第五章 管流損失和水力計(jì)算§5.1

管內(nèi)流動(dòng)的能量損失§5.2

黏性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)§5.3

管道入口段中的流動(dòng)§5.4

圓管中流體的層流流動(dòng)§5.5

黏性流體的湍流流動(dòng)§5.6

沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究第五章 管流損失和水力計(jì)算§5.10液體的出流§5.11水擊現(xiàn)象§5.12氣穴和氣蝕現(xiàn)象§5.7

非圓形管道沿程損失的計(jì)算§5.8

局部損失§5.9

管道水力計(jì)算§5.1管內(nèi)流動(dòng)的能量損失兩大類流動(dòng)能量損失:一、沿程能量損失

發(fā)生在緩變流整個(gè)流程中的能量損失，由流體的黏滯力造成的損失?！獑挝恢亓α黧w的沿程能量損失——沿程損失系數(shù)——管道長度——管道內(nèi)徑——單位重力流體的動(dòng)壓頭（速度水頭）。2.局部能量損失1.沿程能量損失§5.1管內(nèi)流動(dòng)的能量損失二、局部能量損失

發(fā)生在流動(dòng)狀態(tài)急劇變化的急變流中的能量損失，即在管件附近的局部范圍內(nèi)主要由流體微團(tuán)的碰撞、流體中產(chǎn)生的漩渦等造成的損失?！獑挝恢亓α黧w的局部能量損失。——單位重力流體的動(dòng)壓頭（速度水頭）?！植繐p失系數(shù)§5.1管內(nèi)流動(dòng)的能量損失三、總能量損失

整個(gè)管道的能量損失是分段計(jì)算出的能量損失的疊加?！偰芰繐p失?！?.2黏性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)一、雷諾實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置顏料水箱玻璃管細(xì)管閥門§5.2黏性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)一、雷諾實(shí)驗(yàn)(續(xù))實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象過渡狀態(tài)湍流層流層流：整個(gè)流場呈一簇互相平行的流線。著色流束為一條明晰細(xì)小的直線。湍流：流體質(zhì)點(diǎn)作復(fù)雜的無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。著色流束與周圍流體相混，顏色擴(kuò)散至整個(gè)玻璃管。過渡狀態(tài)：流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。著色流束開始振蕩?！?.2黏性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)一、雷諾實(shí)驗(yàn)(續(xù))實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(續(xù))§5.2黏性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)二、兩種流動(dòng)狀態(tài)的判定1、實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)2、臨界流速——下臨界流速——上臨界流速層流：不穩(wěn)定流：紊流：流動(dòng)較穩(wěn)定流動(dòng)不穩(wěn)定§5.2黏性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)二、兩種流動(dòng)狀態(tài)的判定（續(xù)）3、臨界雷諾數(shù)層流：不穩(wěn)定流：紊流：——下臨界雷諾數(shù)——上臨界雷諾數(shù)工程上常用下臨界雷諾數(shù)判別流態(tài)：層流：紊流：雷諾數(shù)§5.2黏性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)例：水在內(nèi)徑d=0.1m的圓管中流動(dòng)，平均流速v=0.5m/s，水的運(yùn)動(dòng)黏度ν=1×10-6m2/s，水在管中呈何種流動(dòng)狀態(tài)？假設(shè)管中的流體是油，流速不變，油的運(yùn)動(dòng)黏度ν=31×10-6m2/s，那么油在管中呈何種流態(tài)？解：水的雷諾數(shù)為：所以，水在管中呈湍流狀態(tài)。油的雷諾數(shù)為：所以，油在管中呈層流狀態(tài)?！?.2黏性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)三、沿程損失與流動(dòng)狀態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置Δpl§5.2黏性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)三、沿程損失與流動(dòng)狀態(tài)(續(xù))實(shí)驗(yàn)結(jié)果O

hfvcr

vDCBAv’cr

結(jié)論：

沿程損失與流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，故計(jì)算各種流體通道的沿程損失，必須首先判別流體的流動(dòng)狀態(tài)。層流：湍流：lΔp§5.3管道入口段中的流動(dòng)一、邊界層

當(dāng)黏性流體流經(jīng)固體壁面時(shí)，在固體壁面與流體主流之間必定有一個(gè)流速變化的區(qū)域，在高速流中這個(gè)區(qū)域是緊貼壁面非常薄的一層，薄層內(nèi)速度梯度很大，該薄層稱為邊界層。umaxτ0§5.3管道入口段中的流動(dòng)一、邊界層（續(xù)）

邊界層以外，黏性不起作用，即速度梯度可視為零的區(qū)域，稱為主體（主流）區(qū)或外流區(qū)。這一區(qū)域的流體流動(dòng)可近似看作理想流體流動(dòng)。§5.3管道入口段中的流動(dòng)一、邊界層（續(xù)）

流體流過光滑平板時(shí)，邊界層由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧靼l(fā)生在：邊界層的發(fā)展層流邊界層湍流邊界層過渡區(qū)u∞§5.3管道入口段中的流動(dòng)二、管道入口段

當(dāng)黏性流體流入圓管,由于受管壁的影響,在管壁上形成邊界層,隨著流動(dòng)的深入,邊界層不斷增厚,直至邊界層在管軸處相交,邊界層相交以前的管段,稱為管道入口段。層流邊界層湍流邊界層充分發(fā)展的流動(dòng)L*L*（圓管內(nèi)邊界層的發(fā)展）層流湍流§5.3管道入口段中的流動(dòng)二、管道入口段(續(xù))入口段內(nèi)和入口段后速度分布特征層流邊界層湍流邊界層充分發(fā)展的流動(dòng)L*L*入口段內(nèi):入口段后:各截面速度分布不斷變化各截面速度分布均相同§5.4圓管中流體的層流流動(dòng)以傾斜角為的圓截面直管道的不可壓縮黏性流體的定常層流流動(dòng)為例。pp+(p/l)dlmgrr0xhgdl受力分析：重力:側(cè)面的黏滯力:兩端面總壓力:§5.4圓管中流體的層流流動(dòng)軸線方向列力平衡方程hpp+(p/l)dlmgrr0xgdl兩邊同除r2dl得由于得，一、切向應(yīng)力分布

§5.4圓管中流體的層流流動(dòng)二、速度分布

將

代入

得，對(duì)r積分得，

當(dāng)r=r0時(shí)vx=0，得

故：

§5.4圓管中流體的層流流動(dòng)三、最大流速、平均流速、圓管流量、壓強(qiáng)降1.最大流速管軸處:

2.平均流速3.圓管流量水平管:

§5.4圓管中流體的層流流動(dòng)三、最大流速、平均流速、圓管流量、壓強(qiáng)降(續(xù))4.壓強(qiáng)降(流動(dòng)損失)水平管:

結(jié)論：層流流動(dòng)的沿程損失與平均流速的一次方成正比。§5.4圓管中流體的層流流動(dòng)四、其它公式1.動(dòng)能修正系數(shù)α結(jié)論：圓管層流流動(dòng)的實(shí)際動(dòng)能等于按平均流速計(jì)算的動(dòng)能的二倍。2.壁面切應(yīng)力(水平管)§5.4圓管中流體的層流流動(dòng)例：油泵沿等內(nèi)徑水平圓管道輸送重油。管長l=5000m，管內(nèi)徑d=0.3m，油的流量qv=240m3/h，油的密度ρ=950kg/m3。試求在溫度t1=40℃，運(yùn)動(dòng)黏度ν1=1.5cm2/s和在溫度t2=10℃,運(yùn)動(dòng)黏度ν2=25cm2/s時(shí)，輸送重油所需的功率。設(shè)油的密度不隨溫度變化。解：油在管道中的平均流速為：兩種油溫下的雷諾數(shù)Re1和Re2均小于2320，故兩種流態(tài)均為層流狀態(tài)。兩種油溫下的沿程損失系數(shù)為：§5.4圓管中流體的層流流動(dòng)兩種油溫下的沿程損失分別為沿程損失hf是單位重力流體沿管道流動(dòng)的能量損失，因此流體在單位時(shí)間內(nèi)的能量損失應(yīng)等于流體的重力流量ρgqv乘以沿程損失hf。所以在兩種油溫下輸送重油所需的功率分別為：§5.4圓管中流體的層流流動(dòng)例：如圖所示，一內(nèi)徑為20mm的傾斜放置的圓管，其中流過密度ρ=815kg/m3、黏度μ=0.04Pa·s的流體，已知截面1處的壓強(qiáng)p1=9.8×104Pa，截面2處的壓強(qiáng)p2=19.6×104Pa，流體在管內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)為層流。試確定流體在管內(nèi)的流動(dòng)方向，并求出流體的平均流速和雷諾數(shù)。解：為了確定流動(dòng)方向，需要計(jì)算截面1和2處流體的總水頭的大小。由于等截面管道在截面1和2處的平均流速相等，即速度水頭相等，而且動(dòng)能修正系數(shù)相等，因此流動(dòng)的方向取決于這兩個(gè)截面處的壓強(qiáng)水頭與位置水頭之和的大小。在截面1處：由于（p2/ρg+z2）>（p1/ρg+z1），流體由截面2流向截面1。在截面2處：126m2m§5.4圓管中流體的層流流動(dòng)對(duì)2、1截面列伯努利方程：將λ=64/Re=64μ/ρvd代入上述伯努利方程可得平均流速，雷諾數(shù)為：§5.5黏性流體的湍流流動(dòng)一、湍流流動(dòng)、時(shí)均值、脈動(dòng)值、時(shí)均定常流動(dòng)1.湍流流動(dòng)

流體質(zhì)點(diǎn)相互摻混，作無定向、無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)在時(shí)間和空間都是具有隨機(jī)性質(zhì)的運(yùn)動(dòng),屬于非定常流動(dòng)。t§5.5黏性流體的湍流流動(dòng)2.時(shí)均值、脈動(dòng)值

在時(shí)間間隔t內(nèi)某一流動(dòng)參量的平均值稱為該流動(dòng)參量的時(shí)均值。瞬時(shí)值

某一流動(dòng)參量的瞬時(shí)值與時(shí)均值之差，稱為該流動(dòng)參量的脈動(dòng)值。時(shí)均值脈動(dòng)值t§5.5黏性流體的湍流流動(dòng)3.時(shí)均定常流動(dòng)

空間各點(diǎn)的時(shí)均值不隨時(shí)間改變的湍流流動(dòng)稱為時(shí)均定常流動(dòng)，或定常流動(dòng)、準(zhǔn)定常流動(dòng)。t§5.5黏性流體的湍流流動(dòng)二、湍流中的切向應(yīng)力普朗特混合長度層流：摩擦切向應(yīng)力湍流：摩擦切向應(yīng)力附加切向應(yīng)力液體質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng)導(dǎo)致了質(zhì)量交換，形成了動(dòng)量交換和質(zhì)點(diǎn)混摻，從而在液層交界面上產(chǎn)生了湍流附加切應(yīng)力。+1.湍流中的切向應(yīng)力工程上常用普朗特混合長理論確定附加切向應(yīng)力值。l§5.5黏性流體的湍流流動(dòng)2.普朗特混合長度流體微團(tuán)在從某流速的流層因脈動(dòng)uy’進(jìn)入另一流速的流層時(shí)，在運(yùn)動(dòng)的距離l（普朗特稱此為混合長度）內(nèi)，微團(tuán)保持其本來的流動(dòng)特征不變。普朗特假設(shè):普朗特給出的脈動(dòng)切向應(yīng)力表達(dá)式：湍流中總切向應(yīng)力：§5.5黏性流體的湍流流動(dòng)三、圓管中湍流的速度分布和沿程損失1.黏性底層、圓管中湍流的區(qū)劃、水力光滑與水力粗糙黏性底層:

黏性流體在圓管中湍流流動(dòng)時(shí)，緊貼固體壁面有一層很薄的流體，受壁面的限制，脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)幾乎完全消失，黏滯力起主導(dǎo)作用，基本保持著層流狀態(tài)，這一薄層稱為黏性底層。

圓管中湍流的區(qū)劃:2.湍流充分發(fā)展的中心區(qū)1.黏性底層區(qū)3.由黏性底層區(qū)到湍流充分發(fā)展的中心區(qū)的過渡區(qū)黏性底層湍流邊界層充分發(fā)展的流動(dòng)§5.5黏性流體的湍流流動(dòng)水力光滑管與水力粗糙管

黏性底層厚度：

管壁的粗糙凸出的平均高度：（絕對(duì)粗糙度）

絕對(duì)粗糙度與管徑的比值：/d（相對(duì)粗糙度）

§5.5黏性流體的湍流流動(dòng)水力光滑管與水力粗糙管水力粗糙：<

管壁的粗糙凸出部分有一部分暴露在湍流區(qū)中，管壁粗糙度對(duì)湍流流動(dòng)發(fā)生影響。

水力光滑：>湍流區(qū)域完全感受不到管壁粗糙度的影響。

水力光滑水力粗糙δδ<εδ>ε§5.5黏性流體的湍流流動(dòng)2.圓管中湍流的速度分布(1)光滑平壁面假設(shè)整個(gè)區(qū)域

=w=常數(shù)黏性底層內(nèi)黏性底層外因切向應(yīng)力速度(摩擦速度)表征湍流切應(yīng)力性質(zhì)并具有速度量綱的特征參數(shù)?！?.5黏性流體的湍流流動(dòng)2.圓管中湍流的速度分布(續(xù))(2)光滑直管具有與平壁近似的公式速度分布:最大速度:平均速度:§5.5黏性流體的湍流流動(dòng)2.圓管中湍流的速度分布(續(xù))(2)光滑直管(續(xù))其它形式的速度分布:(指數(shù)形式)

Re

n

vx/vxmax平均速度:§5.5黏性流體的湍流流動(dòng)2.圓管中湍流的速度分布(續(xù))(3)粗糙直管速度分布:最大速度:平均速度:§5.5黏性流體的湍流流動(dòng)3.圓管中湍流的沿程損失(1)光滑直管（水力光滑管）(2)粗糙直管（水力粗糙管）實(shí)驗(yàn)修正后§5.6沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

沿程損失:層流:湍流:在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出某些假設(shè)，通過實(shí)驗(yàn)獲得計(jì)算湍流沿程損失系數(shù)λ的半經(jīng)驗(yàn)公式或經(jīng)驗(yàn)公式。代表性實(shí)驗(yàn):尼古拉茲實(shí)驗(yàn)?zāi)蠈?shí)驗(yàn)§5.6沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究一、尼古拉茲實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)對(duì)象:不同直徑圓管不同流量不同相對(duì)粗糙度實(shí)驗(yàn)條件:實(shí)驗(yàn)示意圖:lvhf§5.6沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線§5.6沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線的五個(gè)區(qū)域?qū)恿鲄^(qū)管壁的相對(duì)粗糙度對(duì)沿程損失系數(shù)沒有影響。2.過渡區(qū)

不穩(wěn)定區(qū)域，可能是層流，也可能是湍流。通常在能量損失計(jì)算中按第Ⅲ區(qū)域處理?！?.6沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線的五個(gè)區(qū)域(續(xù))湍流光滑管區(qū)沿程損失系數(shù)與相對(duì)粗糙度無關(guān)，而只與雷諾數(shù)有關(guān)。布拉休斯公式：尼古拉茲公式：卡門-普朗特公式：§5.6沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線的五個(gè)區(qū)域(續(xù))湍流粗糙管過渡區(qū)沿程損失系數(shù)與相對(duì)粗糙度和雷諾數(shù)有關(guān)。洛巴耶夫公式：考爾布魯克公式：蘭格公式：§5.6沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線的五個(gè)區(qū)域(續(xù))湍流粗糙管平方阻力區(qū)沿程損失系數(shù)只與相對(duì)粗糙度有關(guān)。尼古拉茲公式：

此區(qū)域內(nèi)流動(dòng)的能量損失與流速的平方成正比，故稱此區(qū)域?yàn)槠椒阶枇^(qū)。§5.6沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究二、莫迪實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)對(duì)象:不同直徑工業(yè)管道不同流量不同相對(duì)粗糙度實(shí)驗(yàn)條件:§5.6沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究二、莫迪實(shí)驗(yàn)(續(xù))莫迪實(shí)驗(yàn)曲線§5.6沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究二、莫迪實(shí)驗(yàn)(續(xù))莫迪實(shí)驗(yàn)曲線的五個(gè)區(qū)域1.層流區(qū)——層流區(qū)2.臨界區(qū)3.光滑管區(qū)5.完全湍流粗糙管區(qū)4.過渡區(qū)——湍流光滑管區(qū)——過渡區(qū)——湍流粗糙管過渡區(qū)——湍流粗糙管平方阻力區(qū)§5.7非圓形管道沿程損失的計(jì)算與圓形管道相同之處:沿程損失計(jì)算公式雷諾數(shù)計(jì)算公式上面公式中的直徑d需用當(dāng)量直徑D來代替。與圓形管道不同之處:§5.7非圓形管道沿程損失的計(jì)算當(dāng)量直徑為4倍有效截面與濕周之比，即4倍水力半徑。一、當(dāng)量直徑D二、幾種非圓形管道的當(dāng)量直徑計(jì)算1.充滿流體的矩形管道§5.7非圓形管道沿程損失的計(jì)算二、幾種非圓形管道的當(dāng)量直徑計(jì)算（續(xù)）2.充滿流體的圓環(huán)形管道d2d13.充滿流體的管束S1S1S2d§5.8局部損失局部損失：ζ用分析方法求得，或由實(shí)驗(yàn)測定。局部損失產(chǎn)生的原因：主要是由流體的相互碰撞和形成漩渦等原因造成§5.8局部損失一、管道截面突然擴(kuò)大流體從小直徑的管道流往大直徑的管道112v2A2v1A12取1-1、2-2截面以及它們之間的管壁為控制面。連續(xù)方程動(dòng)量方程能量方程§5.8局部損失一、管道截面突然擴(kuò)大(續(xù))112v2A2v1A12將連續(xù)方程、動(dòng)量方程代入能量方程，以小截面流速計(jì)算的以大截面流速計(jì)算的§5.8局部損失一、管道截面突然擴(kuò)大(續(xù))管道出口損失速度頭完全消散于池水中?！?.8局部損失二、管道截面突然縮小流體從大直徑的管道流往小直徑的管道v2A2v1A1vcAc流動(dòng)先收縮后擴(kuò)展，能量損失由兩部分損失組成:§5.8局部損失二、管道截面突然縮小(續(xù))v2A2v1A1vcAc由實(shí)驗(yàn)等直徑管道隨著直徑比由0.115線性減小到0?！?.8局部損失二、彎管AA'CBD'D流體在彎管中流動(dòng)的損失由三部分組成:2.由切向應(yīng)力產(chǎn)生的沿程損失；1.形成漩渦所產(chǎn)生的損失；3.由二次流形成的雙螺旋流動(dòng)所產(chǎn)生的損失。§5.9管道水力計(jì)算流體工程中通常需要解決的三類計(jì)算問題（1）已知qV、l、d、、，求hf；（2）已知hf

、l、d、

、，求qV；（3）已知hf

、qV

、l、、，求d。簡單管道的水力計(jì)算是其它復(fù)雜管道水力計(jì)算的基礎(chǔ)?！?.9管道水力計(jì)算第一類問題的計(jì)算步驟（1）已知qV、l、d、、，求hf；qV、l、d計(jì)算Re由Re、/d查莫迪圖得計(jì)算hf§5.9管道水力計(jì)算第二類問題的計(jì)算步驟（2）已知hf

、l、d、

、，求qV；假設(shè)

由hf計(jì)算v

、Re由Re、/d查莫迪圖得New校核New=NewNY由hf計(jì)算qV§5.9管道水力計(jì)算第三類問題的計(jì)算步驟（3）已知hf

、qV

、l、、，求d。hf

qVl計(jì)算與d的函數(shù)曲線由Re、/d查莫迪圖得New校核New=NewNY由hf計(jì)算

d§5.9管道水力計(jì)算管道的分類按照能量損失類型：長管和短管凡是局部損失和出流速度水頭之和小于5%沿程損失的管道系統(tǒng)稱為水力長管，簡稱長管。長管中只計(jì)算沿程損失，忽略局部損失和出流速度水頭。凡是沿程損失和局部損失大小相近的管道系統(tǒng)稱為水力短管，簡稱短管。短管中兩種損失均需考慮，不能忽略?！?.9管道水力計(jì)算管道的種類:簡單管道串聯(lián)管道并聯(lián)管道分支管道一、簡單管道

管道直徑和管壁粗糙度均相同的一根管子或這樣的數(shù)根管子串聯(lián)在一起的管道系統(tǒng)。

計(jì)算基本公式連續(xù)方程沿程損失能量方程§5.9管道水力計(jì)算例：如圖所示，水箱中的水通過直徑為d，長度為l，沿程損失系數(shù)為λ的鉛直管向大氣中泄水。忽略鉛直管進(jìn)口處的局部損失，求h為多大時(shí)，泄水流量qv與l無關(guān)。解：要確定流量，首先應(yīng)求出管中的流速。對(duì)圖中1-1液面和鉛垂直管出口2-2列伯努利方程因?yàn)椴⑶覍⑺鼈兇氩匠痰卯?dāng)時(shí)，與l無關(guān)。1水力長管hld1122§5.9管道水力計(jì)算例：利用如圖所示的虹吸管將水由Ⅰ池引向Ⅱ池。已知管徑d=100mm，虹吸管總長l=20m，B點(diǎn)以前的管段長l1=8m，虹吸管的最高點(diǎn)B離上游水面的高度h=4m，兩水面水位高度差H=5m。設(shè)沿程損失系數(shù)λ=0.04，虹吸管進(jìn)出口局部損失系數(shù)ζi=0.8，出口局部損失系數(shù)ζe=1，每個(gè)彎頭的局部損失系數(shù)ζb=0.9.求引水流量qv和B點(diǎn)的真空液柱高h(yuǎn)v。解：以下游液面為基準(zhǔn)，對(duì)上、下游液面列伯努利方程所以流速為流量為對(duì)上游液面和B點(diǎn)列伯努利方程2水力短管ⅠⅡBHh§5.9管道水力計(jì)算所以由上式得該虹吸管的吸水高度不能超過7.43m。如果達(dá)到或超過這一高度，水就開始汽化，虹吸作用會(huì)被破壞。2水力短管這就是B點(diǎn)的真空液柱高。假設(shè)大氣壓強(qiáng)，水溫時(shí)水的飽和蒸氣壓強(qiáng)，那么吸水高度h不能超過多少？§5.9管道水力計(jì)算泵供給單位重力流體的能量HS稱為泵的揚(yáng)程（或泵的壓頭）。泵有效功率：泵在單位時(shí)間內(nèi)供給流體的能量在有泵供給管道系統(tǒng)能量的情況下，依據(jù)有能量輸入的總流伯努利方程，從1-1水面到2-2水面列伯努利方程：3帶有泵或風(fēng)機(jī)的管道鍋爐水泵熱水井hζ閥ζ彎ζ彎ζ閥ζ出口l2,d2l1,d1Hp1122v2p0pav1§5.9管道水力計(jì)算泵的揚(yáng)程（壓頭）的作用：（1）把液位提高；

（2）增大液體的壓強(qiáng)（克服逆壓差作用）；

（3）客服液體在管道中流動(dòng)的各種阻力。3帶有泵或風(fēng)機(jī)的管道因?yàn)?-1水面，2-2水面的速度，所以鍋爐水泵熱水井hζ閥ζ彎ζ彎ζ閥ζ出口l2,d2l1,d1Hp1122v2p0pav1§5.9管道水力計(jì)算解：水在管道中的平均流速為將已知條件和以上結(jié)果代入泵的揚(yáng)程計(jì)算式，得3帶有泵或風(fēng)機(jī)的管道例：如圖所示，水泵把熱水井中的凝結(jié)水以的流量輸送到鍋爐中。鍋爐中蒸汽的表壓強(qiáng)為，兩水面間的高度差為，水泵吸水管和排水管的長度分別為，其管徑和沿程損失系數(shù)均為和。管道中裝有一個(gè)進(jìn)水柵止回閥，兩個(gè)節(jié)流閥，兩個(gè)彎頭。設(shè)

，求水泵揚(yáng)程HS及有效功率P。泵的揚(yáng)程計(jì)算式中和分別為：則泵的有效功率為§5.9管道水力計(jì)算二

串聯(lián)管道由不同直徑或粗糙度的管段順次聯(lián)接在一起的管道叫串聯(lián)管道。特點(diǎn)：1）對(duì)無泄漏的串聯(lián)管道，通過各管段的流量相同。2）串聯(lián)管道的能量損失等于各管段能量損失的總和?！?.9管道水力計(jì)算解：列A、B兩水面的伯努利方程將管道的連續(xù)方程代入上式可得例：如圖所示，由不同直徑的管段1和管段2連接在一起形成串聯(lián)管道。已知：

，流體的運(yùn)動(dòng)黏度，求流體在該管道中的流量qv。AB12ζiζ2ζeH§5.9管道水力計(jì)算由，參照莫迪圖試取，代入上式可求得。由連續(xù)方程可求得于是得依據(jù)求出的雷諾數(shù)和相對(duì)粗糙度，由莫迪圖差的。再將其代入伯努利方程可求得新的，此數(shù)值與上一次求出的數(shù)值相比較誤差很小，因此取，于是得AB12ζiζ2ζeH§5.9管道水力計(jì)算三

并聯(lián)管道管道從某處分成幾個(gè)支管道，而后又在下游某處匯合成一路的管道叫做并聯(lián)管道。特點(diǎn)：1）并聯(lián)管道的總流量等于各支管道流量的總和。2）并聯(lián)管道各支管道的水頭損失彼此相等?！?.9管道水力計(jì)算解：由兩支管水頭損失相等知化簡后得聯(lián)立式（a）和（b）求解得例：如圖所示，并聯(lián)管道的總流量，已知，求各支管的流量和。ABl1,d1,qV1l2,d2,qV2§5.9管道水力計(jì)算四

分支管道幾個(gè)支管道從某處分叉后不再匯合的管道系統(tǒng)稱為分支管道。特點(diǎn)：流進(jìn)節(jié)點(diǎn)流體的流量等于流出節(jié)點(diǎn)流體的流量?！?.9管道水力計(jì)算解：列水池水面到C點(diǎn)的伯努利方程代入已知數(shù)據(jù)可求出列水池水面到D點(diǎn)的伯努利方程例：如圖所示，總管自水池引出后，從節(jié)點(diǎn)B分叉，經(jīng)支管2、3分別由C、D兩點(diǎn)流入大氣，已知C、D兩點(diǎn)與水池水面的高度差均為；；

；。管1中的流量，節(jié)點(diǎn)B水的泄漏量；不計(jì)局部損失，求管2和3的流量和。代入已知數(shù)據(jù)可求出

和應(yīng)滿足節(jié)點(diǎn)B流量平衡經(jīng)驗(yàn)算和滿足此式。ABCDHHhf2hf1hf3l1,d1l2,d2l3,d3qv’§5.10液體的出流一、孔口出流在盛有液體的容器的側(cè)壁或底部開一孔口，液體經(jīng)孔口流出，稱為孔口出流。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)管嘴流出，稱為管嘴出流。孔口與管嘴出流有一個(gè)共同特點(diǎn)：在水力計(jì)算中局部損失起主要作用，沿程損失可以忽略不計(jì)?！?.10液體的出流一、孔口出流用能量方程和連續(xù)方程導(dǎo)出計(jì)算流速和流量的公式，并由實(shí)驗(yàn)確定計(jì)算式中的系數(shù)。當(dāng)液體從孔口出流時(shí)，由于水流慣性作用，流線不可能成折角的改變方向，因此形成了收縮斷面C-C，其截面積用Ac表示?！?.10液體的出流1、孔口出流的分類D/H<0.1D/H>0.1§5.10液體的出流自由出流:淹沒出流:液體流入大氣。液體流入液體空間。1、孔口出流的分類§5.10液體的出流1、孔口出流的分類薄壁孔口出流：確切地講就是銳緣孔口出流，流體與孔壁只有周線上接觸，孔壁厚度不影響射流形態(tài)；厚壁孔口出流：除薄壁孔口出流外的孔口出流。如：孔邊修圓的情況，此時(shí)孔壁參與了出流的收縮，但收縮斷面還是在流出孔口后形成。若壁厚達(dá)到3～4D，孔口就可以稱為管嘴，收縮斷面將會(huì)在管嘴內(nèi)形成，而后擴(kuò)展成滿流流出管嘴。管嘴出流的能量損失只考慮局部損失，如果管嘴再長，以致必須考慮沿程損失時(shí)就成為水力短管了?！?.10液體的出流2、薄壁孔口出流液體從孔口以射流狀態(tài)流出，流線不能再孔口處急劇改變方向，而會(huì)在流出孔口后在孔口附近形成收縮斷面，此斷面可視為處在緩變流段中，斷面上壓強(qiáng)均勻。收縮斷面面積Ac與孔口面積A的比值用ε表示，即：ε—收縮系數(shù)，為無量綱數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定?！?.10液體的出流2、薄壁孔口出流如果沿孔口的所有周界上液體都有收縮，稱為全部收縮，反之稱為部分收縮。全部收縮：完善收縮和不完善收縮。視孔口邊緣與容器邊壁距離與孔口尺寸之比的大小而定，大于3則可認(rèn)為完善收縮。完善收縮時(shí)，收縮系數(shù)ε的范圍是0.63～0.64?！?.10液體的出流薄壁孔口出流表征孔口出流性能的系數(shù):流量系數(shù)μ流速系數(shù)φ收縮系數(shù)ε（1）收縮系數(shù)ε全部收縮完善收縮非完善收縮如：孔口a如：孔口b部分收縮只有部分周界收縮如：孔口c、d所有周界都收縮§5.10液體的出流以孔口中心的水平面為基準(zhǔn)面，列斷面1-1與收縮斷面C-C之間的能量方程：薄壁小孔口出流為孔口的總水頭。令代入能量方程可得：§5.10液體的出流因此，薄壁小孔口出流——流速系數(shù)對(duì)完善收縮的小孔口，一般取φ=0.97。φ與ζ有關(guān)，由實(shí)驗(yàn)確定?？卓谧杂沙隽鞯牧髁繛椋骸?.10液體的出流因?yàn)楸”谛】卓诔隽鳌髁肯禂?shù)對(duì)完善收縮的圓形小孔口，ε=0.94，φ=0.97。μ值通常由實(shí)驗(yàn)確定。大孔口自由出流的流速和流量仍可用小孔口岀流的計(jì)算式計(jì)算，只是相應(yīng)的水頭應(yīng)近似取為孔口形心處的值。所以§5.10液體的出流3、孔口的淹沒出流孔口淹沒岀流時(shí)，作用于孔口任一點(diǎn)的上、下游的水頭差相等，因此，對(duì)淹沒岀流而言，孔口無大小之分。對(duì)斷面1-1和2-2列能量方程：為斷面1至斷面C和斷面C至斷面2的能量損失之和?！?.10液體的出流3、孔口的淹沒出流將hw表達(dá)式代入能量方程，且φ'為淹沒岀流的速度系數(shù)，與自由岀流流速系數(shù)φ的表達(dá)式相同?？傻谩?.10液體的出流3、孔口的淹沒出流其中：μ’為淹沒岀流的流量系數(shù)，與自由岀流流量系數(shù)表達(dá)式相同?？扇ˇ獭?μ。淹沒岀流的流量為：§5.10液體的出流4、厚壁孔口出流厚壁孔口岀流與薄壁孔口岀流的差別在于收縮系數(shù)和邊壁性質(zhì)有關(guān)。收縮系數(shù)定義中的A為孔口外側(cè)面積，當(dāng)孔邊修圓后，收縮減小，收縮系數(shù)和流量系數(shù)都增大?！?.10液體的出流二、管嘴出流常見的管嘴有五種形式：a-圓柱形外管嘴；b-圓柱形內(nèi)管嘴；c-圓錐形收縮管嘴；d-圓錐形擴(kuò)張管嘴；e-流線形管嘴?！?.10液體的出流二、管嘴出流管嘴岀流的流速和流量公式與孔口岀流的形式類似：自由岀流時(shí)：淹沒岀流時(shí)：§5.10液體的出流二、管嘴出流圓柱形外伸管嘴岀流的局部損失由兩部分組成，即孔口的局部水頭損失及收縮斷面后擴(kuò)展產(chǎn)生的局部損失，水頭損失大于孔口岀流。但是管嘴岀流為滿流，收縮系數(shù)為1，因此流量系數(shù)仍比孔口大，其岀流公式為：§5.10液體的出流二、管嘴出流管嘴岀流流量系數(shù)的加大也可以從管嘴收縮斷面處存在的真空來解釋，由于收縮斷面在管嘴內(nèi)，壓強(qiáng)要比孔口岀流時(shí)的零壓低，必然會(huì)提高吸出流量的能力。§5.10液體的出流三、變水頭孔口岀流變水頭岀流是非定常問題，但在水位隨時(shí)間變化的速率較小的情況下，如果把整個(gè)水頭變化范圍分為若干等份，則在每一等份可近似看作定常，通常稱這種為準(zhǔn)定常流。如圖所示，容器內(nèi)自由表面積為Ω，在dt時(shí)段內(nèi)水頭的增量為dH，則dt時(shí)段內(nèi)孔口的泄水量為：取，則：§5.10液體的出流三、變水頭孔口岀流即：當(dāng)H1=H，H2=0時(shí)，上式可寫為：表明非定常流的泄水時(shí)間等于相同水頭下定常泄放同樣體積所需時(shí)間的兩倍?！?.11水擊現(xiàn)象一、壓力管路中的水擊現(xiàn)象定義：壓力管路中運(yùn)動(dòng)的液體，由于外界條件的改變（閥門的啟閉和水泵的啟閉）使液體的流速發(fā)生突然的改變，從而引起壓強(qiáng)的突然升高和降低（升高和降低在交替中進(jìn)行）現(xiàn)象稱為水擊（或叫水錘）。實(shí)際：增壓和減壓過程的交替?！?.11水擊現(xiàn)象二、水擊現(xiàn)象傳播過程假設(shè)閥門突然關(guān)閉，（即關(guān)閉時(shí)間趨于0，且采用無黏性液體模型）設(shè)閥門關(guān)閉前