有壓管道恒定流

1、d3第四章有壓管道恒定流第一節(jié) 概述前面我們討論了水流運動的基本原理，介紹了水流運動的三大方程，水流形態(tài)和水頭損失 從第五章開始，我們進(jìn)入實用水利學(xué)的學(xué)習(xí)，本章研究有壓管道的恒定流 .一.管流的概念1管流是指液體質(zhì)點完全充滿輸水管道橫斷面的流動，沒有自由水面存在。2 .管流的特點.斷面周界就是濕周，過水?dāng)嗝婷娣e等于橫斷面面積；斷面上各點的壓強一般不等于大氣壓強，因此，常稱為有壓管道。一般在壓力作用而流動1根據(jù)出流情況分自由出流和淹沒出流管道出口水流流入大氣，水股四周都受大氣壓強作用，稱為自由出流管道。管道出口淹沒在水面以下，則稱為淹沒出流。2根據(jù)局部水頭損失占沿程水頭損失比重的大小，可將管道分

2、為長管和短管。在管道系統(tǒng)中，如果管道的水頭損失以沿程水頭損失為主，局部水頭損失和流速水頭所占比重很?。ㄕ佳爻趟^損失的 5%10%以下），在計算中可以忽略，這樣的管道稱為長管。 否則，稱為短管。必須注意，長管和短管不是簡單地從管道長度來區(qū)分的，而是按局部水頭損失和流速水頭所占比重大小來劃分的。實際計算中，水泵裝置、水輪機裝置、虹吸管、倒 虹吸管、壩內(nèi)泄水管等均應(yīng)按短管計算；一般的復(fù)雜管道可以按長管計算。3 .根據(jù)管道的平面布置情況，可將管道系統(tǒng)分為簡單管道和復(fù)雜管道兩大類。簡單管道是指管徑不變且無分支的管道。水泵的吸水管、虹吸管等都是簡單管道的例子。由兩根以上管道組成的管道系統(tǒng)稱為復(fù)雜管道。各

3、種不同直徑管道組成的串聯(lián)管道、并聯(lián)管道、枝狀和環(huán)狀管網(wǎng)等都是復(fù)雜管道的例子。工程實踐中為了輸送流體， 常常要設(shè)置各種有壓管道。例如，水電站的壓力引水隧洞和壓力鋼管，水庫的有壓泄洪洞和泄洪管，供給城鎮(zhèn)工業(yè)和居民生活用水的各種輸水管網(wǎng)系統(tǒng)， 灌溉工程中的噴灌、 滴灌管道系統(tǒng)，供熱、供氣及通風(fēng)工程中輸送流體的管道等都是有壓管 道。研究有壓管道的問題具有重要的工程實際意義。有壓管道水力計算的主要內(nèi)容包括：確定管道的輸水能力；確定管道直徑；確定管道系統(tǒng)所需的總水頭；計算沿管線各斷面的壓強。第二節(jié)簡單管路的水力計算以通過出口斷面中心線的水平面為基準(zhǔn)面， 在離開管道進(jìn)口一定距離處選定 1 1過水 斷面（該斷

4、面符合漸變流條件），管道出口斷面為22過水?dāng)嗝妫? 1與22過水?dāng)嗝鎸?準(zhǔn)面建立能量方程，即可解決簡單管道的水力計算問題，并可建立一般計算公式。簡單管道自由出流水力計算公式QcA.2gHo式中，c稱為管道系統(tǒng)的流量系數(shù)，它反映了沿程水頭損失和局部水頭損失對過流能 力的影響。計算公式為當(dāng)行近流速水頭很小時，可以忽略不計,上述流量公式將簡化為cA. 2gH四.淹沒出流水力計算公式cA . 2gz式中，c稱為管道系統(tǒng)的流量系數(shù)比較自由出流和淹沒出流公式可以看出,淹沒出流時的有效水頭是上下游水位差z;而此外，兩種情況下的流量系數(shù)自由出流時的作用水頭則是出口斷面中心至上游水面的距離。表達(dá)式雖然不同，但

5、當(dāng)管道布置形式及管徑一致時，其流量系數(shù)的數(shù)值卻是相等的（為什 么？）。上述簡單管道水力計算基本公式中同時考慮了管道的沿程水頭損失和局部水頭損失, 然是按短管計算的。若管道為長管，則計算過程將大大簡化，具體如下。長管自由出流H hf長管淹沒出流z hf注意，簡單管道水力計算的基本依據(jù)是連續(xù)方程和能量方程,其中水頭損失的計算尤為重要，既不能遺漏，又不能多算。關(guān)于沿程水頭損失的計算，常用的有兩個公式：達(dá)西魏斯巴赫公式和謝才公式。這兩個公式可通過關(guān)系式 由謝才公式可得8gC2C .8g或 '聯(lián)系起來。hfv2lC2R22Q2lQl2 _ 22la2c2rk2SoQ2lhf K J l式中,J為

6、水力坡度;量Q具有相同的單位。SoK稱為流量模數(shù)，表示水力坡度1J 1時通過的流量，K與流2K ,稱為比阻，表示單位管長在單位流量時的水頭損失，其2 /6單位為S / m。故謝才系數(shù)可用曼寧公式計算，此水利工程中的水流絕大多數(shù)處于紊流的阻力平方區(qū), 時，相應(yīng)的沿程阻力系數(shù)入、流量模數(shù) K,比阻S0可按下式計算2124.5、8 d3 K 0.3117 - nSo10.2916管道水力計算的主要任務(wù)之一是水頭損失的確定，而水頭損失又與液流型態(tài)有關(guān)，不同的流態(tài)有不同的阻力系數(shù)。 計算水頭損失的關(guān)鍵在于阻力系數(shù)的確定。一般水工輸水道內(nèi)的水流絕大多數(shù)屬于紊流的阻力平方區(qū)。給水工程中，給水管道的水流一般屬

7、于紊流的阻力平方區(qū)與紊流的過渡粗糙區(qū)。對于水電站廠房內(nèi)的油管，因油管內(nèi)的流速較小，液流一般為層 流。輸送粘稠液體的管道，因液體的粘滯系數(shù)很大，也往往屬于層流。因此，進(jìn)行水頭損失 計算時，首先應(yīng)按前面介紹的方法進(jìn)行流態(tài)、流區(qū)判別，然后選用合適的阻力系數(shù)計算公式進(jìn)行計算。工程實際中廣泛采用鋼管、鑄鐵管、混凝土和鋼筋混凝土管、石棉水泥管、塑料管輸送流體。對這類自然粗糙的工程實用管道，各個工程領(lǐng)域往往針對其常用的某些管材進(jìn)行專門的試驗研究，得出其沿程水頭損失系數(shù)計算的經(jīng)驗公式或圖表，并為工程實際計算所采用。 這樣做的好處是避免了對每種實用工程管道當(dāng)量粗糙度選擇的任意性和困難性。更詳細(xì)的資料可參考水力計

8、算手冊(或?qū)I(yè)水力計算手冊)。對重要的水工建筑物或特殊的局部損失，有時需要進(jìn)行專門的實驗來確定其系數(shù)。三、簡單管道水力計算的基本類型恒定管流水力計算的基本類型有以下幾類。1計算輸水能力當(dāng)管道布置形式、管長、管徑、作用水頭已知時，可按簡單管道水力計算公式計算流量。2計算作用水頭當(dāng)管道布置形式、管長、管徑、流量已知時，可按簡單管道水力計算公式計算作用水頭。3確定管徑(1)當(dāng)管道布置形式、管長、流量、作用水頭均已知時，管徑是一個確定的數(shù)值，完 全由水力學(xué)條件確定。對長管求出流量模數(shù)之后，可直接求得管徑。4Qc . 2gH °因c又與管徑d有關(guān)，此時不能直接求解，需試算確定管徑。(2)當(dāng)管道

9、布置形式、管長、流量、已知時，要求確定管徑和作用水頭兩者。這種情況下，管徑 d則由技術(shù)經(jīng)濟條件確定，即需要從技術(shù)經(jīng)濟兩方面綜合考慮確定 管徑。太小往往造成管道淤積。-v (2.53.0)m/s,同時要求從管道使用的技術(shù)要求考慮，流量一定時，管徑的大小與流速有關(guān)。若管內(nèi)流速過大， 會由于水擊作用而使管道遭到破壞；對水流中挾帶泥沙的管道，管道流速又不能過小，流速 般要求水電站引水管道V (56)m/s, 一般給水管道V 0.25m/s。從管道的經(jīng)濟效益考慮，選擇的管徑較小, 管道造價較低，但管內(nèi)流速大，水頭損失增大，年運行費高；反過來，選擇的管徑較大，管道造價較高，但管內(nèi)流速小，水頭損失小，年運行

10、費低。針對這種情況，提出了經(jīng)濟流速ve 的概念。經(jīng)濟流速是指管道投資與年運行費總和最小時的流速，相應(yīng)的管徑稱為經(jīng)濟管徑。即采用經(jīng)濟流速來確定管徑。根據(jù)經(jīng)驗，水電站壓力隧洞的經(jīng)濟流速約為 壓力鋼管(3 6)m/s。一般的給水管道，d 100 200mm , d 200 400 mm Ve 1.0 1.4 m/s)O經(jīng)濟流速涉及的因素較多，比較復(fù)雜。選擇時應(yīng)注意因時因地而異。幾個方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟比較。選定經(jīng)濟流速之后，經(jīng)濟管徑可按下式計算(2.5 3.5)m/sVe0.6 1.0 m/s重要的工程應(yīng)選擇de4Q求出de并進(jìn)行規(guī)格化處理之后，驗證管道流速，要求這個流速值必須滿足管道使用上 對流速的技

11、術(shù)要求。當(dāng)確定出管徑之后，作用水頭的計算按上述第二種類型計算即可。4確定斷面壓強的大小已知管線布置、管長、管徑、流量及作用水頭，求某一斷面壓強的大小。管道中的水流除局部管段以外，大部分是漸變流或均勻流。任一斷面i處的壓強可由下式計算邑 HoZi2Vi vi2g從上式可以看到，總水頭 H0 一定時,ViZih 0 i越大，則該斷面的壓強越低。如果Vi、h 0 i相同，則i斷面的壓強大小就取決于該斷面的位置高度 Zi。因此，實用上可通 過調(diào)整管線布置來改變管道內(nèi)部的壓強分布。 對于布置形式一定的管道， 只要繪出測壓管水 頭線，便可以方便地知道沿管線各斷面的壓強變化。 將各斷面的測壓管水頭連線按一定

12、比例繪制在管道布置圖中即為測壓管水頭線，將各斷面的總水頭連線按一定比例繪制在管道布置圖中即為總水頭線。測壓管水頭線和總水頭線可以直觀地反映位能、壓能、動能及總能量的沿程變化情況。管道中心線與測壓管水頭線之間的間距反映壓強水頭的大小，當(dāng)測壓管水頭線在管道中心線之下時，管道中即出現(xiàn)了真空。有時，只需粗略地繪出水頭線， 而不必進(jìn)行上述定量計算。在這種情況下，只需按照水頭線的特點，定性繪出水頭線即可。根據(jù)能量守恒及轉(zhuǎn)化規(guī)律，總水頭線和測壓管水頭線具 有如下特點：(1 )總水頭線比測壓管水頭線高出一個流速水頭，當(dāng)流量一定時，管徑越大，總水頭線與測壓管水頭線的間距 (即流速水頭)越小；管徑不變，則總水頭線

13、與測壓管水頭線平行。(2 )總水頭線總是沿程下降的，當(dāng)有沿程水頭損失時，總水頭線沿程逐漸下降，當(dāng)有 局部水頭損失時，假定局部水頭損失集中發(fā)生在局部變化斷而，總水頭線鉛直下降。(3 )測壓管水頭線可能沿程上升(如突然擴大管段)，也可能沿程下降(一般情況)。(4)總水頭線和測壓管水頭線的起始點和終止點由管道進(jìn)出口邊界條件確定。第三節(jié)簡單管路的設(shè)計計算舉例一.虹吸管的水力計算虹吸管是指一部分管軸線高于上游水面，而出口又低于上游水面的有壓輸水管道。出口可以是自由出流，也可以是淹沒出流。虹吸管的工作原理是： 先將管內(nèi)空氣排出， 使管內(nèi)形成一定的真空度，由于虹吸管進(jìn)口處水流的壓強大于大氣壓強，在管內(nèi)外形成

14、了壓強差，從而使水流由壓強大的地方流向壓強 小的地方。保證在虹吸管中形成一定的真空度和一定的上下游水位差，水就可以不斷地從上hs游經(jīng)虹吸管流向下游。虹吸管水力計算流量的確定按簡單管道水力計算類型安裝高度的確定可按下式計算。為保證虹吸管正常工作，工程中常常限制虹吸管中的真空度不得超過允許值(一般為 67m水柱)。受允許吸上真空高度值的限制，虹吸管的安裝高度顯然不能太大。二、離心泵裝置的水力計算泵是能將動力機械的機械功轉(zhuǎn)變?yōu)樗鳈C械能的水力機械。離心泵是最常用的一種水 泵。吸水管、離心泵及其配套的動力機械、壓水管及其管道附件組成了離心泵裝置。離心泵的抽水過程是： 通過離心泵葉輪的轉(zhuǎn)動， 使水泵入口

15、端形成真空， 使水流在水池 水面大氣壓強作用下沿吸水管上升至水泵進(jìn)口。水流經(jīng)過水泵時，獲得泵加給的機械能， 再經(jīng)壓水管進(jìn)入水塔和用水地區(qū)。離心泵管路系統(tǒng)水力計算的主要任務(wù)是確定水泵的安裝高度和水泵揚程。離心泵安裝高度是指水泵轉(zhuǎn)輪軸線超出上游水池水面的幾何高度。(1)水泵安裝高度的確定 水泵安裝高度計算公式2Pa P2/ l 、Vzs ( 2)-d 2gPa P2式中，為斷面泵進(jìn)口斷面的真空度。過大的真空度將引起過泵水流的空化現(xiàn)象，嚴(yán)重的空化將導(dǎo)致過泵流量減少和水泵葉輪的空蝕。這樣，就不能保證泵的正常工作。 為此，各水泵制造商對各種型號的水泵的允許真空值都有規(guī)定。應(yīng)用過程中應(yīng)從產(chǎn)品樣本中查閱相應(yīng)

16、型號水泵的允許真空值，避免粗略估算。水泵的安裝高度要受到允許吸上真空高度的限制。(2)水泵揚程的確定稱為幾何揚程或地形揚程；h14。即水泵揚程等于幾何揚程 就可以選定水泵型號及相配套的單位重量液體從水泵獲得的能量稱為水泵揚程，按下式計算。式中，Hp為所需揚程；z為出水池與進(jìn)水池水位之差， 為整個管路系統(tǒng)的水頭損失(不包括水流流經(jīng)水泵的水頭損失) 加上整個管路系統(tǒng)的水頭損失。有了水泵揚程和流量之后， 電動機。第四節(jié) 復(fù)雜管路的水力計算復(fù)雜管路由許多不同直徑，不同長度，甚至不同糙率的管路組成。一、串聯(lián)管道由直徑不同的幾段管道依次連接而成的管道系統(tǒng)稱為串聯(lián)管道。串連管道各管段通過的流量可能相同，也有

17、因流量分出而不相同的。由于各段管徑不同, 所以，應(yīng)分段計算其水頭損失。各管段的水頭損失可按謝才公式計算。Q2hfi 田iKinhfi i 1式中，i表示管段的號數(shù)。全管的水頭損失應(yīng)等于全管的作用水頭，即Q2iKi2li式中，n為管段總數(shù)目。流量計算可從連續(xù)原理求得：Qi i Qi qi式中，qi為在第i段管道末端分出的流量。聯(lián)立上兩式可解決串聯(lián)管道的水力計算問題。按長管計算忽略了局部水頭損失和流速水頭，因而測壓管水頭線和總水頭線相重合。串聯(lián)管道各段的水力坡度不同，全管的測壓管水頭線呈折線。二、并聯(lián)管道兩條或兩條以上的管道在同一處分叉，后又在另一處匯合的管道稱為并聯(lián)管道。供熱管道室內(nèi)暖氣片的上下

18、兩片就是一個并聯(lián)管道的例子。z 相淳J hfi hf2 hf4_ Q:中的水:解褊呵融向Ihf二*件對并聯(lián)管道而言，在分叉處，所有的管道應(yīng)該有同一個測壓管水頭值，這就決定了并聯(lián)四、沿程均勻泄流管道的水力計算如灌溉工程中噴灌在灌溉、衛(wèi)生和其他工程方面都會遇到沿程設(shè)有很多泄水孔的管道?；虻喂嘀Ч?，給水工程中的配水管和濾池沖洗管等， 這些管道都是沿程連續(xù)不斷地泄出流量， 稱為沿程均勻泄流管道。 計算這種管道的水頭損失時， 把實際上每隔一定距離開一孔口的情 況看作沿整個管道長度上連續(xù)均勻泄流，以簡化分析計算。由于流量沿管道不斷變化，水流屬于變流量而且是非均勻流。但可以認(rèn)為在微分長度 dx流段內(nèi)，流量不變，并認(rèn)為水流為均勻流。于是在dx流段內(nèi)的沿程水頭損失可表示為1 -2dhf 2Q (l x)q dxK將微小流段的水頭損失對整個管道進(jìn)行積分，即得到整個管道的沿程水頭損失。H hfl1八21-2-12 22Q (1 x)q2d