流體力學(xué)課件5

1、 孔孔 口口 出出 流流 管管 嘴嘴 恒恒 定定 出出 流流 短短 管管 的的 水水 力力 計(jì)計(jì) 算算 長長 管管 的的 水水 力力 計(jì)計(jì) 算算離心式水泵及其水力計(jì)算離心式水泵及其水力計(jì)算v 本章在定量分析沿程水頭損失和局部水頭損本章在定量分析沿程水頭損失和局部水頭損失的基礎(chǔ)上，對(duì)工程實(shí)際中最常見的有壓管道失的基礎(chǔ)上，對(duì)工程實(shí)際中最常見的有壓管道恒定流動(dòng)和孔口、管嘴出流進(jìn)行水力計(jì)算。恒定流動(dòng)和孔口、管嘴出流進(jìn)行水力計(jì)算?？偭鞯倪B續(xù)性方程總流的連續(xù)性方程實(shí)際總流的能量方程實(shí)際總流的能量方程水頭損失基本規(guī)律水頭損失基本規(guī)律基本原理基本原理 液體從孔口以射流液體從孔口以射流狀態(tài)流出，流線不能狀態(tài)流出

2、，流線不能在孔口處急劇改變方在孔口處急劇改變方向，而會(huì)在流出孔口向，而會(huì)在流出孔口后在孔口附近形成收后在孔口附近形成收縮斷面，此斷面可視縮斷面，此斷面可視為處在漸變流段中，為處在漸變流段中，其上壓強(qiáng)均勻。其上壓強(qiáng)均勻。 51 孔口出流HH0OOCAACDCvCv0gv2200173P 孔口出流的分類孔口出流的分類 小孔口出流、大孔口出流（按小孔口出流、大孔口出流（按H/D 是否大于是否大于10來判定）；來判定）；恒恒定出流、非恒定出流；定出流、非恒定出流；淹沒出流、非淹沒出流；淹沒出流、非淹沒出流；薄壁出流、厚薄壁出流、厚壁出流。壁出流。薄壁出流確切地講就是銳緣孔口出流，流體與孔壁只薄壁出流確

3、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)，否則就是厚壁出有周線上接觸，孔壁厚度不影響射流形態(tài)，否則就是厚壁出流，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。如果壁厚達(dá)到斷面還是在流出孔口后形成。如果壁厚達(dá)到34D，孔口就可，孔口就可以稱為管嘴，收縮斷面將會(huì)在管嘴內(nèi)形成，而后再擴(kuò)展成滿流以稱為管嘴，收縮斷面將會(huì)在管嘴內(nèi)形成，而后再擴(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)就是短管

4、了。長，以致必須考慮沿程損失時(shí)就是短管了。 非淹沒出流的收縮斷面上非淹沒出流的收縮斷面上相對(duì)壓強(qiáng)均為零。對(duì)上游相對(duì)壓強(qiáng)均為零。對(duì)上游斷面斷面O-O和收縮斷面和收縮斷面C-C運(yùn)運(yùn)用能量方程即可得到小孔用能量方程即可得到小孔口非淹沒出流公式口非淹沒出流公式000221gHgHvCC0022gHAgHAAvQCCHH0OOCAACDCvCv0gv2200 一一. . 薄壁孔口自由出流薄壁孔口自由出流H0 作用總水頭作用總水頭孔口流速系數(shù)孔口流速系數(shù)孔口流量系數(shù)孔口流量系數(shù) 由于邊壁的整流作用，它的存在會(huì)影響收縮系數(shù)，故有完全由于邊壁的整流作用，它的存在會(huì)影響收縮系數(shù)，故有完全收縮與非完全收縮之分，視

5、孔口邊緣與容器邊壁距離與孔口尺收縮與非完全收縮之分，視孔口邊緣與容器邊壁距離與孔口尺寸之比的大小而定，大于寸之比的大小而定，大于3則可認(rèn)為完全收縮。則可認(rèn)為完全收縮。 流量系數(shù)是流速系數(shù)與小流量系數(shù)是流速系數(shù)與小孔口斷面收縮系數(shù)的乘積孔口斷面收縮系數(shù)的乘積 bl32al311l2lab完全收縮完全收縮非非完完全全收收縮縮無收縮無收縮64.063.0AAAAc孔口面積斷面流束直徑為最小的收縮62.060.0淹沒出流流股一樣發(fā)生收縮，淹沒出流流股一樣發(fā)生收縮，經(jīng)過收縮斷面后流股會(huì)迅速經(jīng)過收縮斷面后流股會(huì)迅速擴(kuò)散；因此局部水頭損失分?jǐn)U散；因此局部水頭損失分成兩部分：流股收縮和流股成兩部分：流股收縮和

6、流股擴(kuò)散兩部分。擴(kuò)散兩部分。 二二. . 小孔口淹沒出流小孔口淹沒出流H0 作用總水頭作用總水頭孔口流速系數(shù)孔口流速系數(shù)孔口流量系數(shù)孔口流量系數(shù)000221gHgHvec0022gHAgHAvAQcc流經(jīng)孔口的局部阻力系數(shù)流經(jīng)孔口的局部阻力系數(shù)0收縮斷面突擴(kuò)的局部阻力系數(shù)收縮斷面突擴(kuò)的局部阻力系數(shù)e98.097.062.060.0 大孔口出流的流量公式形式不變，只是相應(yīng)的水頭應(yīng)近似取大孔口出流的流量公式形式不變，只是相應(yīng)的水頭應(yīng)近似取為孔口形心處的值，具體的流量系數(shù)也與小孔口出流不同。為孔口形心處的值，具體的流量系數(shù)也與小孔口出流不同。 由于孔口各點(diǎn)的作用水頭差由于孔口各點(diǎn)的作用水頭差異很大，

7、如果把這種孔口分異很大，如果把這種孔口分成若干個(gè)小孔口，對(duì)每個(gè)小成若干個(gè)小孔口，對(duì)每個(gè)小孔口出流可近似用小孔口出孔口出流可近似用小孔口出流公式，然后再把這些小孔流公式，然后再把這些小孔口的流量加起來作為大孔口口的流量加起來作為大孔口的出流流量的出流流量 三三. . 大孔口恒定出流大孔口恒定出流大孔口出流的流量系數(shù)，可查表大孔口出流的流量系數(shù)，可查表大孔口形心的水頭大孔口形心的水頭0HF四四. . 孔口非恒定出流孔口非恒定出流 孔口非恒定出流一般應(yīng)考慮液面高度對(duì)孔口出流速度的影響?？卓诜呛愣ǔ隽饕话銘?yīng)考慮液面高度對(duì)孔口出流速度的影響。然而當(dāng)孔口面積遠(yuǎn)小于容器面積時(shí)，液體在然而當(dāng)孔口面積遠(yuǎn)小于容器

8、面積時(shí)，液體在dtdt時(shí)段內(nèi)的升降或時(shí)段內(nèi)的升降或壓強(qiáng)的變化緩慢，慣性力可忽略不計(jì)，此時(shí)可把整個(gè)變速的流壓強(qiáng)的變化緩慢，慣性力可忽略不計(jì)，此時(shí)可把整個(gè)變速的流動(dòng)過程劃分為許多小區(qū)間，在每個(gè)小區(qū)間仍可按恒定流處理。動(dòng)過程劃分為許多小區(qū)間，在每個(gè)小區(qū)間仍可按恒定流處理。經(jīng)孔口流出的液體體積經(jīng)孔口流出的液體體積容器內(nèi)減少的液體體積容器內(nèi)減少的液體體積對(duì)上式積分對(duì)上式積分若若H H2 2=0,=0,QmaxQmax 開始出流的最大流量開始出流的最大流量變水頭出流的放空時(shí)間，等于在起始水頭作用變水頭出流的放空時(shí)間，等于在起始水頭作用下流出同體積的液體所需時(shí)間的兩倍。下流出同體積的液體所需時(shí)間的兩倍。 5

9、2 管嘴恒定出流 在容器孔口上連接在容器孔口上連接一段斷面與孔口形狀一段斷面與孔口形狀相似，長度為相似，長度為(3-4)d(3-4)d的短管，這樣的短管的短管，這樣的短管稱為管嘴，液流流經(jīng)稱為管嘴，液流流經(jīng)管嘴且在出口斷面滿管嘴且在出口斷面滿管流出的現(xiàn)象稱為管管流出的現(xiàn)象稱為管嘴出流。嘴出流。178P 一一. .圓柱形外伸管嘴出流圓柱形外伸管嘴出流 管嘴出流的局部損失由兩部分組成，即孔口的局部水頭損失管嘴出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，水頭損失大于孔口出流。及收縮斷面后擴(kuò)展產(chǎn)生的局部損失，水頭損失大于孔口出流。但管嘴出流為滿流，因此流量系數(shù)仍比孔

10、口大，其出流公式為但管嘴出流為滿流，因此流量系數(shù)仍比孔口大，其出流公式為nn圓柱形外管嘴的流量系數(shù)圓柱形外管嘴的流量系數(shù)圓柱形外管嘴的流速系數(shù)圓柱形外管嘴的流速系數(shù)圓柱形外管嘴的局部阻力系數(shù)圓柱形外管嘴的局部阻力系數(shù) 管嘴出流流量系數(shù)的加大也可以從管嘴收縮斷面處存在的真管嘴出流流量系數(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)要比孔口出流時(shí)的零空來解釋，由于收縮斷面在管嘴內(nèi)，壓強(qiáng)要比孔口出流時(shí)的零壓低，必然會(huì)提高吸出流量的能力。壓低，必然會(huì)提高吸出流量的能力。 D34DvCvcC 圓柱形外管嘴的真空度圓柱形外管嘴的真空度列列c-cc-c和和2-22-2斷面的能量方

11、程斷面的能量方程又2rch按突擴(kuò)計(jì)算按突擴(kuò)計(jì)算對(duì)圓柱形外管嘴：由實(shí)驗(yàn)得：對(duì)圓柱形外管嘴：由實(shí)驗(yàn)得：取取a=1.0, a=1.0, 則得：則得： 圓柱形外管嘴收縮斷面的真空度可達(dá)作用圓柱形外管嘴收縮斷面的真空度可達(dá)作用水頭的水頭的75%75%，管嘴的作用相當(dāng)于將孔口自由出流的作用，管嘴的作用相當(dāng)于將孔口自由出流的作用水頭增加了水頭增加了0.750.75倍，這樣就提高了管嘴的出流能力。倍，這樣就提高了管嘴的出流能力。管嘴長度為管嘴長度為(3-4)d(3-4)d 圓柱形外管嘴的正常工作條件圓柱形外管嘴的正常工作條件 有壓有壓管道恒定流動(dòng)管道恒定流動(dòng)水力計(jì)算主要解決以水力計(jì)算主要解決以下幾方面問題：下

12、幾方面問題：53 有壓管道恒定流動(dòng)的水力計(jì)算 計(jì)算管道輸水能力；計(jì)算管道輸水能力； 確定作用水頭；確定作用水頭； 計(jì)算沿程壓強(qiáng)分布。計(jì)算沿程壓強(qiáng)分布。21222222111122lhgvpzgvpz實(shí)際流體恒定總流能量方程沿程損失沿程損失局部損失局部損失 已能定量分析，原則上已能定量分析，原則上解決了恒定總流能量方程解決了恒定總流能量方程中的粘性損失項(xiàng)。中的粘性損失項(xiàng)。管道管道中的中的滿流滿流139P 有壓管道的進(jìn)口是淹沒的，出口分自由和淹沒兩種情況，它有壓管道的進(jìn)口是淹沒的，出口分自由和淹沒兩種情況，它們的作用水頭是不同的。們的作用水頭是不同的。 一一. .短管的水力計(jì)算短管的水力計(jì)算 自由

13、出流自由出流vOO1122H 上 游 總 水上 游 總 水頭和下游測(cè)管水頭之頭和下游測(cè)管水頭之差，用于支付出口速差，用于支付出口速度水頭和全部水頭損度水頭和全部水頭損失（包括沿程損失及失（包括沿程損失及所有局部損失）。所有局部損失）。 改寫改寫作用水頭作用水頭H H0 0rfhhgvpzgvpz2122222211112)()2(= H0=0 gvdl22gv22gv2)(2=vOO1122H管系管系流量流量系數(shù)系數(shù)作用作用水頭水頭 HvOO112233 淹沒出流淹沒出流Hhrfhhgvpzgvpz2122222211112)()2(= H+h0= gvdl22gv22gv2)(2=h作用作用

14、水頭水頭 HvOO112233Hh32212123333211112)()2(rrfhhhgvpzgvpz= H+h0= gvdl22gv2)(2=用用3-3斷面作斷面作下游斷面下游斷面0hgvgvv22)(2232=出口水頭損失出口水頭損失按突擴(kuò)計(jì)算按突擴(kuò)計(jì)算vOO112233Hh管系管系流量流量系數(shù)系數(shù) 淹 沒 與 自淹 沒 與 自由 出 流 相由 出 流 相比，作用水比，作用水頭不同，管頭不同，管系流量系數(shù)系流量系數(shù)相同，局部相同，局部損失中不包損失中不包含含2-2斷面斷面出出口損失?？趽p失。 計(jì)算實(shí)例計(jì)算實(shí)例1 1 離心泵管路系統(tǒng)的水力計(jì)算離心泵管路系統(tǒng)的水力計(jì)算zz241235112

15、233 水泵最大真水泵最大真空度不超過空度不超過6ml2l1水泵允許安裝高度水泵允許安裝高度 水泵揚(yáng)程水泵揚(yáng)程 流量流量Q，吸水管長吸水管長l1，壓水，壓水管長管長l2，管徑，管徑d，提水高度提水高度z ，各局部水頭損失系數(shù)，各局部水頭損失系數(shù)，沿程水頭損失系數(shù)沿程水頭損失系數(shù)要求要求確定確定計(jì)算計(jì)算已知已知zz241235112233l2l10 . 15Q，dv水泵允許安裝高度水泵允許安裝高度zz241235112233l2l10 . 15 水泵揚(yáng)程水泵揚(yáng)程 = 提水高度提水高度 + 全部水頭損失全部水頭損失l1132l22 2 有壓泄水道的水力計(jì)算有壓泄水道的水力計(jì)算 泄流量泄流量Q，畫，

16、畫出水頭線出水頭線 圓形隧洞圓形隧洞求求已知已知21l1132l2出口斷面由出口斷面由A縮小為縮小為A2出口流速出口流速管內(nèi)流速管內(nèi)流速新增出口局部損失新增出口局部損失321l1132l2出口斷面縮小出口斷面縮小出口流速稍有增大出口流速稍有增大 管中流速卻顯著減小管中流速卻顯著減小出流量減小出流量減小沿程壓強(qiáng)增高沿程壓強(qiáng)增高如果作用水頭的如果作用水頭的95%以上用于沿程以上用于沿程水頭損失，我們就水頭損失，我們就可以略去局部損失可以略去局部損失及出口速度水頭，及出口速度水頭，認(rèn)為全部作用水頭認(rèn)為全部作用水頭消耗在沿程，這樣消耗在沿程，這樣的管道流動(dòng)稱為水的管道流動(dòng)稱為水力長管。否則為水力長管。

17、否則為水力短管。力短管。二、水力長管二、水力長管 對(duì)水力長管，總水頭線就是測(cè)壓管水對(duì)水力長管，總水頭線就是測(cè)壓管水頭線頭線簡(jiǎn)單管路簡(jiǎn)單管路139P流量模數(shù)流量模數(shù)與流量具有相與流量具有相同的量綱同的量綱 對(duì)水力長管，根據(jù)連續(xù)方程和謝才公對(duì)水力長管，根據(jù)連續(xù)方程和謝才公式可知式可知RACK 長管長管: :作用水頭作用水頭全部全部用于支付沿程損失用于支付沿程損失例題例題P141P141 壓強(qiáng)的沿程分布?jí)簭?qiáng)的沿程分布入口斷面入口斷面 0-0，任意斷面，任意斷面 i-i 通過有壓管道定常流動(dòng)的水力計(jì)算，容易確定沿程壓強(qiáng)的通過有壓管道定常流動(dòng)的水力計(jì)算，容易確定沿程壓強(qiáng)的分布，分布，得到得到測(cè)測(cè)壓壓管水

18、頭線。管水頭線。測(cè)壓管水頭線低于管軸線，為負(fù)測(cè)壓管水頭線低于管軸線，為負(fù)壓。壓。工程中有時(shí)需要避免壓力的低值，為此找出管道中的壓工程中有時(shí)需要避免壓力的低值，為此找出管道中的壓力最低點(diǎn)，檢驗(yàn)其是否滿足要求。如壓力過低，可采取調(diào)整力最低點(diǎn)，檢驗(yàn)其是否滿足要求。如壓力過低，可采取調(diào)整管道位置高程、降低流速等措施解決。管道位置高程、降低流速等措施解決。等值長度等值長度 以沿程損失為主，必要時(shí)用等值長度計(jì)及局部損失。以沿程損失為主，必要時(shí)用等值長度計(jì)及局部損失。水頭線中不畫局部損失和速度水頭。水頭線中不畫局部損失和速度水頭。串聯(lián)管路串聯(lián)管路142P n 段串聯(lián)管道各段的流量、流速、管徑、長度可不同，各

19、段串聯(lián)管道各段的流量、流速、管徑、長度可不同，各段損失分別計(jì)算然后疊加，認(rèn)為作用水頭全部用于沿程損失，段損失分別計(jì)算然后疊加，認(rèn)為作用水頭全部用于沿程損失，可得一個(gè)方程可得一個(gè)方程 各段流量間各段流量間的關(guān)系由連的關(guān)系由連續(xù) 原 理 確續(xù) 原 理 確定，又可得定，又可得 n-1個(gè)方程個(gè)方程142P n段并聯(lián)管道的水頭損失是相同的，給出段并聯(lián)管道的水頭損失是相同的，給出n-1個(gè)方程個(gè)方程 流量之和為流量之和為總流量，又可總流量，又可得一個(gè)方程得一個(gè)方程 (i=1, n)Q3Q2Q1hf 1=hf 2 =hf 3hf ABhf CDHABCD并聯(lián)管路并聯(lián)管路q1143P沿程均勻泄流管路沿程均勻泄流管路 沿管長單位長度上泄出相等的流量沿管長單位長度上泄出相等的流量TQpQ通過流量通過流量總途泄流量總途泄流量145P)31()()(222102221022222ppTTppTMffppTMMfppTMQQQQKldxxlQQQKQdhhdxxlQQQKQdxKQdhxlQQQQ當(dāng)當(dāng)0TQ2231KlQhpf距開始泄流斷面距開始泄流斷面x處，取處，取長度長度dx的微小管段，認(rèn)為通的微小管段，認(rèn)為通過的流量過的流量QM不變不變 分枝狀管網(wǎng)應(yīng)按最不利點(diǎn)設(shè)計(jì)干管，在干管各段的流量分配分枝狀管網(wǎng)應(yīng)按最不利點(diǎn)設(shè)計(jì)干管，在干管各段的流量分配給定，管徑由經(jīng)濟(jì)流速確定的情況下，可以決定所需作用