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1、Engineering Fluid Mechanics,工程流體力學,,第1章 流體及其主要物理性質,第2章 流體靜力學,第3章 流體動力學基礎,第4章 流動阻力和水頭損失,第5章 孔口、管嘴出流及有壓管流,第6章 明渠均勻流,第7章 明渠水流的兩種流態(tài)及其轉換,目錄,第五章 孔口、管嘴出流 及有壓管流,第一節(jié) 孔口出流,第二節(jié) 管嘴恒定出流,第三節(jié) 短管的水力計算,第四節(jié) 長管的水力計算,第五節(jié) 離心式水泵裝置及其 水力計算,教學內(nèi)容、重點及難點,基本內(nèi)容 本章在定量分析沿程水頭損失和局部水頭損失的基礎上，對工程實際中最常見的有壓管道恒定流動和孔口、管嘴出流進行水力計
2、算。,重、難點 水頭損失的分析和確認,第一節(jié) 孔口出流,液體從孔口以射流狀態(tài)流出，流線不能在孔口處急劇改變方向，而會在流出孔口后在孔口附近形成收縮斷面，此斷面可視為處在漸變流段中，其上壓強均勻。,c-c為收縮斷面，收縮系數(shù)：, 收縮斷面面積, 孔口斷面面積,完全收縮,非 完 全 收 縮,無收縮,,,,邊壁的整流作用會影響收縮系數(shù)，故有完全收縮與非完全收縮之分，收縮系數(shù)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則可認為完全收縮。,孔口出流的分類,恒定出流、非恒定出流；,淹沒出流、自由出流；,薄壁出流、厚壁出流。, 小孔口, 大孔口,對薄壁小孔口：= 0.630.64,對0-0，c
3、-c 列能量方程,其中,設,則,流速系數(shù),流量系數(shù),其中,1.薄壁小孔口自由出流,其中,則,流經(jīng)孔口的局部阻力系數(shù),收縮斷面突擴的局部阻力系數(shù),2.薄壁小孔口淹沒出流,對1-1，2-2 列能量方程,大孔口出流的流量系數(shù)，可查表,大孔口形心的水頭,3.大孔口恒定出流,大孔口出流的流量公式形式不變，只是相應的水頭應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。,由于孔口各點的作用水頭差異很大，如果把這種孔口分成若干個小孔口，對每個小孔口出流可近似用小孔口出流公式，然后再把這些小孔口的流量加起來作為大孔口的出流流量。,在 dt 時段內(nèi),則液面從 H1 降至 H2 所需時間,容器放空（即H
4、20）時間,4. 孔口非恒定出流,第二節(jié) 管嘴恒定出流,一. 管嘴出流的水力現(xiàn)象,(a),外管嘴,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,內(nèi)管嘴,(b),(c),(d),(e),外管嘴,(a)直角型外管嘴,(b)收縮型外管嘴,(c)擴散型外管嘴,(d)流線型外管嘴,二、管嘴恒定出流,對1-1，2-2 列能量方程,忽略管嘴沿程損失，且令,則管嘴出口速度,其中為管嘴的局部阻力系數(shù)，取0.5；則,流量系數(shù),流速系數(shù),說明管嘴過流能力更強,？,管嘴出流流量系數(shù)的加大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)，壓強要比孔口出流時的零壓低，必然會提高吸出流量的能力。,對 B-B
5、，c-c 列能量方程,取真空壓強和真空高度值，得,由,而hw 按突擴計算，得,說明管嘴真空度可達作用水頭的75,以 代入,則,得,所以,得,又,三、管嘴真空度,形成真空時作用水頭不可能無窮大，因為當真空度達到一定時，其壓強小于汽化壓強，出現(xiàn)汽蝕破壞，而且會將空氣從管嘴處吸入，破壞真空，而成為孔口出流。,實驗測得，當液流為水流，管嘴長度 l =(34)d 時，管嘴正常工作的最大真空度為7.0m，則作用水頭,說明圓柱形外管嘴正常工作條件是：,l = (3 4) d,H09m,實際流體恒定總流能量方程,沿程損失,局部損失,,,,第三節(jié) 有壓管路水力計算,已能定量分析，原則上解決了
6、恒定總流能量方程中的粘性損失項。,短管：,長管：,hf 與 hj 均較大，不能忽略不計（hj5hf）,hf 很大，不能忽略，而hj可忽略不計（ hj 5hf）,,=,,H,0,=,0,,=,=,,管系流量系數(shù),作用水頭 H,一、短管的水力計算,自由出流,,v,,O,O,1,1,2,2,,3,3,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,H,h,,=,,H+h,0,=,,=,=,h,作用水頭 H,淹沒出流,,,=,,H+h,0,=,,=,=,用3-3斷面作下游斷面,0,h,=,出口水頭損失按突擴計算,管系流量系數(shù),淹沒出流與自由出流相比，作用水頭不同，管系流量系數(shù)相同，局部損
7、失中不包含2-2斷面出口損失。,z,z2,,,,1,1,2,2,3,3,l2,l1,要求,確定,計算,已知,【例】 1 離心泵管路系統(tǒng)的水力計算,流量Q，吸水管長L1，壓水管長L2， 管徑d，提水高度z ，各局部水頭 損失系數(shù)，沿程水頭損失系數(shù),水泵最大真空度不超過6m,水泵允許安裝高度,水泵揚程,,z,z2,,,,1,1,2,2,3,3,l2,l1,,【解】,水泵允許安裝高度,,z,z2,,,,1,1,2,2,3,3,l2,l1,,水泵揚程 = 提水高度 + 全部水頭損失,,2 有壓泄水道的水力計算,泄流量Q，畫出水頭線,圓形隧洞,求,已知,,出口斷面由A縮小為A2,出口流速,管內(nèi)流
8、速,新增出口局部損失,,出口斷面縮小,出口流速稍有增大,管中流速卻顯著減小,出流量減小,沿程壓強增高,入口斷面 0-0，任意斷面 i-i,通過有壓管道定常流動的水力計算，容易確定沿程壓強的分布，得到測壓管水頭線。測壓管水頭線低于管軸線，為負壓。工程中有時需要避免壓力的低值，為此找出管道中的壓力最低點，檢驗其是否滿足要求。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。,壓強沿程變化和水頭線的繪制,,,,,,,,v12,,2g,,v22,,2g,,,,管道突然縮小,,,總水頭線,測壓管水頭線,,,,,,,v12,,2g,,v22,,2g,,,,管道突然放大,,,,,總水頭線,測壓管水頭線
9、,作用水頭全部用于支付沿程損失,則,二、長管的水力計算,一、簡單管路,比阻單位流量通過單位長度管段產(chǎn)生的水頭損失,,比阻S,由謝才公式和曼寧公式,對鋼管和鑄鐵管,對塑料管材,阻力平方區(qū),過渡粗糙區(qū),【例】已知簡單管路的l =2500m，H =30m，Q =250l/s， n =0.011。求管徑d。,【解】,由,得,由謝才及曼寧公式，得,代入數(shù)據(jù)得,d 388mm,介于標準管徑350mm400mm之間,串聯(lián)管路,并聯(lián)管路,二、復雜管路,【例】已知簡單管路的l =2500m，H =30m，Q =250l/s，n =0.011。求管徑d。,【解】,由謝才及曼寧公式，得,其中取 d1=400mm，d
10、2=350mm，得,采用串聯(lián)管路，則,沿程均勻泄流管路,管路中任一點處流量,則,取比阻S為常量，上式積分得,水處理構筑物的多孔配水管，冷卻塔的布水管，以及城市自來水管道的沿途泄流，隧道工程中長距離通風管道的漏風等水力計算。,若無轉輸流量Qz=0，則,管網(wǎng),管線短，管徑相對大，投資小，但可靠性差,管線長，管徑相對小，投資大，但可靠性好,分叉管路,各支管按串聯(lián)算，支管之間按并聯(lián)算。,第四節(jié) 水泵水力計算,裝置原理,自灌式：水泵泵軸低于吸水池水面 吸入式：水泵泵軸高于吸水池水面,性能參數(shù),Ht 揚程,Q 流量,N 軸功率,N有效功率, 效率,n 轉速,hv 允許吸水真空度,【例】水泵功率N=25kW
11、,流量Q =60L/s,效率p=75%,吸水管l1=8m, d1=250mm,壓水管l2=50m,d2=200mm,=0.025,底閥fv=4.4,彎頭b=0.2,閥門v=0.5,逆止閥sv=5.5,水泵允許真空度hv =6m。求水泵安裝高度zs,水泵提水高度Hg。,【解】,對1，2列伯努利方程,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Hs,zs,d1,d2,l1,l2,水泵,閥門,逆止閥,底閥,,,,對1，3列伯努利方程,水擊：在有壓管路中流動的液體，由于某種外界原因（如閥門突然關閉、水泵或水輪機組突然停車等），使得液體流速發(fā)生突然變化，并由于液體的慣性作用，引起壓強急劇升高和降低的
12、交替變化，這種現(xiàn)象稱為水擊。升壓和降壓交替進行時，對于管壁和閥門的作用如同錘擊一樣，因此水擊也稱為水錘。,水擊現(xiàn)象是一種典型的有壓管道非恒定流問題，在水擊現(xiàn)象中，由于壓強變化急劇，必須考慮流體的壓縮性及管道的彈性。,第五節(jié) 水擊現(xiàn)象及其預防,水擊的危害：輕微時引起噪聲和管路振動；嚴重時則造成閥門損壞，管路接頭斷開，甚至引起管路的爆裂。 水擊引起的壓強降低，使管內(nèi)形成真空，有可能使管路扁縮而損壞。,,有壓管道流動的流量突變,流速突變,由于流動的慣性，造成壓強大幅波動,水擊現(xiàn)象的大致描述：,流體的壓縮性和管道的彈性使波動在管道中以有限的速度傳播,以閥門突然關閉為例，將有一個增壓、增密度、增管道斷面
13、積、減流速的過程從閥門向上游傳播，壓強、流速、密度、管道斷面積的間斷面在管道中運動，這就是水擊波。,水擊危害的預防,（1）延長閥門關閉時間； （2）縮短管路長度； （3）在管路系統(tǒng)的適當位置裝設蓄能器（空氣罐或安全閥）； （4）在管路上裝設調(diào)壓塔。,,,,,水擊的利用 例如，水擊泵便是利用水擊原理設計的一種無動力揚水 設備，這種設備對于無動力和電源的地方是很方便的。,本章作業(yè),習題 5.2， 習題 5.4， 習題 5.10， 習題 5.16,第五章習題解答,5.2 薄壁孔口出流，直徑d=2cm，水箱水位恒定H=2m。求 1、孔口流量Q；2、此孔口外接圓柱形管嘴的流量Qn; 3、管嘴收縮
14、斷面的真空。,解：,2、,3、,1、,,,,,解：,5.4 如圖所示水箱用隔板分為左右兩個水箱，隔板上開一直徑d1=40mm的薄壁小孔口，水箱底接一直徑d 2=30mm的外管嘴，管嘴長l=0.1m,H1=3m。試求在恒定出流時的水深H2和水箱出流流量Q1，Q2。,,解：,5.10 如圖所示虹吸管，上下游水池的水位差H=2.5m，管長LAC=15m,LCB=25m，管徑d=200mm,沿程阻力系數(shù)=0.025，入口局部阻力系數(shù)c=1.0，各彎頭局部阻力系數(shù)0.2，管頂允許真空度7m，求通過流量及最大允許超高hs。,最大允許超高：,,,,5.16 如圖已知水泵的功率N=25kW，流量Q=60L/s，水泵的效率p=75%,L1=8m,L2=50m,d1=250mm,d2=200mm, =0.025,底閥=4.4，一個彎頭=0.2，閥門=0.5，逆止閥=5.5，水泵的允許真空度hv=6m,求： 1、水泵的安裝高度zs; 2、水泵的提水高度Hg.,解：,,,以水池水面為基準面00，先對00與水泵進口前11列能量方程：,仍以水池水面為基準面00，對00與水塔水面22列能量方程：,,,,
工程流體力學課件5孔口、管嘴出流及有壓管流.ppt
