1、第五章 孔口管嘴管路流動,5.1 孔口自由出流 5.2 孔口淹沒出流 5.3 管嘴出流 5.4 簡單管路 5.5 管路的串聯(lián)與并聯(lián) 5.6 管網(wǎng)計算基礎(chǔ) 5.7 有壓管中的水擊,一、概念,孔口,小孔口,大孔口,管嘴,5.1 孔口自由出流,(厚壁孔口),共同點(diǎn)： （1）存在收縮斷面(約d/2處)；（2）只計局部損失,出流的分類,自由出流:,淹沒出流:,液體流入大氣,液體流入液體空間,二、薄壁小孔口恒定自由出流計算,孔口面積:A,收縮斷面面積:Ac,容器面積:A1A,對截面A-A和收縮斷面C-C列總流能量方程,定義：,H0稱為作用水頭,自由出流時：,定義流速系數(shù)：,流量：,收縮系數(shù),流量系數(shù),三、

2、孔口位置的影響,表征孔口出流性能的系數(shù):,（1）收縮系數(shù),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,收縮系數(shù),流速系數(shù),流量系數(shù),非全部收縮流量系數(shù)經(jīng)驗公式:,式中 -全部收縮時孔口流量系數(shù) S -未收縮部分周長 X -孔口全部周長 C -系數(shù),圓孔取0.13, 方孔取0.15,非完善收縮流量系數(shù)經(jīng)驗公式：,式中 -全部收縮時孔口流量系數(shù) A -孔口面積 A0 -孔口所在壁的全部面積,注意：上式僅適用于壁面中心位置的非完善收縮孔，局限性大。,四、薄壁孔口非定常出流(補(bǔ)充內(nèi)容),孔口面積遠(yuǎn)小于容器截面面積時，液體的升降或壓

3、強(qiáng)的變化緩慢，可按準(zhǔn)定常流處理。,等截面容器,令H2=0,得容器放空時間,V-容器放空的體積,Qmax-開始出流時的最大流量,5.2 孔口淹沒出流,對截面1-1和收縮斷面2-2列總流能量方程,定義：,H0稱為作用水頭,一、淹沒出流計算,流量：,收縮系數(shù),流速系數(shù),流量系數(shù),淹沒出流和自由出流比較,（1）計算公式一樣，各項系數(shù)值相同，但要注意 ，流速系數(shù)含義不同；,淹沒出流,自由出流,（2）公式中作用水頭不一樣：,自由出流,淹沒出流,若,H0H,若容器也是封閉的,若 ，,液面相對壓強(qiáng)為p0,二、幾種工況 1、壓力容器淹沒出流,流量：,2、氣體淹沒出流,流量：,三、應(yīng)用-孔板流量計,流量：,值見圖

4、5-6,問題:孔板流量計不是水平放置呢?,答案:用測壓管水頭差代入計算,5.3 管嘴出流,問題: 如果在孔口外連接一段l=(34)d 的短管，稱為管嘴，H、d都一樣，問過流能力是增加還是減少了？,1、與孔口出流的不同:,在管嘴內(nèi)流束先收縮,形成 收縮斷面CC，而后流束逐漸擴(kuò) 展,充滿整個管嘴出流。 在收縮斷面CC前后，流股 與管壁脫離，形成漩渦區(qū)，并產(chǎn) 生負(fù)壓，出現(xiàn)了管嘴的真空現(xiàn)象， 促使出流流量增大,一、圓柱形外 管嘴出流,2、出流計算,對截面A-A和B-B列總流伯努利（能量）方程,定義：,H0稱為作用水頭,流速：,流量：,銳緣進(jìn)口阻力系數(shù)作為管嘴阻力系數(shù),相當(dāng)于一般銳緣管 道進(jìn)口的局部損失

5、,具體到圖5-8的條件，zA-zB=H，pA=pB=pa，vA0,故H0=H,3、收縮斷面的真空,列收縮斷面C-C和出口斷面B-B的能量方程,突擴(kuò)損失,由連續(xù)方程得,代入上式得,表明在收縮斷面的真空度是作用水頭的75%，管嘴的作用相當(dāng)于將孔口自由出流的作用水頭增大了75%，從而管嘴流量大為增加。,4、圓柱外管嘴的正常工作條件,作用水頭H0越大，收縮斷面真空度也越大。當(dāng)收縮斷面真空度超過7m水柱時，空氣將會從管嘴出口斷面被“吸入”，使收縮斷面真空被破壞，管嘴不能保持滿管出流。,由公式,1、作用水頭,2、管嘴長度,l=(34)d,?,管嘴長度太長，會由于沿程阻力使流量減少，太短不能形成滿流出流，則

6、如孔口出流。故 l=(34)d,二、其它類型管嘴出流,3、擴(kuò)張圓錐形管嘴(圖c),2、收縮圓錐形管嘴(圖b),1、流線性管嘴(圖a),流速系數(shù),流量系數(shù),0.97,0.963,0.420.45,0.97,0.943,0.420.45,差別在 、 值,作業(yè)：5-2，3,管路的種類:,簡單管路,串聯(lián)管路,并聯(lián)管路,枝狀管路,簡單管路,5.4 簡單管路,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)。,環(huán)狀管路,(2)-(5)屬復(fù)雜管道,三類計算問題,（1）已知Q、l、d 、 、K/d，求hf；,（2）已知hf 、 l、 d 、 、 K/d ，求Q；,（3）已知hf 、 Q

7、、l、 、 K，求d,簡單管道的水力計算是其它復(fù)雜管道水力計算的基礎(chǔ)。,計算基本公式,連續(xù)方程,能量方程,(1)、(2)屬校核計算， (3)設(shè)計計算,水頭損失,第一類問題的計算步驟,（1）已知Q、l、d 、 、K/d，求hf,Q、l、d 、,計算Re,由Re、 K/d查莫迪圖得,計算 hf,第二類問題的計算步驟,（2）已知hf 、 l、 d 、 、 K/d ，求Q；,假設(shè),由hf計算 v 、Re,由Re、 K/d查莫迪圖得New,校核 New,= New,N,Y,由v 、 d計算 Q,初始可假設(shè)為粗糙區(qū)數(shù)值,第三類問題的計算步驟,（3）已知hf 、 Q 、l 、 、 K，求d。,hf Q l

8、K/d,計算 與 d的函數(shù)曲線,假設(shè),校核 New,= New,N,Y,計算d 結(jié)束,由Re、 K/d查莫迪圖得New,求d、v,具體計算,1、水平管道,如圖5-11(b),圖5-11(b),出口局部阻力系數(shù) =1，若將1作為 包括到 中去，則,阻力平方區(qū)， SH,Sp是常數(shù),(1)SH,Sp綜合反映了管路的沿程阻力和局部阻力情況,稱為管路阻抗 (2)簡單管路中，總阻力損失與體積流量平方成正比(阻力平方區(qū)),例5-5 某礦渣混凝土板風(fēng)道，斷面積為1m1.2m，長為50m， 局部阻力系數(shù) ，流量為14m3/s，空氣溫度為20C， 求壓強(qiáng)損失。,屬第一類問題,解：分析，求能量損失需知阻抗，即阻力系

9、數(shù)，求摩阻系數(shù) 需要Re和相對粗糙度條件。,（1）礦渣混凝土板K=1.5mm， 20C空氣的運(yùn)動粘滯系數(shù),流速,當(dāng)量直徑,雷諾數(shù),當(dāng)量粗糙度,查莫迪圖得,（2）計算阻抗，求損失,阻抗,壓強(qiáng)損失,2、有能量輸入管道,如圖5-12,列1-1、2-2斷面能量方程,如略去液面速度頭，輸入水頭為：,流動不僅要克服流動阻力，還要 提供位置水頭和壓強(qiáng)水頭使流入 高位壓力水箱中,3、虹吸管,如圖5-13,是指管道中一部分高出上游供水液面的簡單管路,（1）特點(diǎn)：存在真空區(qū)段 （2）工作要求：控制真空高度，避免汽化，hv=78.5m,分析計算,列1-1、2-2斷面能量方程,虹吸管流量計算公式,針對圖5-13情況，

10、p1= p2= pa, v1= v2=0, H0= H, l=l1+l2,進(jìn)口阻力系數(shù),轉(zhuǎn)彎阻力系數(shù),出口阻力系數(shù),求最大真空高度。,列1-1、C-C斷面能量方程,最大安裝高度,例5-6 給出圖5-13的具體數(shù)值如下：H=2m,l1=15m,l2=20m, d=200mm, ，hv=7m， 求通過虹吸管流量及管頂最大允許安裝高度,解：虹吸管流量為,最大安裝高度為,作業(yè)：5-14,15,5.5 管路的串聯(lián)與并聯(lián),任何復(fù)雜管道均是由簡單管道經(jīng)串聯(lián)、并聯(lián)組合而成 一、串聯(lián)管路,由不同簡單管道連接在一起的管道。,串聯(lián)管路特征,1.各管段的流量相等,2.總損失等于各段管 道中損失之和,復(fù)雜串聯(lián)管道,特點(diǎn)

11、：Q=c 損失：,兩類計算問題,（1）已知串聯(lián)管道的流量Q，求總水頭H ；,（2）已知總水頭H，求串聯(lián)管道的流量Q 。,二、并聯(lián)管路,由幾條簡單管道或串聯(lián)管道，入口端與出口端分別連接在一起的管道系統(tǒng)。,并聯(lián)管路特征,1.總流量是各分管段流量之和。,2.并聯(lián)管道的損失等于各分管道的損失。,- 并聯(lián)管路流量分配規(guī)律,兩類計算問題,（1）已知A點(diǎn)和B點(diǎn)的靜水頭線高度（即測壓管水頭z+p/)， 求總流量Q；,（2）已知總流量Q，求各分管道中的流量及能量損失。,例1 有一串聯(lián)管道，如圖。已知H=5m，d1=100mm，l1=10m，d2=200mm，l2=20m，若沿程阻力系數(shù)1= 2=0.02，試求通

12、過該管道的流量為多少？,解 列a-a和2-2的伯努利(能量)方程,因?qū)Υ?lián)管道有 Q =Q1 =Q2,v2=v1(d1/d2)2 故,代入數(shù)據(jù)計算結(jié)果,通過管道的流量,例 2 有一并聯(lián)管道如圖，若已知Q=300m3/h，d1=100mm，l1=40m，d2=50mm，l2=30m，d3=150mm，l3=50m，1=2=3=0.03。試求各支管中的流量Q1、Q2、Q3及并聯(lián)管道中的水頭損失。,解 根據(jù)并聯(lián)管道的流動規(guī)律,Q=Q1+Q2+Q3 hf1=hf2=hf3,因此有,將已知數(shù)據(jù)代入,并聯(lián)管道的水頭損失,作業(yè)：5-16,20,21,管網(wǎng):由簡單管路、串聯(lián)、并聯(lián)管路組合而成，分為枝狀管網(wǎng)和環(huán)

13、狀管網(wǎng)兩種,5.6 管網(wǎng)計算基礎(chǔ),一、枝狀管網(wǎng) 如圖，各不相同的出口管段在不同位置分流，形狀如樹枝。,根據(jù)串并聯(lián)計算原則,得圖中風(fēng)機(jī)壓頭,風(fēng)機(jī)風(fēng)量,分支管道特征,流入?yún)R合點(diǎn)的流量等于自匯合點(diǎn)流出的流量。,計算問題,已知管道的尺寸、粗糙度和流體性質(zhì)，求通過各管道的流量。,設(shè)J點(diǎn)的Hp (zJ+ pJ / )為參量 /,求Q1 、Q2 和Q3,應(yīng)滿足連續(xù)方程,or Q1+Q2=Q3,求出Hp,Q1=Q2+Q3,計算出Q1 、Q2 和Q3,二、環(huán)狀管網(wǎng) 如圖，通過多路系統(tǒng)相互連接組成一些環(huán)形回路，而節(jié)點(diǎn)的流量來自幾個回路的管道。,1、管網(wǎng)特征,（1）流入結(jié)點(diǎn)的流量等于流出結(jié)點(diǎn)的流量，即任一結(jié)點(diǎn)處流量

14、的代數(shù)和等于零。（流入流量為正，流出流量為負(fù)）,（2）在任一環(huán)路中，由某一結(jié)點(diǎn)沿兩個方向到另一個結(jié)點(diǎn)的能量損失相等，即任一環(huán)路能量損失的代數(shù)和等于零。 （順流能量損失為正，逆流能量損失為負(fù)）,2、計算問題,已知管道的尺寸、粗糙度和流體性質(zhì)，求通過各管道的流量。,預(yù)選各管道流體的流動方向和流量,計算各管道的能量損失,N,結(jié)束計算,引入修正流量Q，各管道修正流量,Y,迭代計算，相當(dāng)繁瑣,哈迪克羅斯的計算方法(程序),2,作業(yè)：5-27，28,一、水擊（水錘） 1. 概念：在流體有壓管道中，某種原因突然使液流速度發(fā)生變化，引起壓強(qiáng)大幅度波動的現(xiàn)象，稱為水擊。 水擊壓強(qiáng)可達(dá)管中正常壓強(qiáng)的幾十甚至幾百倍

15、,5.7 有壓管中的水擊,2. 產(chǎn)生原因 能量守恒觀點(diǎn)：能量消耗的過程 動量定理觀點(diǎn)：動量轉(zhuǎn)化為沖量的過程 內(nèi)在原因：液體有慣性和壓縮性 外在原因：液流速突然發(fā)生變化,3. 水擊波的傳播過程,以閥門突關(guān)為例,1.壓力升高過程,2.壓力恢復(fù)過程,3.壓力降低過程,4.壓力恢復(fù)過程,水擊波的全周期為4l/c,二、傳播形式,（1）水擊波：水擊以波的形式傳播（壓強(qiáng)波） （2）水擊壓強(qiáng)：水擊時增加的壓強(qiáng)（隨時間變化） （3）相長：T=2l/c水擊波往返一次的時間 （4）水擊波(壓強(qiáng)波)的傳播速度c,式中 K 流體的體積模量 E 管壁的彈性模量 管壁厚度 d 管壁內(nèi)徑 流體密度,例：管壁無彈性，E,三、直接水擊與間接水擊,1、直接水擊:,閥門關(guān)閉的時間 Ts 2l/c ，閥門處將產(chǎn)生最大的水擊壓強(qiáng)。,水擊壓強(qiáng):,式中 流體密度 v0 水錘前平均速度 v 關(guān)閥后速度(完全關(guān)閉v=0) c 水擊波傳播速度,2、間接水擊:,閥門關(guān)閉的時間 Ts 2l/c，閥門處壓強(qiáng)將達(dá)不到最大的水擊壓強(qiáng)。,水擊壓強(qiáng):,式中 T 水擊波相長，T=2l/c Ts 閥門關(guān)閉時間,四、危害與消除,1. 危害： 產(chǎn)生噪聲 產(chǎn)生振動（劇烈） 破壞閥門