壓力管路和孔口、管嘴水力計(jì)算

1、壓力管路和孔口、管嘴水力 計(jì)算 2 壓力管路和孔口、管嘴水力計(jì)算 本章將討論使用靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)、阻力 損失計(jì)算等知識，對實(shí)際工程管路進(jìn)行水力 計(jì)算，總結(jié)出實(shí)用的計(jì)算方法 3 壓力管路和孔口、管嘴水力計(jì)算 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 管道管路管線 在工程流體力學(xué)中可以 認(rèn)為是同義詞。 壓力管道：液流充滿整個(gè)有效截面，并在 一定壓差下流動(dòng)。 管內(nèi)壓力可以高于大氣壓，也可以低于大 氣壓（例如泵的吸入管道） 接下來先介紹幾個(gè)概念接下來先介紹幾個(gè)概念 4 壓力管路和孔口、管嘴水力計(jì)算 一、管路的規(guī)格一、管路的規(guī)格 主要參數(shù)是直徑。見表5-1 如果同一種外徑管路，有幾種不同的壁厚， 規(guī)格用外徑乘以壁厚來表示。

2、 5 壓力管路和孔口、管嘴水力計(jì)算 二、管路的分類二、管路的分類 長管和短管根據(jù)沿程阻力損失和局部阻 力損失在總水頭損失中所占份額來劃分. 長管：輸送距離較遠(yuǎn)，兩段壓差大，局部阻力 損失和速度頭之和，與沿程阻力損失比較而言 可以忽略。或按照沿程阻力損失的5%-10%來 折算。 短管：又稱水力短管。局部阻力損失和速度水 頭不可忽略。分支較多，壓差較小，并有大量 管道聯(lián)接部件的管路系統(tǒng)常屬于短管。 簡單管道和復(fù)雜管道：等徑無分支的管道 稱為簡單管道，除此之外都可以稱為復(fù)雜 管道。 6 壓力管路和孔口、管嘴水力計(jì)算 三、管路特性曲線三、管路特性曲線 管道中，在不同流量 情況下流速不同，水 頭損失也不

3、同。 繪制二維圖形Q-hL圖， 或Hm-hL圖，稱為管路 特性曲線。 2 2 52 2 2 2 2 8 2 16 2 Q Q D L g gD Q D L g v D L hL 隨 值變化而變化 Q L h Q m H 7 壓力管路和孔口、管嘴水力計(jì)算 第二節(jié)第二節(jié) 簡單長管的水力計(jì)算簡單長管的水力計(jì)算 簡單長管是工程中常見的一種管路。短途 無中繼泵站的輸油管線、長途兩泵站間管 路都屬于簡單長管。 11 2 2 測壓管水頭線 總水頭線 H 8 壓力管路和孔口、管嘴水力計(jì)算 簡單長管的能量方程簡單長管的能量方程 對1-1截面到2-2截面建立伯努利方程 21 2 22 2 2 11 1 22 L

4、h g v g p z g v g p z 對于長管，速度頭 和局部損失忽略 11 2 2 測壓管水頭線 總水頭線 H f h g p z g p z 2 2 1 1 簡單長管的能 量方程 9 壓力管路和孔口、管嘴水力計(jì)算 續(xù)前續(xù)前 設(shè)2-2截面與大氣相通，則p2=0 能量方程可以簡化為： 即長管中，提供的 能量主要用于克服 沿程阻力損失。 11 2 2 測壓管水頭線 總水頭線 H 21 f hH 10 壓力管路和孔口、管嘴水力計(jì)算 二、沿程水頭損失的基本計(jì)算公式二、沿程水頭損失的基本計(jì)算公式 將達(dá)西公式進(jìn)行整理： 將雷諾數(shù)計(jì)算公式也劃成 關(guān)于流量的函數(shù) 再根據(jù)不同區(qū)域 值不 同，使用經(jīng)驗(yàn)公式

5、。最終 推出： g v d L h f 2 2 2 5 2 52 0826. 0 8 Q d L Q d L g h f m mm f d LQ h 5 2 11 壓力管路和孔口、管嘴水力計(jì)算 達(dá)西綜合式： 水力坡度為： 流量表示為： m m m f m mm L Dh Q D Q i 2 5 5 2 流態(tài)m 層流4.151 紊流 水力光滑區(qū)0.02460.25 混合摩擦區(qū) 0.0802 0.123 水力粗糙管 0.0826 0 m mm f d LQ h 5 2 12 壓力管路和孔口、管嘴水力計(jì)算 三、簡單長管水力計(jì)算三、簡單長管水力計(jì)算 根據(jù)能量方程、達(dá)西公式綜合式和管路特 性曲線，可以解

6、決以下三方面的問題： 已知管徑、管長和縱斷面圖，已知流量，求管 道中的壓力降，或確定所需的供液水頭； 已知管徑、管長和縱斷面圖，已知壓力降，求 最大輸送能力； 已知管長、地形及輸送的流量，要求設(shè)計(jì)最經(jīng) 濟(jì)的管道直徑。（優(yōu)化算法） 13 壓力管路和孔口、管嘴水力計(jì)算 例例5-1 5-1 某長輸油管直徑為260mm，長度50km，起點(diǎn)高 度45m，終點(diǎn)高度84m，油的相對密度0.8，粘度 系數(shù)27.6*10-6m2/s，設(shè)計(jì)輸油量200t/h，管壁絕 對粗糙度 。 確定管路的壓降。 解題思路：根據(jù)雷諾數(shù)判斷流態(tài)。根據(jù)管壁粗糙度 決定的紊流劃分判據(jù)劃分區(qū)域，再根據(jù)達(dá)西公式 綜合式計(jì)算： 15. 0

7、7 8 1 7 .59 Re 4 Re D Q f m mm f hzz g pp d LQ h 12 21 5 2 14 壓力管路和孔口、管嘴水力計(jì)算 第五節(jié)第五節(jié) 短管的水力計(jì)算短管的水力計(jì)算 室內(nèi)管路、泵的吸入管路等，由于局部裝 置較多，均屬于短管 本節(jié)介紹使用簡化的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算短管系 統(tǒng)的流量、阻力損失等參數(shù)。 15 壓力管路和孔口、管嘴水力計(jì)算 短管的實(shí)用計(jì)算公式短管的實(shí)用計(jì)算公式 圖示管段，由兩種不同直徑的直管、各種 管件組成。 1-大閘門；2、3、6、7、8-彎頭；4-孔板流量計(jì)； 5、大小接頭；9-小閘門 16 壓力管路和孔口、管嘴水力計(jì)算 為便于計(jì)算，將各個(gè)截面處的速度，都整

8、合成出口處流速v2 將阻力損失進(jìn)行折算，簡化： jfL L hhh h g v H 2 2 2 0 c c cL gHAQ Q gA Q H g v h 1 1 2 2 1 2 0 2 2 2 0 2 17 壓力管路和孔口、管嘴水力計(jì)算 例例5-75-7 兩水箱用兩段直徑不同的水管連接，管道長度都是 10m。粗管直徑200mm，細(xì)管直徑100mm。求管路中 的流量。 H 5 . 0 1 6 . 0 2 1 . 0 3 12. 0 4 1 6 019. 0 1 018. 0 2 6 . 0 5 解題思路：將各段的沿程 阻力損失、局部阻力損失 的總和，折算為一個(gè)簡單 長管的阻力損失。這個(gè)阻 力損失

9、后與當(dāng)量速度水頭 成正比。 18 壓力管路和孔口、管嘴水力計(jì)算g v g v D L g v D L hhh c LLL 2 22 2 2 2 2 6543 2 2 2 2 1 21 1 1 1 21 H 5 . 0 1 6 . 0 2 1 . 0 3 12. 0 4 1 6 019. 0 1 018. 0 2 6 . 0 5 19 壓力管路和孔口、管嘴水力計(jì)算 第六節(jié)第六節(jié) 定水頭孔口和管嘴泄流定水頭孔口和管嘴泄流 本節(jié)主要研究液體自孔口和管嘴出流的問 題。 出流過程中，若作用水頭不隨時(shí)間變化， 稱為定水頭出流。如果變化，則稱為變水 頭出流。 若流入大氣，稱為自由出流。若流入充滿 液體的空間

10、，稱為淹沒出流。 不加外來能源，靠自然位差獲得能量輸送 或派出液體的管道，稱為自流管路。 20 壓力管路和孔口、管嘴水力計(jì)算 一、定水頭孔口泄流一、定水頭孔口泄流 小孔口和大孔口劃分依據(jù)： 薄壁孔口和厚壁孔口 薄壁孔口出流，不計(jì)算沿程損失。 只有局部能量損失。 斷面收縮系數(shù)： HD1 . 0 2 )( d d c 21 壓力管路和孔口、管嘴水力計(jì)算 取液面和截面c，列伯 努利方程，并化簡： 0 0 0 0 2 0 2 2 2 2 1 1 2 1 gHA gHAAvQ gH gHv g v H cc c c 孔 孔 注意：這幾個(gè)系數(shù)的注意：這幾個(gè)系數(shù)的 物理意義！物理意義！ 22 壓力管路和孔口

11、、管嘴水力計(jì)算 二、定水頭噴嘴出流二、定水頭噴嘴出流 長度L=（3-4）d，稱為標(biāo)準(zhǔn)圓柱管嘴。管嘴內(nèi) 先收縮，再擴(kuò)大充滿管道，均勻流出。 液流通過管嘴的阻力包括收縮阻力、擴(kuò)大阻力 和微小段沿程阻力。將其全部折算為總的阻力 系數(shù) 23 壓力管路和孔口、管嘴水力計(jì)算 32. 0 15. 0 64. 0 1 06. 0) 1 (06. 0)( )( 2 24 4 擴(kuò) 孔 擴(kuò)孔 c c c d d d L d d 81. 0 1 1 53. 006. 032. 015. 0 06. 0 c c d L 0 2 82. 0 gHAQ 24 壓力管路和孔口、管嘴水力計(jì)算 總結(jié)總結(jié) 管嘴出流的流量比孔口出流

12、的流量增大約 1/3。 淹沒出流的水力計(jì)算公式，與自由出流公 式類似。只不過出口處的相對壓力不再是0 淹沒出流的各個(gè)系數(shù)，與自由出流的相等 注意兩者間微小的區(qū)別 25 壓力管路和孔口、管嘴水力計(jì)算 其余形式的管嘴其余形式的管嘴 圓柱形管嘴 內(nèi)伸管嘴 收縮管嘴 擴(kuò)張管嘴 流線形管嘴 各種管嘴的出流系數(shù)，各種管嘴的出流系數(shù)， 見表見表5-45-4 26 壓力管路和孔口、管嘴水力計(jì)算 第八節(jié)第八節(jié) 壓力管路中的水擊壓力管路中的水擊 當(dāng)某些原因引起管路中流速突然變化時(shí)， 會引起管內(nèi)壓力突然變化，造成水擊。急 劇變化的壓力波波面通過管路時(shí)，會產(chǎn)生 一種聲音，猶如錘子敲擊管路。因此又稱 為水錘效應(yīng)。 27

13、 壓力管路和孔口、管嘴水力計(jì)算 一、水擊產(chǎn)生和水擊波的傳遞一、水擊產(chǎn)生和水擊波的傳遞 發(fā)生水擊現(xiàn)象的 物理原因，是由 于液體具有慣性 的壓縮性。 28 壓力管路和孔口、管嘴水力計(jì)算 二、水擊的分類二、水擊的分類 直接水擊與間接水擊 若閥門關(guān)閉時(shí)間 ，閥門處的水擊壓力 不會受降壓波的影響，可能產(chǎn)生的水擊壓力很大， 稱為直接水擊。否則為間接水擊 正水擊與負(fù)水擊 管路上的閥門突然關(guān)閉，或流速突然減小的情況， 稱為正水擊。閥門突然打開，或流速突然增大的 情況稱為負(fù)水擊。 C L TM 2 29 壓力管路和孔口、管嘴水力計(jì)算 三、水擊壓力的計(jì)算三、水擊壓力的計(jì)算 閥門附近一段液體， 直徑為D，密度已知，

14、 在無限小時(shí)間 內(nèi)， 靠近閥門處的液體流 速由v0變?yōu)?.根據(jù)動(dòng)量 方程，有： t pp 0 v0 p0 S 0 Cvp 30 壓力管路和孔口、管嘴水力計(jì)算 液體內(nèi)壓力波傳遞的速度 0 0 0 11 eE DE C eE DE E C M M T T Cvp C L TT 0 2 當(dāng) 31 壓力管路和孔口、管嘴水力計(jì)算 液壓沖擊及危害液壓沖擊及危害 在液壓系統(tǒng)中，發(fā)生的水擊現(xiàn)象，稱為液壓沖擊。 液壓沖擊的危害液壓沖擊的危害 沖擊壓力可高達(dá)正常工作壓力的34倍，使液壓 系統(tǒng)中的元件、管道、儀表等遭到破壞； 液壓沖擊使壓力繼電器誤發(fā)信號，干擾液壓系 統(tǒng)的正常工作，影響液壓系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和可 靠性

15、； 液壓沖擊引起震動(dòng)和噪聲、連接件松動(dòng)，造成 漏油、壓力閥調(diào)節(jié)壓力改變。 32 壓力管路和孔口、管嘴水力計(jì)算 防止水擊現(xiàn)象的一般方法防止水擊現(xiàn)象的一般方法 減慢換向閥的關(guān)閉速度，即延長換向時(shí) 間T。 增大管徑，減小流速 ，避免不必要的 彎曲；采用軟管也可獲得良好效果 在滑閥完全關(guān)閉前減緩液體的流速。 采用橡膠軟管吸收水流沖擊能量 。 在易產(chǎn)生水擊的管路上，設(shè)置蓄能器， 以吸收沖擊壓力 。 33 壓力管路和孔口、管嘴水力計(jì)算 液壓設(shè)備中，對運(yùn)動(dòng)部件液壓沖擊液壓設(shè)備中，對運(yùn)動(dòng)部件液壓沖擊 預(yù)防措施預(yù)防措施 在油缸的行程終點(diǎn)采用減速閥，油缸端部 設(shè)置緩沖裝置裝置（如單向節(jié)流閥）控制 油缸端部的排油速度，緩解了液壓沖擊； 在油缸回油控制油路中設(shè)置平衡閥和背壓 閥，以控制快速下降或水平運(yùn)動(dòng)的前沖沖 擊，并適當(dāng)調(diào)高背壓壓力； 重新選配活塞或更換活塞密封圈，并適當(dāng) 降低工作壓力，可減輕或消除液壓沖擊現(xiàn) 象 34 壓力管路和孔口、管嘴水力計(jì)算 例例5-85-8 用 的鋼管輸水，水擊壓力傳播速度將 為多