有壓管道的恒定流

1、第五章 有壓管道的恒定流液體運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律: 連續(xù)方程、能量方程、動(dòng)量方程、水頭損失的規(guī)律。應(yīng)用這些基本方程可解決常見的水力學(xué)問題。有壓管道中的恒定流；明渠恒定流；水工建筑物水力計(jì)算。本章重點(diǎn)介紹：有壓管道中恒定流水力計(jì)算（能量方程在管道中的應(yīng)用）工程中，為輸送液體，常用各種有壓管道，如水電站壓力引水鋼管；水庫有壓泄洪隧洞或泄水管；供給的水泵裝置系統(tǒng)及管網(wǎng)；輸送石油的管道。這類管道被水充滿，管道周界各點(diǎn)受到液體壓強(qiáng)作用，稱有壓管道。其斷面各點(diǎn)壓強(qiáng)，一般不等于大氣壓強(qiáng)。 有壓管中液體運(yùn)動(dòng)要素時(shí)均值不隨時(shí)間改變，則為恒定流；若運(yùn)動(dòng)要素時(shí)均值隨時(shí)間改變，則稱為有壓管中的非恒定流。有壓管道水力計(jì)算的主

2、要內(nèi)容就是確定水頭損失，包括沿程水頭損失和局部水頭損失。根據(jù)這兩種水頭損失大小比重，將管道分為： 長管和短管。 長管： 沿程水頭損失水頭為主，局部損失和流速水頭在總水頭損失中所占比重很小，計(jì)算時(shí)可忽略。短管： 局部水頭損失及流速水頭在總水頭損失中占相當(dāng)比例（一般大于5%），計(jì)算時(shí)均不能忽略，例如：水泵吸水管、虹吸管、混凝土壩內(nèi)的壓力泄水管等。注意： 長管和短管不按管道絕對(duì)長度決定。當(dāng)管道存在較大局部損失管件，例如局部開啟閘門、噴嘴、底閥等。既是管道很長，局部損失也不能略去，必須按短管計(jì)算。 長管忽略局部水頭損失和流速水頭（沿程損失不能略去），計(jì)算工作大大簡化，其對(duì)結(jié)果又沒有多大影響。第一節(jié) 簡

3、單管道的水力計(jì)算的基本公式 簡單管道: 管徑沿程不變、且無分支的管道水力計(jì)算。自由出流和淹沒出流一、簡單管道自由出流 自由出流: 管道出口流入大氣中，水股四周受大氣作用。 考慮1-1斷面和出口2-2斷面的能量方程，則 管道自由出流流量系數(shù)二、簡單管道淹沒出流 淹沒出流：管道出口淹沒在水下考慮1-1過水?dāng)嗝婧?-2過水?dāng)嗝娴哪芰糠匠蹋瑒t比較自由出流的流量系數(shù)和淹沒出流的流量系數(shù)，兩者表達(dá)式不同，但數(shù)值相等。 淹沒出流自由出流淹沒出流：三、測壓管水頭線的繪制用以下例子說明總水頭線和測壓管水頭線的繪制。 管道測壓管水頭線和總水頭線步驟1：先定出不計(jì)能量損失的總水頭步驟2：定出管道末端的總水頭步驟3：

4、尋求最后一個(gè)局部損失處（4）下游步驟4：計(jì)算45段的能量損失hf 45步驟5：以管道末端總水頭線為基礎(chǔ)，在4處向上量取hf 45，得4-4斷面右側(cè)總水點(diǎn)步驟6：以右側(cè)總水點(diǎn)起，再量取一個(gè)4處的局部水頭損失，得到4-4斷面左側(cè)的總水頭點(diǎn) 步驟7：逐次向上游推進(jìn)，便可得到總水頭線步驟8：從總水頭線向下扣除一個(gè)相應(yīng)管道的流速水頭，便可得到測壓管水頭線注意：起：水面 或 總水頭線 注意：局部水頭損失處：水頭線發(fā)生突變注意：測壓管水頭線和總水頭線相差一個(gè)流速水頭當(dāng)測壓管水頭線低于管道軸線時(shí)，管道存在負(fù)壓（真空）第二節(jié) 簡單管道、短管水力計(jì)算的類型及實(shí)例一、水力計(jì)算的任務(wù)水力計(jì)算的主要任務(wù)是：（1） 根據(jù)

5、一定的管道布置、管道材料、管道直徑和作用水頭，計(jì)算管道的過水能力，即計(jì)算管道在一定條件下的出流量。（2） 根據(jù)一定的管道布置、管道材料、作用水頭和管道需要通過的設(shè)計(jì)流量，計(jì)算管道內(nèi)徑尺寸。（3） 根據(jù)一定的管道布置、管道材料、管道直徑、作用水頭和管道的設(shè)計(jì)流量，計(jì)算管道的水頭損失，包括沿程水頭損失和局部水頭損失。（4） 根據(jù)一定的管道布置、管道材料、管道直徑和管道設(shè)計(jì)流量，計(jì)算并繪制管道的測壓管水頭線和總水頭線。（5） 根據(jù)一定的管道布置、管道材料、管道直徑、管道要求的出流量和管道出口要求的工作水頭，計(jì)算管道進(jìn)口處的作用水頭、水塔高度或水泵揚(yáng)程。（6） 根據(jù)一定的管道布置、管道材料及管道的設(shè)計(jì)

6、流量，確定管徑和作用水頭。 二、水力計(jì)算實(shí)例2.1虹吸管的水力計(jì)算虹吸管是一種壓力輸水管道，頂部彎曲且其高程高于上游供水水面。在虹吸管內(nèi)造成真空，使作用虹吸管內(nèi)產(chǎn)生真空，水流則能通過虹吸管最高處引向其他處。虹吸管的優(yōu)點(diǎn)在于能跨越高地，減少挖方。 虹吸管長度一般不長，故按照短管計(jì)算。虹吸管頂部的真空壓強(qiáng)理論值不能大于最大真空值（10mh2o）。當(dāng)虹吸管內(nèi)壓強(qiáng)接近該溫度下的汽化壓強(qiáng)時(shí)，液體將產(chǎn)生汽化，破壞水流連續(xù)性，可能產(chǎn)生空蝕破壞，故一般虹吸管中的真空值78mh2o。 例 有一渠道用兩根直徑為1.0m的混凝土虹吸管來跨越山丘， 渠道上游水位為1100.0m，下游水位為299.0m，虹吸管長度l1

7、 = 8m l2= 15m；l3 = 15m，中間有60°的折彎兩個(gè)，每個(gè)彎頭的局部水頭損失系數(shù)為0.365，若進(jìn)口局部水頭損失系數(shù)為0.5；出口局部水頭損失系數(shù)為1.0。試確定： 當(dāng)虹吸管中的最大允許真空度為 7mh2o時(shí)，虹吸管最高安裝高程 zs為多少？ 虹吸管為淹沒出流求流量虹吸管中最大真空一般發(fā)生在管道最高位置。本題最大真空發(fā)生在第二個(gè)彎頭前的b-b 斷面。考慮0-0斷面和b-b 斷面的能量方程，則 2.2 水泵的水力計(jì)算一個(gè)抽水系統(tǒng)通過水泵轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)輪的作用，在水泵進(jìn)水口形成真空，使水流在池面大氣壓強(qiáng)的作用下沿吸水管上升，流經(jīng)水泵時(shí)從水泵獲得新的能量，進(jìn)入壓力管，再流入水塔。

8、水泵的水力計(jì)算 吸水管和壓力水管 吸水管: 短管 壓力水管:長管 吸水管的水力計(jì)算：確定管徑和水泵最大允許安裝高程吸水管的管徑一般是根據(jù)允許流速計(jì)算，通常吸水管的允許流速約為0.81.25 m/s，或根據(jù)有關(guān)規(guī)范確定。流速確定后，管徑可按下式計(jì)算水泵的最大允許安裝高程，取決于水泵的最大允許真空度hv 以及吸水管水頭損失hw 。計(jì)算方法和虹吸管允許安裝高程的計(jì)算方法相同?？紤]斷面1-1和水泵進(jìn)口斷面2-2的能量方程，則 壓力管的水力計(jì)算： 確定管徑和水泵裝機(jī)容量壓力管管徑一般是根據(jù)經(jīng)濟(jì)流速確定，重要工程應(yīng)選擇幾個(gè)方案，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。 對(duì)于給排水管道可按公式確定 式中，x 為系數(shù)，一般取x 0

9、.81.2； d 為管徑（m）； q 為流量(m3/s)。水泵的裝機(jī)容量 考慮1-1斷面和4-4斷面的能量方程，注意兩者之間存在水泵?？紤]兩個(gè)斷面之間的能量方程時(shí)，應(yīng)考慮有水力機(jī)械對(duì)水流所作功。水泵的裝機(jī)容量 考慮1-1斷面和4-4斷面的能量方程，注意兩者之間存在水泵?？紤]兩個(gè)斷面之間的能量方程時(shí)，應(yīng)考慮有水力機(jī)械對(duì)水流所作功。式中，ht 為水泵向單位液體所提供的機(jī)械能，稱為水泵的水頭或者揚(yáng)程（m）； p 為水泵和動(dòng)力機(jī)械的總效率。 上式表明： 水泵向單位重量液體所提供的機(jī)械能l 將水流提高一個(gè)幾何高度l 克服全部水頭損失 例題： 4-5 用離心泵將湖水抽到水池中去，流量為0.2（m3/s），

10、湖面高程為85.0m，水池水面高程為105.0m，吸水管長度為10.0m，水泵的允許真空 hv= 4.5m，吸水管底閥的局部水頭損失系數(shù)為2.5；彎管的局部水頭損失系數(shù)0.3，水泵入口前的漸變收縮段局部水頭損失系數(shù)為0.1；吸水管沿程水頭損失系數(shù)為0.022，壓力管道采用鑄鐵管，其直徑為500mm，長度為1000m，n = 0.013。 試確定：（1）吸水管直徑（2）水泵安裝高度（3）水泵功率第三節(jié) 長管水力計(jì)算 當(dāng)管道很長，局部水頭損失和流速水頭可忽略，管道可為長管，水力計(jì)算大大簡化。根據(jù)上述公式工程中有壓管道一般屬紊流粗糙區(qū)，水頭損失可按謝才公式計(jì)算，則 式中，k 為流量模數(shù)或者特性流量水

11、力坡度j =1時(shí)，q = k，故k 的量綱和流量相同。流量模數(shù)k 綜合地反映管道斷面形狀、尺寸及邊壁粗糙對(duì)輸水能力的影響（三個(gè)方面）。 不同管徑及粗糙系數(shù)的圓管，當(dāng)謝才系數(shù)用滿寧公式計(jì)算時(shí)，其流量模數(shù)k 詳見管道的流量模數(shù)，也可直接計(jì)算。 給水管道中流速，一般不太大，可能屬于紊流粗糙區(qū)或過渡粗糙區(qū)?？山普J(rèn)為：當(dāng)管道中流速 < 1.2 m/s時(shí)，管道中的液流屬過渡粗糙區(qū)，水頭損失約與流速的1. 8 次方成正比。故當(dāng)按照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算謝才系數(shù)，按上式直接求水頭損失hf 時(shí)， 應(yīng)進(jìn)行修正，修正公式為：式中，k 值為修正系數(shù)，可查表6-4進(jìn)行修正第四節(jié)串聯(lián)、分叉和并聯(lián)管道水力計(jì)算一、串聯(lián)管道串聯(lián)

12、管道:由直徑不同的幾段管道依次連接而成的管道。特點(diǎn)：管道內(nèi)流量可沿程不變或各段流量不同（沿管道節(jié)點(diǎn)有流量分出）1.1按長管計(jì)算給水管道中的串聯(lián)管道一般按長管計(jì)算，則 上式是串聯(lián)管道的基本公式，聯(lián)立以上三式，可解算q、d、h 等問題。 在長管的條件下，各段的測壓管水頭線與總水頭線重合，管道水頭線呈折線，因?yàn)楦鞴芏瘟魉俨煌^線坡度也各不相同。1.2 按短管計(jì)算 對(duì)上游斷面和出口斷面列能量方程，則 運(yùn)用連續(xù)方程，將第i 段斷面的平均流速vi 換成出口斷面平均流速v ，并取動(dòng)能修正系數(shù)為1，則 式中，下標(biāo)i 為第i 段的管段，其他符號(hào)同前。 在短管的情況下，測壓管水頭線和總水頭線不重合，它們是相互

13、平行的折線。 二、分叉管道的水力計(jì)算 在水電站的引水系統(tǒng)中，經(jīng)常碰到由一根總管從壓力前池引水，然后，按照水輪機(jī)的臺(tái)數(shù)，分成數(shù)支支管，每根支管供水給一臺(tái)水輪機(jī)，這種管道稱作分叉管道。 分叉管道流動(dòng)示意從圖可見，每一支管道可看成是串聯(lián)管道 對(duì)于abc支 和abd支應(yīng)用能量方程，則 從上式中導(dǎo)出流量q1、q2 ，并代入連續(xù)方程，則注意：三個(gè)方程，只能求解三個(gè)未知數(shù)。 三、 并聯(lián)管道的水力計(jì)算并聯(lián)管道：凡兩條或以上的管道從同一點(diǎn)分叉，而在另一點(diǎn)匯合的管道特點(diǎn)：一般按長管進(jìn)行水力計(jì)算設(shè)各管徑、流量為di、qi ，i =1，3 ，考慮能量方程，則 各支水頭損失，可按照長管計(jì)算，則 各支的流量與總流流量之間

14、應(yīng)滿足連續(xù)方程，即 若總流的流量及各并聯(lián)支管的直徑、長度、和糙率已知時(shí)，可求出總流量、支流量以及水頭損失，則hf 求出后，再求出各支管的流量 第五節(jié) 沿程均勻泄流管道的水力計(jì)算 前面討論的管道，其流量在每一段范圍內(nèi)沿程不變，流量集中在管道末端泄出。在實(shí)際工程中，可能遇到從側(cè)面不斷連續(xù)泄流的管道。例如，用于人工降雨的管道， 給水工程中的配水管等。一般說，沿程泄出的流量是不均勻的，即，流量沿程變化，是一個(gè)以距離為變數(shù)的復(fù)雜函數(shù)。本節(jié)研究一種最簡單的情況： 沿程均勻泄流情況考慮距起點(diǎn)a為x處的流量為 流量沿管道不斷變化，水流是變流量且非均勻。但在微小流段內(nèi)dx ，可認(rèn)為流量不變，并當(dāng)作均勻流考慮。

15、在dx管段內(nèi)的沿程水頭損失為 上式可近似寫成 式中，qr 稱為折算流量。 從上式可見，引入折算流量，便可把沿程均勻泄流的管道按照只有一種流量通過的管道進(jìn)行計(jì)算。 當(dāng)通過流量 q0 時(shí)， 沿程均勻泄流的水頭損失為 上式表明，當(dāng)流量全部沿程均勻泄出時(shí)，其水頭損失只等于全部流量集中在末端泄出時(shí)的水頭損失的三分之一。 在沿程均勻泄流的情況下，因流速沿程變化，水力坡度也變化。不計(jì)水頭損失，其測壓管水頭線和總水頭不重合。 例 有一由水塔供水的輸水管道，全管道包括三段，ab、bc、cd為沿程均勻泄流管道，每米長連續(xù)分泄的流量q = 1000cm3/s；在管道接頭b點(diǎn)要求分泄流量q1 = 15000cm3/s

16、；cd段末端的流量 q3 = 10000 cm3/s；各管段為鑄鐵管，n0.0125，各段管徑分別為： i 1 2 3 li (m) 300 200 100di (mm) 200 150 100試求需要的水頭h ？ 解：本題中三段管道為串聯(lián)管道，管道水頭損失為：由n = 0.0125，及各段管徑di 計(jì)算ki 為 as of microsoft® internet explorer 4.0, you can applmultimedia-style effects to your web pages using visual filters and transitions. you

17、can apply visual filters and transitions to standard html controls, such as text containers, images, and other windowless objects. transitions are time-varying filters that create a transition from one visual state to another. by combining filters and transitions with basic scripting, you can create

18、 visually engaging and interactive documents.internet explorer 5.5 and later supports a rich variety of optimized filters. click the following button to see a demonstration of many of these filters and how to usetheprocedural surfaces are colored surfaces that display between the content of an object and the object's background. procedural surfaces define each pixel's rgb color and alpha values dynamically. only the procedure used to compute the surface is stored in