孔口管嘴出流与有压管流PPT课件

第五章孔口、管嘴出流与有压管流第一节孔口出流第二节管嘴出流第三节有压管路水力计算第四节管网水力计算原理第五节有压管路中的水击本文档后面有精心整理的常用编辑图标，以提高工作效率第一节孔口出流【实例】平流式沉淀池是水厂及污水厂常见的水处理构筑物，它的作用是分离水中的悬浮物质。为了使水流均匀地进入池中，通常在平流沉淀池的进口处造一道穿孔墙，几排方形小孔交错分布，如图所示。【问题】孔口出流有几种类型？各有何特点？出流流量与孔口大小及容器中水位高低等因素有无关系？【定义】在容器壁上开孔，液流经孔口流出的现象称为孔口出流。返回1.大孔口与小孔口小孔口：d/H≤1/10，可认为孔口断面上各点的水头都相等，各点的流速相同。大孔口：d/H>1/10，计算中应考虑孔口断面上不同高度的水头不相等，因此流速也是变化的。2.恒定出流与非恒定出流3.自由出流与淹没出流4.薄壁孔口与厚壁孔口一、孔口出流的分类收缩系数以通过孔口形心的水平面作为基准面，1-1和收缩断面c-c列能量方程：式中p0=pc=pa，d/2二、薄壁小孔口恒定出流自由出流令收缩断面流速孔口的流量式中H0——作用水头，m；当忽略较小，H0=H——孔口流速系数，——孔口流量系数，以通过孔口形心的水平面作为基准面，1-1和2-2列能量方程：令H0＝H1一H2淹没出流无“大”、“小”孔口之分。淹没出流比较孔口自由出流与淹没出流的异同点相同点：二者流量计算公式形式相同，流速计算公式形式相同，各项系数值也相同。（前提条件一致的情况下）不同点：作用水头不同。自由出流的作用水头H0是孔口上游断面的总水头，与孔口的位置有关，而淹没出流的作用水头H0则是上下游液面的总水头之差，与孔口在壁面上的位置和大小无关。孔口的流量系数μ的影响因素孔口的流量系数μ决定于流速系数和收缩系数ε。由实验可知，和ε在自由出流和淹没出流情况下是基本相同的。而影响和ε，亦即影响μ的主要因素是孔口的形状、边缘情况和距容器边界的距离。根据实验测得的结果，完善收缩的薄壁小孔口的各项系数为ζ=0.06，=0.97，ε＝0.64，μ=0.62。全部完善收缩全部不完善收缩部分收缩例5-2平流式沉淀池穿孔墙。若已知通过穿孔墙的总流量Qz=125L/s，穿孔墙上设若干面积A=15cm×15cm的孔口，为防止絮凝体被打碎，需限制通过孔口面积A的平均流速v≤0.4m/s。若按薄壁小孔口计算，试确定（1）穿孔墙上应设孔口的总数n；（2）穿孔墙上下游的恒定水位差H。解：（1）求nn个孔口的总面积为取n=14个。则孔口的实际流速故符合要求。（2）求H因为是淹没出流，故作用水头与孔口在穿孔墙上的位置无关，即14个孔口的作用水头相等。又故14个孔口的作用水头均为H0=H。采用，由公式可得第二节管嘴出流在孔口断面上外接长度＝(3～4)d的圆柱形短管，称为圆柱形外接管嘴。漩涡区以通过管嘴轴线的水平面0-0为基准面，对断面1-1与断面2-2列能量方程：令代入上式，整理得管嘴出口流速一、圆柱形外管嘴的恒定出流返回管嘴流量式中H0——作用水头，m；当忽略较小，H0=Hζn——管嘴局部阻力系数，相当于管道锐缘进口的局部阻力系数；——管嘴流速系数，——管嘴流量系数，因管嘴出口断面无收缩，故比较孔口与管嘴流量公式，两式形式完全相同，但由此可见：在相同的作用水头、相同的直径的条件下，管嘴的过流能力是孔口过流能力的1.32倍。收缩断面的真空值为该式说明：圆柱形外管嘴的作用可使其作用水头增大75％。(1)作用水头H0≤9m；(2)管嘴长度＝(3～4)d。二、收缩断面的真空三、圆柱形外管嘴正常工作的条件四、其他形式的管嘴(1)圆锥形扩张管嘴，如(a)所示。这类管嘴可在收缩断面形成真空，其真空值随圆锥角增大而增大，泄水能力流速小，常用作引射器、水轮机尾水管和人工降雨喷口(灌溉设备)等。四、其他形式的管嘴(2)圆锥形收敛管嘴，如图(b)所示。这类管嘴出口流速大，适用于水力机械化施工设备(如水力挖土机)作喷嘴枪作喷嘴等。四、其他形式的管嘴(3)流线型管嘴，如图(c)所示。这类管嘴阻力系数小，常用作涵洞或水坝的泄水管。四、其他形式的管嘴消防龙头用的收缩管嘴例题水从封闭的容器中经管嘴流入敞口水池中，已知管嘴的直径10cm，容器与水池中水面高差h=2m，封闭容器液面相对压强为49.05kPa，试求流经管嘴的流量是多少？【解】这是管嘴的淹没出流，先确定管嘴的作用水头例题5-3参见教材94页有压流无压流简单管道复杂管道长管短管自由出流淹没出流简单管道串联管道并联管道水头损失以沿程水头损失为主，局部水头损失和流速水头在总损失中所占比重很小，计算时可以忽略的管道或按沿程损失的某一百分数进行估算，而不影响计算精度的管路局部损失及流速水头在总损失中占有相当的比重，计算时不能忽略的管道第三节有压管路计算返回一、短管水力计算（一）自由出流1-1与2-2列方程（2）淹没出流1-1与2-2列方程（三）短管水力计算的基本类型①已知Q，l，d，管材，局部阻力组成，求作用水头H0；②已知作用水头H，l，d，管材、局部阻力组成，求Q；③已知Q，作用水头H，l，管材、局部阻力组成，求d。（四）短管水力计算应用1.虹吸管水力计算虹吸管是一种压力管，顶部弯曲且其高程高于上游供水水面。其顶部的真空值一般不大于7~8m水柱高。虹吸管安装高度hs越大，顶部真空值越大。虹吸管的优点在于能跨越高地，减少挖方。虹吸管长度一般不长，故按短管计算。例5-4用虹吸管将水从上游水池引入吸水池。已知上游水池与吸水池中水位高差H=2.5m，管长lAC=15m，lCB=25m，管径d=200mm，沿程阻力系数λ=0.025，入口局部阻力系数ζ入口=1.0，各弯头的局部阻力系数ζ弯头=0.2，管顶允许真空高度[hv]=7mH2O，试求通过的流量及最大安装高度。【解】a.计算流量以2-2为基准面，1-1、2-2列方程b．计算最大安装高度以1-1为基准面，对1-1、c-c列方程利用虹吸原理，在长距离输水管中作压力输水也有应用，实例如下：一：按照传统的做法，以山包的最高点B点为控制点，在B点处建一个高位水池。水泵先将水送入高位水池，然后再由高位水池依靠重力输水至水厂混合池C。该方案的水泵供水水压线为Ⅰ线，水泵扬程为Hl。方案二：以水厂混合池C为控制点，水泵供水水压线为Ⅱ线，水泵扬程为H2，供水水压线Ⅱ将供水管线分为三段，即：AD与EC段位于供水水压线之下，属于正压输水；DBE段位于供水水压线之上，属于负压输水。这样整个输水管线形成一根虹吸管。负压负压控制点由B点降至C点以后，水泵的静扬程相应地由H01降至H02，H01=62.0—22.0=40mH02=45.6—22.0=23.6m该工程采用了第二设计方案，使水泵扬程大大降低，因此工程建成投产数年后，节能效果十分显著。负压负压2.水泵吸水管水力计算以1-1为基准面，对1-1至2-2列方程安装高度若以水泵的允许吸上真空高度[hv]代入上式，则可得到水泵最大安装高度例5-5如图离心泵装置，抽水量Q=8.1L/s，吸水管长度l=8m，管径d=100mm，λ=0.045，各局部阻力系数分别为：带滤网的底阀ζ阀=7.0，90°弯头ζ90°=0.25，水泵的允许吸上真空高度[hv]=5.7m，试确定水泵最大安装高度Hs。【解】3.倒虹吸管水力计算倒虹吸管是穿越道路、河渠等障碍物的一种输水管道。如图所示。倒虹吸管中的水流并无虹吸作用。【例题4.5】如上图所示，一穿越路堤的倒虹管，圆形断面，管长l=50m，上下游水位差H=2.5m，通过的流量Q=2.9m3/s，采用钢筋混凝土管，λ=0.02，各局部阻力系数：ζ入口=0.5，ζ弯头=0.55，ζ出口=1，试计算其管径d。解：以下游液面为基准面，对符合渐变流条件的上、下游水面1-1、2-2断面列能量方程，忽略上、下游流速v1、v2，得采用试算法求d，设d=1.0m，代入上式得故求得该管道直径d=1.0m。通常第一次所设直径不会恰好是方程的解，一般需经过多次试算。若试算所得结果并不是整数时，应采用与之相接近的规格产品。二、长管水力计算（一）简单管路的水力计算直径与流量沿程不变的管路称为简单管路。以管道出口断面2-2形心的水平面为基准面，对水池内符合渐变流条件的1-1断面与2-2断面列能量方程该式表明：长管的全部作用水头都消耗在沿程水头损失上，其总水头线是一连续下降的直线。(1)按比阻计算令：则：A——比阻，表示单位流量通过单位长度管道所需要的作用水头。A值的大小取决于λ与d。计算λ值的公式有很多种，最常用的两种。1)舍维列夫公式2）曼宁公式1)舍维列夫公式适用范围——旧钢管、旧铸铁管a.当v≥1.2m／s，t=10℃(阻力平方区)b.v<1.2m／s时，t=10℃(过渡区)K——修正系数，A值的修正系数K值表4.3v（m/s）0.200.250.30.350.40.450.50.550.6K1.411.331.281.241.21.1751.151.131.115v（m/s）0.650.70.750.80.850.91.01.1≥1.2K1.101.0851.071.061.051.041.031.0151.0旧钢管、旧铸铁管的比阻A值表4.4旧钢管旧铸铁管直径（mm）A（流量以m3/s计）直径（mm）A（流量以m3/s计）125106.2501519015044.957517092009.273100365.32502.583125110.83000.939215041.853500.40782009.0294000.20622502.7524500.10893001.0255000.062223500.45296000.023844000.22327000.011504500.11958000.0056655000.068392）曼宁公式适用范围——钢筋混凝土管道、紊流粗糙区的一般管流输水管道比阻A值表4.5(2)按水力坡度计算对于旧钢管、旧铸铁管，当水温t=10℃，a.当v≥1.2m／s，t=10℃(阻力平方区)b.v<1.2m／s时，t=10℃(过渡区)铸铁管的J和v值（部分）表4.6对于钢筋混凝土管道，通常采用谢才公式计算水力坡度亦可编制出相应的水力坡度计算表以简化计算简单管路水力计算的基本类型(1)已知作用水头H、管道长度、管材、管径d，求流量Q。(2)已知流量Q、管道长度、管材、管径d，求作用水头H。(3)已知流量Q、作用水头H、管道长度l、管材，求管径d。例5-7由水塔向厂区供水。采用铸铁管，管长2500m，d=450mm，水塔地面标高▽1=100m，水塔水面距地面的高度H0=20m，工厂地面标高▽2=85m，工厂要求的自由水压Hz=25m。试求管道通过的流量【解】（1）按比阻计算以标高为零处做基准面，从水塔液面到车间供水点列方程。长管要忽略管路末端的流速水头。自由水压的含义是供水末端压强水头的余量Hz=p2/γ=25mz1z2作用水头查得450mm铸铁管，A=0.1195s2/m6，校核阻力区说明水流处于紊流过渡区，比阻A需修正。查表，但v=1.15m/s时，通过内插计算，K=1.0075，故修正后的流量（2）按水力坡度计算查表，d=450mm，J=0.004时，例5-8在上题中，管线布置情况，地面标高及工厂自由水压保持不变，若将供水量增至Q=200L/s，试设计水塔高度H0。【解】故为阻力平方区，A值不需要修正由水塔高度例题5-9采用内壁涂水泥砂浆的铸铁管输水（n=0.012），已知作用水头H=25m，管长l=2500m，要求通过流量Q=0.195m3/s，试选择输水管直径d。解：查表5-6，n=0.012当d=400mm，A1=0.196s2/m6当d=350mm，A2=0.401s2/m6因为A1标准

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