第6章有壓管流供水管道破裂6.1概述1.有壓管道：整個斷面均被液體充滿沒有自由液

面、管壁處處受到水壓力作用、管

中液體的動水相對壓強不為零的管

道。

管中水流稱為有壓管流。2.管流:無壓管流→明渠有壓管流→滿管液流，無自由液面3.短管、長管短管:

hj和

與hf

相比不能忽略，

須同時考慮的管道。長管：hf

起主要作用，hj和可以忽

略的管道。4.自由出流、淹沒出流自由出流:液流出口流入大氣的出流。淹沒出流：液流出口淹沒在下游水面以下的出流。

自由出流淹沒出流孔口、管嘴出流孔口出流：在盛有液體的容器側(cè)壁或底部

開一孔口，液體經(jīng)孔口流出，

稱為孔口出流。

管嘴出流：在孔口上裝一段長度為3～4倍孔徑的短管，稱為管嘴。液體經(jīng)過管嘴并在出口斷面滿管流出，稱管嘴出流。

孔口、管嘴出流的特點：局部水頭損失起主要作用，沿程水頭損失可以忽略不計。6.空化與空蝕水輪機、水泵以及船舶螺旋槳推進(jìn)器受到的空蝕破揮也比較嚴(yán)重。我國水輪機通常使用l一2年就要停機檢修一次。某些水泵使用1000小時左右即出現(xiàn)嚴(yán)重的空蝕，見。船舶螺旋槳在使用一段時間后也因空蝕而效率大大降低。新安汀水電站4號水輪機在1964年檢查時，葉片空蝕破壞面積達(dá)41321cm2：，占轉(zhuǎn)輪葉片總面積的1／3，破壞最深處達(dá)30一33mm，該電站另一臺水輪機1972年7月檢查時發(fā)現(xiàn)，14個轉(zhuǎn)輪葉片中有7個葉片因空蝕破壞而穿孔。六朗洞水電站水輪機在空蝕與泥沙磨蝕的作用下，某臺水輪機曾發(fā)生平均12天檢修一次的情況。減蝕措施：1控制合理的邊界輪廓線從避免空蝕的角度看，邊界輪廓最好能做到“平、直。光”。從運轉(zhuǎn)要求和施工水平看，這幾乎是不可能際但應(yīng)切忌驟彎、急折、突縮或突擴(kuò)。在邊界不得已發(fā)生變化之處，應(yīng)注意流線化、橢圓化或圓角化；在局部凹凸不平整之處應(yīng)修成適當(dāng)?shù)钠巾樉徠隆?.摻氣摻氣的減蝕作用最早是在水輪機運轉(zhuǎn)中發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)春、夏季上游水庫來水中含氣較大時，水輪機空蝕損傷程度大為減弱。后來用人工的方法在水輪機的空蝕區(qū)摻入氣體發(fā)現(xiàn)空蝕破壞也大為改善甚至消失。3在局部負(fù)壓區(qū)設(shè)通氣孔在水流的局部負(fù)壓區(qū)邊界上設(shè)置通氣孔，使與大氣相連可以有效地降低負(fù)壓值并改善水流的流態(tài)。在我國的水工建筑中，高壓閘門后一般埋設(shè)有通氣孔。對壓力管道的收縮段、轉(zhuǎn)彎段以及其他可能產(chǎn)生負(fù)壓的局部區(qū)域原則上均可埋沒通氣孔，并宜埋設(shè)在負(fù)壓區(qū)的略偏上游之處。若負(fù)壓區(qū)隨水流條件作上下移動．則通氣孔可埋設(shè)多處。本章研究內(nèi)容：1.有壓管道恒定流：短管水力計算長管水力計算2.有壓管道非恒定流：水擊現(xiàn)象及簡單水力計算

短管水力計算的任務(wù)：

給定管線布置，水頭H，管徑d，求流量Q；已知流量Q，求管徑d

；已知管徑d，流量Q，求水頭H

；已知管徑d，流量Q，求沿管動水壓強的變化（測壓管線的繪制）6.2短管的水力計算6.2.1出流公式–流量1.自由出流

總水頭H0則其中，為管道流量系數(shù)，（管徑不變）2.淹沒出流則其中，為管道流量系數(shù)總水頭線總是沿程下降的，而測壓管水頭線沿程可升可降。在繪制總水頭線時，局部水頭損失可集中圖示在邊界突然變化的斷面上。6.2.2管道動水壓強的分布

----------總水頭線和測管水頭線的繪制山東鄒縣電廠華能海門電廠華能電廠鹽城市城西水廠取水口過濾池

在繪制總水頭線和測管水頭線時，有以下幾種情況可以作為控制條件：

(1)上游水面線是測管水頭線的起始線。

(2)進(jìn)口處有局部損失，集中繪在進(jìn)口處，即總

水頭線在此降落

(3)出口為自由出流時，管道出口斷面的壓強為

零，測管水頭線終止于出口斷面中心

(4)出口若為淹沒出流，下游水面是測管水頭線

的終止線淹沒出流v02

不為零測壓管線的位置分析對1-1、2-2斷面列能量方程式列X方向的動量方程式化簡整理得：

自由出流淹沒出流淹沒出流6.2.3短管的水力計算舉例

1

.虹吸管的水力計算

虹吸管是指有一段管道高出上游液面，而出口低于上游液面的管道。虹吸管的水力計算主要是：確定虹吸管的流量以及確定虹吸管頂部的允許安裝高度。

例6.1某渠道用直徑d=0．5m的鋼筋混凝土虹吸管從河道引水灌溉，如圖所示。河道水位為120.0m，渠道水位為119.0m。虹吸管各段長度為10m，6m，12m。進(jìn)口裝濾水網(wǎng)，無底閥，ζ=2．5，管的頂部有60度的折角轉(zhuǎn)彎兩個，每個彎頭ζ=0.55。求：(1)虹吸管的流量；(2)當(dāng)虹吸管內(nèi)最大允許真空值為7.0m時，虹吸管的最大安裝高度.若繪制虹吸管的總水頭線和測管水頭線，其測管水頭線位于管軸線以下的區(qū)域，為真空發(fā)生區(qū)。

(1)計算虹吸管的流量。列斷面1，3的能量方程或采用淹沒出流沿程水頭損失系數(shù)的確定：

取

假定紊流粗糙區(qū)即可查得，在校核(2)列斷面1，2的能量方程,為廠保證虹吸管正常工作，上游水面離虹吸管頂部的高度不得超過6．19m.為確保虹吸管正常工作，工程上常限制管中的最大真空高度，不超過7m水柱。虹吸應(yīng)用：

例6.2水泵的水力計算水泵的作用是增加水流能量，把水從低處引向高處，圖所示為裝有水泵的供水系統(tǒng)。計算內(nèi)容：

1水泵揚程hp；

2水泵安裝高度hs；

3水泵裝機容量N；1．計算水泵揚程單位重量的水體從水泵中獲得的外加機械能，稱為水泵的揚程，如圖所示。取水池水面0—0為基準(zhǔn)面，斷面1和4列能量方程水泵揚程等于提水高度加上吸水管和壓水管的水頭損失之和

2.水泵安裝高度列1-2能量方程3．計算水泵裝機容量N

水泵裝機容量N：水泵的動力機(如電動機)所具有的總功率。

hp:單位重量的水體從水泵獲得的能量有效功率Np：單位時間內(nèi)重量為的水流從水泵獲得的能量。水泵總效率

則

水泵裝機容量為6.3長管的水力計算6.3.1簡單管道的水力計算

直徑不變沒有分支的管道稱為簡單管道。是（長管）中最基本的情形。長管的水頭H全部消耗于沿程水頭損失hf上。

謝才公式計算：給水工程中，a稱為比阻。比阻的物理意義是：單位流量(Q=1)，通過單位管長(l=1)所需要的水頭。

上兩式中S稱為水管摩阻比阻a、水管摩阻S與沿程水頭損失系數(shù)λ在分區(qū)性質(zhì)上一樣6.3.2串聯(lián)管道串聯(lián)管道:由直徑不同的簡單管道串聯(lián)而成的管道。

水頭等于各段水頭損失之和

串聯(lián)管道各管段流量為

式中，qi流出為正，流入為負(fù)若qi=0,則例6.4

6.3.3并聯(lián)管道并聯(lián)管道:由直徑不同的簡單管道并聯(lián)而成的管道。

每段管道的水頭差是相等

6.3.4沿程泄流管道

在工程中常有這樣的情況，水在沿管軸方向流動的同時，還從管側(cè)壁上連續(xù)地有流量泄出，這種管道稱為沿程泄流管道。如灌溉工程中的人工降雨管道或給水工程中的濾池沖洗管滴灌節(jié)水技術(shù)農(nóng)業(yè)滴灌技術(shù)

以色列地貌以色列瀕臨東地中海,缺水少土,資源貧乏,沙漠荒山占了國土的2/3,水資源僅16億立方米,人均約250立方米水,不到全球...“以色列地處沙漠地帶邊緣,水資源匱乏。嚴(yán)重缺水使以色列在農(nóng)業(yè)方面形成了特有的滴灌節(jié)水技術(shù)。發(fā)明滴灌以后，以色列農(nóng)業(yè)用水總量30年來一直穩(wěn)定在13億立方米，而農(nóng)業(yè)產(chǎn)出卻翻了5番，以色列滴灌系統(tǒng)目前已是第六代，如今，世界80多個國家使用以色列的滴灌技術(shù)。我國滴灌推廣應(yīng)用存在的若干問題淺析1水價低廉的現(xiàn)實淡化了基層的節(jié)水意識與傳統(tǒng)漫灌相比，滴灌可以省水50%-80%，一畝漫灌的耗水量能滿足2-4畝滴灌用水。滴灌有效避免了輸水過程損失和深層滲漏損失，減少了地面蒸發(fā)和徑流損失,幾乎沒有噴灌和微噴灌出現(xiàn)的空中水分漂移，在北方特別是西北沒有灌溉就沒有農(nóng)業(yè)的干旱地區(qū)，推廣滴灌的意義不言而喻。但是，水價低廉的現(xiàn)實淡化了基層的節(jié)水意識2

盲目追求低造價降低了滴灌工程應(yīng)有的功能和質(zhì)量3

超小規(guī)模農(nóng)村種植管理模式制約滴灌系統(tǒng)合理有效使用4滴頭堵塞一直困擾滴灌系統(tǒng)的正常應(yīng)用

滴灌的滴頭流道直徑一般小于1mm，防堵塞一直是滴灌面臨的主要困難之一dx距離內(nèi)水頭降落值為

若QT

=0，則可見，在連續(xù)均勻泄流時，所需水頭只有管道末端通過相同流量時所需水頭的三分之一

6.4有壓管道非恒定流簡介水擊（水錘）：在有壓管路中，由于某種外界原因使得流速發(fā)生突然變化，從而引起壓強急劇升高和降低的交替變化，這種水力現(xiàn)象成為水擊（水錘）。需要考慮：水的壓縮性、管壁的彈性6.4.1水擊現(xiàn)象傳播過程6.4.2直接水擊及間接水擊增壓逆波，減壓順波，減壓逆波，增壓順波直接水擊波速的計算考慮水的壓縮性和管壁的彈性變形，采用連續(xù)方程推導(dǎo)水擊波傳播速度：式中，為聲波在水中的傳播速度。m/sD為管徑，m；為管壁厚度，m；K為水的彈性系數(shù)，kPaE為管壁的彈性模量。直接水擊壓強的計算時段內(nèi),水流方向的動量變化為時段內(nèi),外力在管軸方向的沖量為由動量定理可得忽略高階微量可得可得6.4.4間接水擊壓強計算水擊自動雙控泄壓閥，主要適用于長距離輸送原油、成品油等液體的管道，在突然產(chǎn)生水擊時，防止管道、閥門、輸油泵等受壓設(shè)備超壓破壞，它能迅速泄壓使長輸管道在安全壓力之下運行。從而保護(hù)管輸設(shè)備的安全，避免水擊超壓時造成重大事故和經(jīng)濟(jì)損失。這種新式泄壓閥，既可雙控又可單控，泄壓值可跟據(jù)用戶需要自行設(shè)定。泄壓曲線還可根據(jù)用戶實際需要調(diào)整振幅和周期。泄壓值設(shè)定范圍0.2—10.0Mpa.調(diào)壓室在較長的壓力引水系統(tǒng)中，為了降低高壓管道的水擊壓力，滿足機組調(diào)節(jié)保證計算的要求，常在壓力引水道與壓力管道銜接處建造調(diào)壓室。調(diào)壓室將有壓引水系統(tǒng)分成兩段：上游段為壓力引水道，下游段為壓力管道BlakelyMountainDam調(diào)壓室的功用可歸納為以下三點：(1)反射水擊波?；旧媳苊饬耍ɑ驕p?。毫艿纻鱽淼乃畵舨ㄟM(jìn)入壓力引水道。(2)減小水擊壓力(壓力管道及廠房過水部分)?？s短了壓力管道的長度(3)改善機組在負(fù)荷變化時的運行條件。

調(diào)壓室的工作原理調(diào)壓室具有較大的容積和自由水面，它將電站因負(fù)荷變化而引起的有壓系統(tǒng)非恒定流現(xiàn)象分為性質(zhì)不同而又互相聯(lián)系的兩部分：

一是壓力管道的水擊現(xiàn)象，

另一個是“水庫—引水道—調(diào)壓室”的水流波動現(xiàn)象。引水道—調(diào)壓室系統(tǒng)中的水位波動現(xiàn)象與壓力管道中產(chǎn)生的水擊波動性質(zhì)有很大的差別。

調(diào)壓室的水位波動主要是由于水體的往復(fù)運動引起，其特點是振幅小、變化慢、周期長。而管道水擊過程是水擊波的傳播，振幅大、變化快，往往在很短時間內(nèi)即消失，而前者往往長達(dá)幾十秒到幾百秒甚至更長。

調(diào)壓室的布置方式和類型圓筒式調(diào)壓室

但收縮斷面的真空高度不能太大，當(dāng)收縮斷面的真空高度達(dá)7m水柱以上時，液體會發(fā)生空穴現(xiàn)象；另外，空氣將會自管嘴出口處吸入，從而破壞了收縮斷面處的真空。因此，為了保證管嘴正常工作，須≤7m水柱，二、薄壁孔口的恒定出流薄壁孔口：在容器壁上開一孔口，如壁的厚度對水流無影響，孔壁與水流僅在一條周線上接觸，這種孔口稱為薄壁孔口。

1、孔口出流現(xiàn)象（收縮斷面位置）

小孔口各點的水頭相同

大孔口各點的水頭各不相同自由出流，大、小孔口有區(qū)別淹沒出流，無大、小孔口之分

2、薄壁小孔口的自由出流收縮系數(shù)流量系數(shù)

全部收縮與部分收縮：I、Ⅱ兩孔全部收縮（孔口的全部邊界都不與容器的周界或液面重合的收縮）完善收縮和不完善收縮凡孔口與相鄰壁面或液面的距離大于或等于同方向孔口尺寸的3倍(l≥3a及l(fā)≥3b)I孔，為完善收縮Ⅱ孔，為不完善收縮Ⅲ、IV兩孔稱為部分收縮。

由實驗測定，對于完善收縮的薄壁圓形小孔口，

3、大孔口自由出流將大孔口分解為許多水頭不等的小孔口，應(yīng)用小孔口自由出流公式計算其流量，予以積分，其形式仍為，

表6．1大孔口的流量系數(shù)值┌─────────────────┬────────┐│孔口型式及出流收縮情況│流量系數(shù)│├─────────────────┼────────┤│中型孔口出流，全部收縮│0．65│├─────────────────┼────────┤│大型孔口出