真空輸水：世界上最大直徑的虹吸管世界上最大直徑的虹吸管(右側(cè)直徑右側(cè)直徑1520毫米、左毫米、左側(cè)側(cè)600毫米毫米),虹吸高度均為八米，猶如一條巨龍伴游一條小龍虹吸高度均為八米，猶如一條巨龍伴游一條小龍匐臥在浙江杭州蕭山區(qū)黃石垅水庫大壩上，尤為壯觀，已獲匐臥在浙江杭州蕭山區(qū)黃石垅水庫大壩上，尤為壯觀，已獲吉尼斯世界紀(jì)錄吉尼斯世界紀(jì)錄 。虹吸管計算簡圖虹吸管計算簡圖121212bdHHll、 、已知已知確定確定gvdllHsebe2)(000002211sebedllgHv211222112244ebsegHQvA vddlld列列1 12 2截面的伯諾里方程截面的伯

12、諾里方程列列1 1A A截面的伯諾里方程截面的伯諾里方程2211120 0()22AebplvvHHHggdg A A點真空度點真空度212()2AvebplvhHgdg 虹吸管工作的條件虹吸管工作的條件虹吸管段一定有部分管段高出自由供水面；虹吸管段一定有部分管段高出自由供水面；虹吸管中的最大真空度不能超過虹吸管中的最大真空度不能超過7 78m8m水柱。水柱。例一橫跨河道的倒虹吸管如圖示。已知上下游水位例一橫跨河道的倒虹吸管如圖示。已知上下游水位差，管長，各阻力系數(shù)：沿程，差，管長，各阻力系數(shù)：沿程，進(jìn)口，出口，轉(zhuǎn)彎，若設(shè)計流量進(jìn)口，出口，轉(zhuǎn)彎，若設(shè)計流量為，試確定虹吸管直徑。為，試確定虹吸管

13、直徑。3mz 50ml 0.0310.533m /sQ 21.030.65解解取取A、B自由液面為過流截面，列伯諾里方程自由液面為過流截面，列伯諾里方程0 00 0ABwHHh 其中其中ABHHz2132(2)2wlvhdg24Qvd代入上式并代入已知數(shù)據(jù)得代入上式并代入已知數(shù)據(jù)得532.080.7450dd用牛頓迭代法計算出用牛頓迭代法計算出0.98md 取標(biāo)準(zhǔn)管徑取標(biāo)準(zhǔn)管徑1000mmd 6-5 長管的水力計算長管的水力計算一、簡單管路一、簡單管路 H001122ld,221 12222aawppvvHhggggwfHhh（1 1）按比阻計算）按比阻計算222fl vHhSlQdg比阻比阻

14、258Sgd（2 2）按流量模數(shù)計算）按流量模數(shù)計算22fQHhlK流量模數(shù)流量模數(shù)nARRCASK3211.1.水力計算公式水力計算公式2.2.比阻的確定比阻的確定（1）采用舍維列夫公式求比阻）采用舍維列夫公式求比阻 5.30.001736Sd1.2m/sv 屬于紊流粗糙區(qū)屬于紊流粗糙區(qū) 0.30.8670.852(1)SSkSv1.2m/sv 屬于紊流過渡區(qū)屬于紊流過渡區(qū) 0.30.8670.852(1)kv修正系數(shù)修正系數(shù) （2 2）按曼寧公式計算比阻）按曼寧公式計算比阻 33. 523 .10dnS n為粗糙系數(shù) 二、串聯(lián)管路二、串聯(lián)管路w 2SlQhHf（能量關(guān)系）（能量關(guān)系）w i

15、iiqQQ1（流量關(guān)系）（流量關(guān)系）三、并聯(lián)管路三、并聯(lián)管路w iiqQQ（流量關(guān)系）（流量關(guān)系）w ABffffhhhh321（能量關(guān)系）（能量關(guān)系）四、沿程均勻泄流管路四、沿程均勻泄流管路qlQt總途泄流量總途泄流量 dxlxQQQSdxSQdhttzxf22)()31()(22020ttzzlttzlffQQQQSldxlxQQQSdhh22)55. 0(ctzfSlQQQSlh0.55cztQQQ計算流量計算流量6-6 管網(wǎng)的水力計算管網(wǎng)的水力計算1.管網(wǎng)：是由一些簡單的串聯(lián)和并聯(lián)管路所組成的管道管網(wǎng)：是由一些簡單的串聯(lián)和并聯(lián)管路所組成的管道系統(tǒng)，一般分為枝狀管網(wǎng)和環(huán)狀管網(wǎng)兩種。系統(tǒng)，

16、一般分為枝狀管網(wǎng)和環(huán)狀管網(wǎng)兩種。一、管網(wǎng)的分類一、管網(wǎng)的分類（1）枝狀管網(wǎng)是多條管段串聯(lián)而成的干管和干管相連的多條支）枝狀管網(wǎng)是多條管段串聯(lián)而成的干管和干管相連的多條支管所組成。其特點是管網(wǎng)內(nèi)任一點只能向一個方向供水。若管管所組成。其特點是管網(wǎng)內(nèi)任一點只能向一個方向供水。若管網(wǎng)內(nèi)某一點斷流，則該點之后的各管段供水有問題，其優(yōu)點是網(wǎng)內(nèi)某一點斷流，則該點之后的各管段供水有問題，其優(yōu)點是節(jié)省管材、造價低，缺點是供水可靠性差。節(jié)省管材、造價低，缺點是供水可靠性差。 （2 2）環(huán)狀管網(wǎng)是由多條管段互相連接成閉合形狀的管道系統(tǒng)。）環(huán)狀管網(wǎng)是由多條管段互相連接成閉合形狀的管道系統(tǒng)。其特點是管網(wǎng)內(nèi)任一點均可由

17、不同方向供水，若管內(nèi)任一點斷其特點是管網(wǎng)內(nèi)任一點均可由不同方向供水，若管內(nèi)任一點斷流，水可以從其他方向向下游供水，其優(yōu)點是供水可靠性好，流，水可以從其他方向向下游供水，其優(yōu)點是供水可靠性好，缺點是管材消耗大、造價高。缺點是管材消耗大、造價高。 2.2.兩種管網(wǎng)的優(yōu)缺點兩種管網(wǎng)的優(yōu)缺點二、枝狀管網(wǎng)的水力計算（二、枝狀管網(wǎng)的水力計算（新建和擴建供水系統(tǒng)）HdzHQl（1 1）新建供水系統(tǒng)的設(shè)計：已知管路沿線地形、各管段長度）新建供水系統(tǒng)的設(shè)計：已知管路沿線地形、各管段長度、通過流量和端點的自由水頭，要求確定各管段直徑和水塔通過流量和端點的自由水頭，要求確定各管段直徑和水塔高度。高度。根據(jù)經(jīng)濟流速確

18、定已知根據(jù)經(jīng)濟流速確定已知流量下各管段的直徑，然流量下各管段的直徑，然后計算各段的水頭損失后計算各段的水頭損失 2iiifiQlSh按串聯(lián)管路計算干管起點的水塔水面距地面的總水頭按串聯(lián)管路計算干管起點的水塔水面距地面的總水頭 0zzHhHzf枝狀管網(wǎng)各管線已知條件，算出它們各自的平均水力坡度枝狀管網(wǎng)各管線已知條件，算出它們各自的平均水力坡度 izlHzzHJ)(0干線上按水頭損失均勻分配，即各管段水力坡度相等的條干線上按水頭損失均勻分配，即各管段水力坡度相等的條件，計算各管段的比阻件，計算各管段的比阻2iiQJS iSid按照求得的，來確定各管段的直徑。按照求得的，來確定各管段的直徑。QzHl

19、H（2 2）擴建供水系統(tǒng)的設(shè)計：已知管路沿線地形、水塔高度）擴建供水系統(tǒng)的設(shè)計：已知管路沿線地形、水塔高度 、管段長度管段長度 、控制點的自由水頭、控制點的自由水頭 和通過流量和通過流量 ，要求確定，要求確定管徑管徑 。d1500ml 2700ml 3350ml 4300ml 1250mmd 2150mmd 3150mmd 4200mmd 30.045m /sBQ 30.020m /sDQ 330.1 10 m /sq8mzH H例例 供水系統(tǒng)如圖所示供水系統(tǒng)如圖所示各管段長度各管段長度 各管段直徑各管段直徑 節(jié)點節(jié)點B流量流量 節(jié)點節(jié)點D流量流量 管段管段CD均勻泄漏流量均勻泄漏流量 D點自

20、由水頭點自由水頭 地面高程見圖地面高程見圖 試求水塔所需高度試求水塔所需高度H 解解 查表易知各管段比阻值如下：查表易知各管段比阻值如下：2612.752s /mS 262341.85s /mSS2649.029s /mS （1 1）管）管2 2與管與管3 3并聯(lián)，易知并聯(lián)，易知 22232 223 332312ffhhS l QS l QQQ32340.05m /sDQQQql聯(lián)立以上兩式解得：聯(lián)立以上兩式解得： 320.021m /sQ 330.029m /sQ （2 2）求各管段水頭損失）求各管段水頭損失23244 44(0.55)9.029 300 (0.020.1 10300)6.7

21、7mfDhS l Qql2222 2241.85 700 (0.021)12.92mfhS l Q23211 14()2.752 500 (0.0450.020.1 10300)12.42mfBDhS l QQql（3 3） 求水塔高度求水塔高度 fzDAHhHzz124012.42 12.926.778 100 10436.11mfffzHhhhHzz 6-7有壓管路中的水擊在有壓管路中，由于某種原因，如閥門突然關(guān)閉、開啟或在有壓管路中，由于某種原因，如閥門突然關(guān)閉、開啟或水泵突然停止工作時，使得水的流速突然發(fā)生變化，從而引起壓水泵突然停止工作時，使得水的流速突然發(fā)生變化，從而引起壓強急劇升

22、高和降低的交替變化，并以一種壓力波的形式在管道中強急劇升高和降低的交替變化，并以一種壓力波的形式在管道中來回傳播，不斷錘擊管壁，造成管道的振動和轟鳴，這種現(xiàn)象稱來回傳播，不斷錘擊管壁，造成管道的振動和轟鳴，這種現(xiàn)象稱為水擊。為水擊。 一、水擊的定義一、水擊的定義二、水擊的傳播過程二、水擊的傳播過程0vpp00p0t第一階段：減速增壓波逆流傳播。在第一階段：減速增壓波逆流傳播。在 瞬時，閥門瞬時，閥門K K突然關(guān)突然關(guān)閉，緊靠閥門的水體流速突變?yōu)榱悖瑝簭娪砷]，緊靠閥門的水體流速突變?yōu)榱悖瑝簭娪?迅速增加迅速增加到到 ，上游水流仍然以速度，上游水流仍然以速度 向下游流動，造成水的壓向下游流動，造成

23、水的壓縮和管壁的膨脹。緊挨著該段水體的那部分流體也被迫停下來，縮和管壁的膨脹。緊挨著該段水體的那部分流體也被迫停下來，依次，管內(nèi)流體逐層停止流動，管內(nèi)壓強逐層增加，以增壓波依次，管內(nèi)流體逐層停止流動，管內(nèi)壓強逐層增加，以增壓波的形式從閥門向上游傳播。的形式從閥門向上游傳播。0/tl c c波速0ppp0p0vpp00p第二階段：減速減壓波順流傳播。由于水池體積大，池內(nèi)液面第二階段：減速減壓波順流傳播。由于水池體積大，池內(nèi)液面不會因管中水擊而發(fā)生變化此時管道進(jìn)口外側(cè)壓強為，內(nèi)不會因管中水擊而發(fā)生變化此時管道進(jìn)口外側(cè)壓強為，內(nèi)側(cè)壓強為，在壓強差的作用下使管內(nèi)靜止水流以速側(cè)壓強為，在壓強差的作用下使

24、管內(nèi)靜止水流以速度向上游倒流。于是管內(nèi)被壓縮的水體和膨脹的管壁恢復(fù)度向上游倒流。于是管內(nèi)被壓縮的水體和膨脹的管壁恢復(fù)原狀，管內(nèi)壓強由逐漸減為，此時，產(chǎn)生一種減壓波原狀，管內(nèi)壓強由逐漸減為，此時，產(chǎn)生一種減壓波（反射波）從管道進(jìn)口向閥門傳播。（反射波）從管道進(jìn)口向閥門傳播。 /2 /l ctl c clt/20v0ppp00v 第三階段：增速減壓波逆流傳播。在瞬時，由于慣性，第三階段：增速減壓波逆流傳播。在瞬時，由于慣性，閥門處的水繼續(xù)以速度向水池方向倒流，而閥門關(guān)閉，沒有閥門處的水繼續(xù)以速度向水池方向倒流，而閥門關(guān)閉，沒有水補充，此時壓強將由逐漸下降為，水流速度逐漸由水補充，此時壓強將由逐漸下降為，水流速度逐漸由變?yōu)榱悖鼙谑湛s，產(chǎn)生的增速減壓