工程流體力學(xué)-第七章

第七章壓力管路孔口和管嘴出流第一節(jié)簡(jiǎn)單長(zhǎng)管的水力計(jì)算第二節(jié)復(fù)雜管路的水力計(jì)算第三節(jié)短管的水力計(jì)算第四節(jié)水擊現(xiàn)象第五節(jié)孔口和管嘴的水力計(jì)算教學(xué)基本要求1、了解有壓管流的基本特點(diǎn)，掌握管流分為長(zhǎng)管流動(dòng)和短管流動(dòng)的條件。2、掌握簡(jiǎn)單管道的水力計(jì)算和測(cè)壓管水頭線、總水頭線的繪制，并能確定管道內(nèi)的壓強(qiáng)分布。3、了解復(fù)雜管道的特點(diǎn)和計(jì)算方法。4、了解有壓管道中的水擊現(xiàn)象和水擊傳播過(guò)程。學(xué)習(xí)重點(diǎn)

1、掌握長(zhǎng)管、短管以及有壓流的計(jì)算及其應(yīng)用，了解管道的串、并聯(lián)；2、理解有壓管道的水擊現(xiàn)象和水擊傳播過(guò)程。以上各章中討論了液體運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，導(dǎo)出了水力學(xué)的基本方程——連續(xù)方程、能量方程及動(dòng)量方程，并闡述了水頭損失的計(jì)算方法，應(yīng)用這些基本原理即可研究解決工程中常見(jiàn)的水力計(jì)算問(wèn)題，如有壓管道中的恒定流、明渠恒定流及水工建筑物的水力計(jì)算等。本章討論的重點(diǎn)是有壓管中恒定流的水力計(jì)算。即短管（水泵裝置、虹吸管、倒虹吸管）、長(zhǎng)管的水力計(jì)算和測(cè)壓管水頭線和總水頭線的繪制。第一節(jié)簡(jiǎn)單長(zhǎng)管的水力計(jì)算有壓管道：管道周界上的各點(diǎn)均受到液體壓強(qiáng)的作用。有壓管中的恒定流：有壓管中液體的運(yùn)動(dòng)要素不隨時(shí)間而變。一、壓力管路在進(jìn)行壓力管路的水力計(jì)算時(shí)，可根據(jù)沿程水頭損失和局部水頭損失所占比例的大小，把壓力管路分為兩類(lèi)：短管和長(zhǎng)管短管是指管路中水流的流速水頭和局部水頭損失都不能忽略不計(jì)的管道(室內(nèi)管路，如聯(lián)合站、計(jì)量間內(nèi)管件較多的管路)；1.短管和長(zhǎng)管長(zhǎng)管是指流速水頭與局部水頭損失之和遠(yuǎn)小于沿程水頭損失，在計(jì)算中可以忽略的管道為，一般認(rèn)為（局部水頭損失+流速水頭）＜10%的沿程水頭損失，可以按長(zhǎng)管計(jì)算(室外管路，如油田地面集輸管路、外輸管路)

。需要注意的是：長(zhǎng)管和長(zhǎng)管不是完全按管道的長(zhǎng)短來(lái)區(qū)分的。將有壓管道按長(zhǎng)管計(jì)算，可以簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程。但在不能判斷流速水頭與局部水頭損失之和遠(yuǎn)小于沿程水頭損失之前，按短管計(jì)算不會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。2.簡(jiǎn)單（長(zhǎng)管）管路和復(fù)雜管路簡(jiǎn)單（長(zhǎng)管）管路是指流體從入口到出口均在同一等直徑管道中流動(dòng)，沒(méi)有出現(xiàn)流體的分支或匯合的管路。復(fù)雜管路包括串聯(lián)管路、并聯(lián)管路、分支管路和管網(wǎng)。ABABC并聯(lián)管路分支管路廣東省天然氣主干管網(wǎng)規(guī)劃圖3.簡(jiǎn)單（長(zhǎng)管）管路的設(shè)計(jì)計(jì)算問(wèn)題（1）第一類(lèi)問(wèn)題：已知地形、流體性質(zhì)、輸送量、管路幾何尺寸計(jì)算管路的水頭損失或壓降。（2）第二類(lèi)問(wèn)題：已知地形、流體性質(zhì)、管路幾何尺寸和允許壓降計(jì)算管路輸送量。（3）第三類(lèi)問(wèn)題：已知地形、流體性質(zhì)、輸送量、管長(zhǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算最佳管徑。說(shuō)明：（1）對(duì)第一類(lèi)問(wèn)題，根據(jù)已知條件可以直接計(jì)算得到結(jié)果；（2）對(duì)第二、三類(lèi)問(wèn)題，由于輸送量或管徑未知，無(wú)法求取流體流動(dòng)的雷諾數(shù)，不能判斷流型，不能確定摩擦系數(shù)，需要采用試差法或迭代計(jì)算。二、長(zhǎng)管的能量方程能量供給能量消耗對(duì)于長(zhǎng)管，由于速度水頭可以忽略不計(jì)，其總水頭線和測(cè)壓管水頭線重合。三、管路設(shè)計(jì)計(jì)算三類(lèi)問(wèn)題的求解方法（1）第一類(lèi)問(wèn)題：已知地形、流體性質(zhì)、輸送量、管路幾何尺寸計(jì)算管路的水頭損失或壓降。方法一計(jì)算步驟：（2）第二類(lèi)問(wèn)題：已知地形、流體性質(zhì)、管路幾何尺寸和允許壓降計(jì)算管路輸送量（最大輸送量）。計(jì)算步驟：方法二計(jì)算步驟：（3）第三類(lèi)問(wèn)題：已知地形、流體性質(zhì)、輸送量、管長(zhǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算最佳（最經(jīng)濟(jì)）管徑。（1）管徑和壓降都是未知數(shù)；（2）在一定的流量下，管徑的大小直接影響流速的大小和流動(dòng)狀態(tài)的變化，也就影響水頭損失（壓降）的大小。選擇適宜的管徑此外，（1）管中流速過(guò)大，管子易于磨損，迅速關(guān)閉閥門(mén)時(shí)，易于產(chǎn)生較大的水擊壓力，造成管子破裂。（2）管中流速過(guò)小，液體中的雜質(zhì)易于在管中沉淀，侵蝕管壁并增大摩擦阻力。一般油田內(nèi)部管路中的液體流速為1~2m/s左右為宜；外輸管路中的流速為1~3m/s。常用管路的經(jīng)濟(jì)流速見(jiàn)教材141頁(yè)表7-2設(shè)計(jì)管徑的步驟：（1）根據(jù)設(shè)計(jì)流量，在適宜的流速范圍內(nèi)選擇幾種不同的管徑；（2）按照選擇的管徑，求出相應(yīng)的實(shí)際流速；（3）根據(jù)實(shí)際流速、管徑和油品粘度，求出雷諾數(shù)，判別流動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)一步求出水頭損失；（4）由總水頭損失及壓力確定泵的揚(yáng)程和功率，從而算出每年動(dòng)力消耗費(fèi)用；（5）計(jì)算出全部設(shè)備每年的折舊費(fèi)；（6）把選用不同管徑時(shí)，每年所需的全部開(kāi)支一一算出；（7）以管徑為橫坐標(biāo)，年費(fèi)用為縱坐標(biāo)，繪成曲線；（8）曲線C的最低點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的管徑dm即為所求的最經(jīng)濟(jì)管徑；（9）管徑的圓整。第一節(jié)復(fù)雜管路的水力計(jì)算除簡(jiǎn)單管路外的管路系統(tǒng)統(tǒng)稱(chēng)復(fù)雜管路，如串聯(lián)管路、并聯(lián)管路等。這里以串聯(lián)和并聯(lián)管路為例討論復(fù)雜管路的水力計(jì)算問(wèn)題，并忽略管路中局部水頭損失和出流速度水頭。一、串聯(lián)管路

串聯(lián)管路特點(diǎn)：各管段流量相等，總水頭等于各段沿程損失之和。如圖有對(duì)于長(zhǎng)管，局部損失可不計(jì)，則有對(duì)于直徑不變的單一管路對(duì)于直徑不變的單一長(zhǎng)管，，則有簡(jiǎn)單串聯(lián)管路計(jì)算實(shí)例Qm=Qm1+Qm2Q=Q1+Q2VAB12∑hfAB=∑hf1=∑hf2（各支管總阻力相等）二.并聯(lián)管路☆

☆☆在穩(wěn)定流狀態(tài)下，A、B兩點(diǎn)處的測(cè)壓管水頭必然維持穩(wěn)定因而能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)各管的流量，使各管的水頭損失都相等。證明注意：在計(jì)算并聯(lián)管路的能量損失時(shí)，只需計(jì)算一根支管的能量損失即可，絕不能將并聯(lián)的各管段的阻力全部加在一起作為并聯(lián)管路的能量損失。各支管的流量比為：支管越長(zhǎng)、管徑越小、阻力系數(shù)越大——流量越小；反之——流量越大。

ABCD12COAB分支管路三、分支管路與匯合管路

在輸油和輸水管路上，經(jīng)常要鋪設(shè)分支管線來(lái)連接油水井或各種儲(chǔ)液罐分支管路∑H1=∑H2(各支管終點(diǎn)總能量相等)P1P2012VV1V2

Q=Q1+Q2∑hf=∑hf2

∑hf2

(總的沿程水頭損失等于各管段水頭損失的總和)0-10-2對(duì)多個(gè)分支，則有證明：比較上兩式，得(1)(2)

現(xiàn)將閥門(mén)關(guān)小，阻力增加使流量Qv3下降。下游阻力增大，上游壓強(qiáng)上升，使P0↑。此時(shí)，Qv1、Qv2同時(shí)降低，但因P2<P1，Qv2下降更快。

P1P2Qv1Qv20Qv3P3當(dāng)閥門(mén)關(guān)小到一定程度，致使Qv2=0，繼續(xù)關(guān)小則Qv2作反向流動(dòng)。P0↑，則阻力與動(dòng)能之和下降，u0↓。三.匯合管路第三節(jié)短管的水力計(jì)算一、簡(jiǎn)單短管自由出流的基本公式以0’—0’為基準(zhǔn)面，列0-0和2-2斷面能量方程：令——為管道系統(tǒng)的流量系數(shù)。二、簡(jiǎn)單短管淹沒(méi)出流的基本公式

以下游水面為基準(zhǔn)面，列1-1和2-2斷面的能量方程：令令三、簡(jiǎn)單短管水力計(jì)算的基本類(lèi)型1、已知流量Q和管道直徑d，計(jì)算管道的作用水頭。根據(jù)具體流態(tài)選用相應(yīng)的沿程阻力系數(shù)公式，解出沿程阻力系數(shù)后，應(yīng)用流量計(jì)算公式計(jì)算作用水頭。2、已知水頭H和管道直徑d，計(jì)算通過(guò)的流量Q。假設(shè)一個(gè)最可能的流態(tài)并計(jì)算沿程阻力系數(shù)，得到結(jié)果后，校核流態(tài)是否與假設(shè)的流態(tài)相符合。若符合則計(jì)算結(jié)束，否則應(yīng)另外假設(shè)流態(tài)重新計(jì)算。3、已知通過(guò)管道流量Q，確定管道直徑d（1）管道的作用水頭H確定，管道的直徑由流量公式計(jì)算。（2）確定所需的管道直徑d及相應(yīng)的作用水頭H根據(jù)管道類(lèi)型選定管道允許流速，計(jì)算出管道直徑d，通過(guò)已知流量計(jì)算H。4、已知管道直徑，作用水頭H和流量Q，確定管道各斷面壓強(qiáng)的大?。?）繪制步驟1）計(jì)算各項(xiàng)局部水頭損失和各管段的沿程水頭損失。2）從管道進(jìn)口斷面的總水頭依次減去各項(xiàng)損失，得各斷面的總水頭值，連結(jié)成總水頭線（逐漸繪制從進(jìn)口到出口的總水頭線）。假定hf均勻分布在整個(gè)管段上（直線），假定hm集中發(fā)生在邊界改變處。

3）總水頭線減去速度水頭得測(cè)壓管水頭線。（2）注意事項(xiàng)

1）進(jìn)口：注意總水頭線的起點(diǎn)。

2）出口：注意測(cè)壓管水頭線的終點(diǎn)四、管路特性曲線管路特性曲線以Q為橫坐標(biāo)，H為縱坐標(biāo)。反映了流量與水頭損失的關(guān)系。說(shuō)明：（1）管路特性曲線取決于流動(dòng)狀態(tài)，流動(dòng)狀態(tài)又取決于流量。（2）Q較小時(shí)，管路處于層流，H~Q呈直線；Q較大時(shí)，管路處于湍流，H~Q呈曲線。應(yīng)用在設(shè)計(jì)裝卸油管路及選泵時(shí)經(jīng)常用到。管網(wǎng)計(jì)算基礎(chǔ)管網(wǎng)由簡(jiǎn)單回路、并聯(lián)、串連管路組合而成，基本可分為枝狀管網(wǎng)和環(huán)狀管網(wǎng)兩種。環(huán)狀管網(wǎng)

配水管網(wǎng)的一種布置方式，管道縱橫相互接通，形成環(huán)狀。枝狀管網(wǎng)

配水管網(wǎng)的一種布置形式，干管和支管分明，形成樹(shù)枝狀。【枝狀管網(wǎng)】水力計(jì)算原則（1）管路布置已定，則管長(zhǎng)和局部構(gòu)件的型式和數(shù)量均已確定，在已知用戶所需流量和末端要求壓頭的條件下，求管徑和作用壓頭。這類(lèi)問(wèn)題是按流量和限定流速求管徑。確定管徑后，對(duì)枝狀管網(wǎng)進(jìn)行水力計(jì)算，然后按照總壓力及總流量選泵和風(fēng)機(jī)（2）已有泵和風(fēng)機(jī)，即已知作用水頭，并知用戶所需流量及末端水頭，在管路布置后已知管長(zhǎng)，求管徑。這類(lèi)問(wèn)題是先求得單位長(zhǎng)度上的允許損失水頭，查手冊(cè)確定當(dāng)量長(zhǎng)度，求出管徑，最后校合計(jì)算。5.5.1水擊現(xiàn)象水擊是有壓管道中的非恒定流現(xiàn)象。當(dāng)有壓管道中的閥門(mén)突然開(kāi)啟、關(guān)閉或水泵因故突然停止工作，使水流流速急劇變化，引起管內(nèi)壓強(qiáng)發(fā)生大幅度交替升降。這種變化以一定的速度向上游或下游傳播，并且在邊界上發(fā)生反射，這種水流現(xiàn)象叫作水擊，交替升降的壓強(qiáng)稱(chēng)為水擊壓強(qiáng)。

產(chǎn)生水擊現(xiàn)象的原因是由于液體存在慣性和可壓縮性。水擊現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)上是由于管道內(nèi)水體流速的改變，導(dǎo)致水體的動(dòng)量發(fā)生急劇改變而引起作用力變化的結(jié)果。水擊具有破壞性第四節(jié)水擊現(xiàn)象水擊現(xiàn)象實(shí)例（泵汽蝕現(xiàn)象）

汽蝕的概念

1.1893年，人們首次發(fā)現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象。之后，對(duì)螺旋槳、水輪機(jī)和水泵等水力機(jī)械的汽蝕問(wèn)題進(jìn)行了大量研究。隨著機(jī)器越來(lái)越向高速運(yùn)轉(zhuǎn)方向發(fā)展，汽蝕一直是水力機(jī)械中很重要的問(wèn)題。2.液體在一定溫度下，降低壓力至該溫度下的汽化壓力時(shí)，液體便產(chǎn)生氣泡。把這種產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象稱(chēng)為汽蝕。

1.泵在運(yùn)轉(zhuǎn)中，若過(guò)流部分的局部區(qū)域（通常是葉輪葉片進(jìn)口稍后的某處），因?yàn)槟撤N原因，抽送液體的絕對(duì)壓力下降到當(dāng)時(shí)溫度下的汽化壓力時(shí)，液體便在該處開(kāi)始汽化，產(chǎn)生蒸汽、形成氣泡。

2.這些氣泡隨液體向前流動(dòng)，至某高壓處時(shí)，氣泡周?chē)母邏阂后w致使氣泡急驟地縮小以至破裂。在氣泡破裂的同時(shí)，液體質(zhì)點(diǎn)將以高速填充空穴，發(fā)生互相撞擊而形成水擊。

3.這種現(xiàn)象發(fā)生在固體壁上將使過(guò)流部件受到腐蝕破壞。

泵內(nèi)汽蝕的過(guò)程

汽蝕產(chǎn)生的氣泡和爆破過(guò)程

泵產(chǎn)生汽蝕的現(xiàn)象產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)

由于泵汽蝕時(shí)，在高壓區(qū)發(fā)生連續(xù)破滅產(chǎn)生強(qiáng)烈水擊，而產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)，可以聽(tīng)到像爆豆似的劈劈啪啪的聲音。根據(jù)噪音可以檢測(cè)汽蝕的初生。2.過(guò)流部件的腐蝕破壞

泵長(zhǎng)時(shí)間在汽蝕條件下工作時(shí)，泵過(guò)流部件在某些地方會(huì)遭到腐蝕破壞。一種是由于氣泡破滅時(shí)產(chǎn)生高頻（600~25000HZ）強(qiáng)烈沖擊，壓力高達(dá)49Mpa，致使金屬表面出現(xiàn)機(jī)械剝蝕；另一種是由于汽化時(shí)放出熱量，并有溫差電池作用產(chǎn)生水解，產(chǎn)生的氧氣使金屬氧化，發(fā)生化學(xué)腐蝕。3.性能下降

泵汽蝕時(shí)葉輪內(nèi)的能量交換受到干擾和破壞，在外特性上的表現(xiàn)是Q-H曲線，Q-P、Q-η曲線下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使泵中的液流中斷，不能工作。不同比轉(zhuǎn)速泵因汽蝕引起的性能曲線下降

離心泵混流泵軸流泵

水擊礁石飛濺海灘-自然風(fēng)景-自然風(fēng)景,海灘自然美絢麗絢麗壯觀絢麗壯觀

日本濱岡核電廠發(fā)生放射能泄漏事故

2001年11月7日下午發(fā)生在日本靜岡縣中部電力（公司）濱岡核電廠的管線破裂事故。事故原因：在一號(hào)發(fā)電機(jī)組緊急反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)中的“L”形管線內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一些積水，因此推測(cè)這些積水和水蒸氣相遇時(shí)急速膨脹并產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊波，從而造成“水擊現(xiàn)象”使管線破裂。

據(jù)了解，1996年發(fā)生于日本四國(guó)電力（公司）伊方核電廠的3號(hào)機(jī)組蒸氣噴出事故，就是因?yàn)楣芫€內(nèi)的積水和高溫水蒸氣接觸造成的。另外，在關(guān)西電力（公司）美濱核電廠也發(fā)生過(guò)類(lèi)似原因的事故。日本濱岡核電廠發(fā)生放射能泄漏事故在壓力管道中，由于液體流速的急劇改變，從而造成瞬時(shí)壓力顯著、反復(fù)、迅速變化的現(xiàn)象，稱(chēng)為水擊，也稱(chēng)水錘。引起水擊的基本原因是：（1）當(dāng)壓力管道的閥門(mén)突然關(guān)閉或開(kāi)啟時(shí)，當(dāng)水泵突然停止或啟動(dòng)時(shí)，因瞬時(shí)流速發(fā)生急劇變化，引起液體動(dòng)量迅速改變，而使壓力顯著變化。（2）管道上止回閥失靈，也會(huì)發(fā)生水擊現(xiàn)象。（3）在蒸汽管道中，若暖管不充分，疏水不徹底，導(dǎo)致送出的蒸汽部分凝結(jié)成水，體積突然縮小，造成局部真空，周?chē)橘|(zhì)將高速向此處沖擊，也會(huì)發(fā)出巨大的音響和振動(dòng)。危害：水擊現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，壓力升高值可能為正常壓力的好多倍，使管壁材料承受很大應(yīng)力；壓力的反復(fù)變化，會(huì)引起管道和設(shè)備的振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成管道、管道附件及設(shè)備的損壞。一、水擊現(xiàn)象的基本原理第一階段（突然關(guān)閉閥門(mén)）水擊的傳播速度為c瞬間液體的全部動(dòng)能液體的壓能和管壁的變性能被壓縮液體的壓力增加，稱(chēng)為水擊壓力。臨近閥門(mén)處厚度為△S的液體第一層液體停下來(lái)第二層液體停下來(lái)液體依次停下來(lái)形成一個(gè)高壓區(qū)和低壓區(qū)的分界線以速度c從閥門(mén)處向貯液池方向傳播c第二階段（在閥門(mén)關(guān)閉t=l/c時(shí)到達(dá)管道口）壓力波面?zhèn)鞯焦茏尤肟谔幑苈穬?nèi)液體依次停止流動(dòng)（壓縮狀態(tài)）管內(nèi)壓力>貯液池內(nèi)壓力管內(nèi)緊靠貯液池的一層液體以沖向貯液池水擊壓力消失，恢復(fù)正常壓力液體高、低壓區(qū)分界面以速度c從貯液池處向閥門(mén)方向傳播c第三階段（在閥門(mén)關(guān)閉t=2l/c時(shí)壓力波到達(dá)閥門(mén)）整個(gè)管路中液體的壓力恢復(fù)原狀瞬間，緊鄰閥門(mén)的一層液體以向貯液池方向流動(dòng)（慣性作用）緊鄰閥門(mén)前的一層液體加倍膨脹第二層、第三層液體依序在慣性作用下，膨脹所形成的減壓波仍以速度c從閥門(mén)處向貯液池方向傳播c第四階段在t=4l/a時(shí)到達(dá)閥門(mén)（在閥門(mén)關(guān)閉t=3l/c時(shí)減壓波到達(dá)管道口）c整個(gè)管路中液體的處于低壓靜止?fàn)顟B(tài)貯液池內(nèi)壓力>管內(nèi)壓力液體又以沖向管中緊鄰管子入口處的一層液體的壓力恢復(fù)到正常壓力波以速度c從貯液池處向閥門(mén)方向傳播管路中液體又恢復(fù)到正常速度由貯液池流向閥門(mén)重復(fù)上述過(guò)程緊鄰閥門(mén)處，理想情況下液體壓力隨時(shí)間變化的圖形循環(huán)、衰減水擊具有破壞性水擊波的傳播過(guò)程衰減性壓力波在傳播過(guò)程中，存在液流阻力和管道變形能量消耗二、水擊的分類(lèi)t0=2l/c——相長(zhǎng)

TM——閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間

根據(jù)閘門(mén)關(guān)閉（或開(kāi)啟）的時(shí)間TM與相長(zhǎng)t的比值，我們把水擊分為兩類(lèi)：（1）直接水擊：閘門(mén)關(guān)閉（或開(kāi)啟）的時(shí)間TM＜t0（關(guān)閉很快）。（2）間接水擊：指閘門(mén)關(guān)閉（或開(kāi)啟）的時(shí)間TM＞t0（關(guān)閉較慢）。說(shuō)明：由于直接水擊壓強(qiáng)遠(yuǎn)大于間接水擊壓強(qiáng)，破壞性較強(qiáng)，在實(shí)際工程中應(yīng)盡可能采取措施，避免產(chǎn)生直接水擊破壞。三、防止產(chǎn)生直接水擊破壞的措施（1）縮短壓力管道的長(zhǎng)度；（2）延長(zhǎng)閥門(mén)關(guān)閉的時(shí)間TM；（3）減小壓力管道中的水流流速；（4）安裝水擊消除閥；（5）設(shè)置調(diào)壓室。水擊具有破壞性四、直接水擊壓力的計(jì)算c0——水中聲音傳播速度（1435m/s）E——水的彈性系數(shù)（2×109Pa）E0——管材彈性系數(shù)（鋼：206×106kPa）e——管材壁厚五、壓力傳播速度液體E,Pa

管材E,Pa水

鋼管石油

鑄鐵管

液體和管材的彈性系數(shù)六、間接水擊壓力的計(jì)算例題：有一水電站引水鋼管，管長(zhǎng)l=2000m，管徑D=500mm，管壁厚度e=10mm，管內(nèi)流速3m/s,水的彈性系數(shù)為E=19.6×108N/m2，鋼管的彈性系數(shù)為E0

=19.6×1010N/m2

。試求：在3秒內(nèi)閥門(mén)全部關(guān)閉時(shí)的水擊壓強(qiáng)。解：相長(zhǎng)為

∵TM=2s＜t=3.41s∴水擊為直接水擊水擊壓強(qiáng)為

第五節(jié)孔口和管嘴的水力計(jì)算

孔口和管嘴出流在工程技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用，在許多領(lǐng)域都可以見(jiàn)到。

例如，水利工程上的閘孔，水力采煤用的水槍?zhuān)?chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的汽化器，柴油機(jī)的噴嘴，以及液壓技術(shù)中油液流經(jīng)滑閥、錐閥、阻尼孔等都可歸納為孔口出流問(wèn)題。高壓噴射鉆井所用噴嘴，注水井中分層定量配水所用的配水嘴，水箱、蓄水池、堤壩的孔洞以及貯液池容器的泄水孔。三峽大壩開(kāi)閘泄洪景象三峽大壩開(kāi)閘泄洪景象

水利工程上的閘孔錐齒輪節(jié)流截止放空閥

錐閥式飲水器

HOOCAACDCv0vC孔口出流CD3～4DvCvc分離、漩渦區(qū)管嘴出流vOO1122H有壓管流不同點(diǎn)：沿程損失不一樣（見(jiàn)下表）。

流動(dòng)型式局部損失沿程損失孔口出流∨×管嘴出流∨很小，可忽略有壓管流∨∨共同點(diǎn)：同屬壓力流動(dòng)本節(jié)討論液體孔口和管嘴出流的基本概念，研究流體出流的特征，確定出流速度、流量和影響它們的因素。通過(guò)對(duì)這些問(wèn)題的研究，以便使我們進(jìn)一步掌握流體流動(dòng)基本規(guī)律的應(yīng)用。一、孔口出流的分類(lèi)1.孔口出流：流體流經(jīng)孔口的流動(dòng)現(xiàn)象。2.孔口出流的分類(lèi)（1）根據(jù)壁厚是否影響射流形狀可分：薄壁孔口和厚壁孔口（2）按孔口直徑d

和孔口形心在液面下深度H的比值不同可分：大孔口和小孔口（3）根據(jù)出流空間情況可分：自由出流和淹沒(méi)出流（4）水頭隨時(shí)間變化分：恒定出流和非恒定出流（1）薄壁孔口和厚壁孔口1、如果液體具有一定的流速，能形成射流，且孔口具有尖銳的邊緣，此時(shí)邊緣厚度的變化對(duì)于液體出流不產(chǎn)生影響，出流水股表面與孔壁可視為環(huán)線接觸，這種孔口稱(chēng)為薄壁孔口。

特征：L/d≤22、如果液體具有一定的速度，能形成射流，此時(shí)雖然孔口也具有尖銳的邊緣，射流亦可以形成收縮斷面，但由于孔壁較厚，壁厚對(duì)射流影響顯著，射流收縮后又?jǐn)U散而附壁，這種孔口稱(chēng)為厚壁孔口或長(zhǎng)孔口，有時(shí)也稱(chēng)為管嘴。特征：2＜L/d≤4薄壁孔口厚壁孔口（管嘴）3、收縮斷面：薄壁孔口邊緣尖銳，而流線又不能突然轉(zhuǎn)折，經(jīng)過(guò)孔口后射流要發(fā)生收縮，在孔口下游附近的c-c斷面處，射流斷面積達(dá)到最小處的過(guò)流斷面。以Ac表示。4、收縮系數(shù)：收縮斷面面積與孔口的幾何斷面積之比，即

ε=Ac/A。5、出流特征：液體從薄壁孔口出流時(shí)，沒(méi)有沿程能量損失，只有收縮而產(chǎn)生的局部能量損失，而液體從厚壁孔口出流時(shí)不僅有收縮的局部能量損失，而且還有沿程損失。

（2）大孔口和小孔口按孔口直徑d

和孔口形心在液面下深度H的比值不同可分1.小孔口：以孔口斷面上流速分布的均勻性為衡量標(biāo)準(zhǔn)，如果孔口斷面上各點(diǎn)的流速是均勻分布的，則稱(chēng)為小孔口。2.大孔口：如果孔口斷面上各點(diǎn)的流速相差較大，不能按均勻分布計(jì)算，則稱(chēng)為大孔口。大孔口小孔口(3)

自由出流和淹沒(méi)出流1.自由出流：以出流的下游條件為衡量標(biāo)準(zhǔn)，如果流體經(jīng)過(guò)孔口后出流于大氣中時(shí)，稱(chēng)為自由出流；2.淹沒(méi)出流：如果出流于充滿液體的空間，則稱(chēng)為淹沒(méi)出流。二、薄壁圓形小孔的穩(wěn)定自由出流的水力計(jì)算1.分析取圖中的1-1和c-c斷面列伯努利方程整理得：通過(guò)孔口的流速計(jì)算式當(dāng)A1>>Ac,并注意到αc≈1，則得流速系數(shù)通過(guò)孔口的流量為2.兩種特例1、若容器上部為自由液面且小孔自由出流時(shí)，有2、高壓系統(tǒng)（），則有3.孔口出流系數(shù)的測(cè)定射流軌跡法測(cè)定ε如圖8-3所示，孔口出流射入大氣后成為平拋運(yùn)動(dòng)，將坐標(biāo)原點(diǎn)取在收縮斷面上，測(cè)量射流上任一點(diǎn)的坐標(biāo)x和y，如果忽略射流四周的空氣阻力，則消去時(shí)間t，得收縮斷面c-c上的平均流速4.收縮系數(shù)與阻力系數(shù)5.完全收縮與部分收縮（1）完全收縮：孔口距離器壁很遠(yuǎn)，因此器壁對(duì)孔口的收縮情況毫無(wú)影響，這種收縮稱(chēng)為完全收縮。（2）非完全收縮：孔口四周都有收縮，但某一邊距離器壁較近，其收縮情況受到器壁的影響，因而這種收縮稱(chēng)為非完全收縮。（3）部分收縮：有的邊根本不收縮，只有部分邊有收縮，因而稱(chēng)為部分收縮。6.淹沒(méi)出流的水力計(jì)算7.厚壁孔口自由出流（管嘴出流）3帶有外伸圓柱形厚壁孔口的容器。取1-1、2-2兩緩變流斷面列伯努利方程管嘴出流的特點(diǎn)：管嘴只有內(nèi)收縮而無(wú)外收縮，這是它與薄壁孔口的區(qū)別之一。區(qū)別之二是管嘴阻力損失由下列三部分組成：一是入口阻力損失，二是c-c斷面后的擴(kuò)大阻力損失，三是后半段上沿程能頭損失。管嘴出流速度特例分析：當(dāng)液體從薄壁圓孔口出流時(shí)，其流量系數(shù)μ=0.61，而厚壁孔口的流量系數(shù)μ=0.82，為薄壁孔口的1.34倍。于是當(dāng)孔口面積相同時(shí)，通過(guò)厚壁孔口的流量大于薄壁孔口。產(chǎn)生這個(gè)結(jié)果的原因可解釋為：當(dāng)液體從厚壁孔口流到大氣中去時(shí)流速為v2，在收縮斷面上的流速vc>v2，因此收縮斷面上的壓強(qiáng)pc一定小于管嘴出流斷面上的壓強(qiáng)，即小于大氣壓強(qiáng)pa，這樣就在厚壁孔口的內(nèi)收縮斷面上產(chǎn)生真空，將液體從容器中吸入流體，從而使厚壁孔口比面積相同的薄壁孔口流出更多的流量。為什么流量會(huì)變大？（1）由真空作用所產(chǎn)生的壓頭為0.74H是個(gè)比較大的數(shù)值。（2）該值遠(yuǎn)大于加裝管嘴增加的液流阻力所引起的損失的水頭。因此，同樣H和A的條件下，管嘴流量大于孔口流量。那么為了增大管嘴流量，是否真空值越大越好呢？（1）如果真空值過(guò)大，c-c斷面處壓力過(guò)低→液體內(nèi)部將產(chǎn)生氣泡，產(chǎn)生氣化現(xiàn)象。（2）外部空氣也將經(jīng)過(guò)管嘴進(jìn)入真空區(qū)內(nèi)→產(chǎn)生水股與管嘴脫離想象。與孔口出流情況相同，并不能達(dá)到增加流量的目的。要保證圓柱形外管嘴的正常工作，必須滿足兩個(gè)條件：（1）最大真空度不能超過(guò)7m，即H=7/0.74=9.5m;（2）L=(3~4)D。說(shuō)明：太長(zhǎng)則會(huì)使阻力增加，變成短管；太短，則液流尚未充滿管嘴就流出，或者真空區(qū)域太接近管嘴出口而被破壞。工程上為了增加孔口的泄水能力或?yàn)榱嗽黾?減少)出口的速度，常采用不同的管咀形式管嘴的類(lèi)型液流孔口和各種管嘴的出流系數(shù)第六節(jié)壓強(qiáng)沿程變化和水頭線的繪制用以下例子說(shuō)明總水頭線和測(cè)壓管水頭線的繪制。

v122gv222g管道突然縮小總水頭線測(cè)壓管水頭線v122gv222g管道突然放大總水頭線測(cè)壓管水頭線v22gv22g管道中的閥門(mén)總水頭線測(cè)壓管水頭線

管道測(cè)壓管水頭線和總水頭線11H122334455ipi/γv0hwiH10總水頭線測(cè)壓管水頭線v022g步驟1：先定出不計(jì)能量損失的總水頭11H122334455ipi/γv0hwiH10總水頭線測(cè)壓管水頭線v022g步驟2：定出管道末端的總水頭11H122334455ipi/γv0hwiH10總水頭線測(cè)壓管水頭線v022g步驟3：尋求最后一個(gè)局部損失處（4）下游11H122334455ipi/γv0hwiH10總水頭線測(cè)壓管水頭線v022g步驟4：計(jì)算45段的能量損失hf4511H122334455ipi/γv0hwiH10總水頭線測(cè)壓管水頭線v022g步驟6：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)總水頭點(diǎn)11H122334455ipi/γv0hwiH10總水頭線測(cè)壓管水頭線v022ghf

45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)

11H122334455ipi/γv0hwiH10總水頭線測(cè)壓管水頭線v022ghf

45步驟7：逐次向上游推進(jìn)，便可得到總水頭線11H122334455ipi/γv0hwiH10總水頭線測(cè)壓管水頭線v022ghf

45步驟8：從總水