《流体力学》第五章孔口管嘴管路流动教程文件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第五章 孔口管嘴管路流动,第一节 孔口自由出流,5.1,孔口自由出流,在容器侧壁或底壁上开一孔口,容器中的液体自孔口出流到大气中,称为孔口自由出流.,收缩断面：C-C断面,薄壁孔口：出流流股与孔口壁接触仅是一条周线，这种条件的孔口称为薄壁孔口。,厚壁孔口（管嘴）：若孔壁厚度和形状促使流股收缩后又扩开，与孔壁接触形成面而不是线，这种孔口称为厚壁孔口或管嘴。,5.1,孔口自由出流,下面讨论薄壁孔口的出流规律,5.1,孔口自由出流,令,5.1,孔口自由出流,H,0,称为作用水头,是促使出流的全部能量。一部分用来克服阻力而损失，另一部分变成C-C断面上的动能使之出流。,具有自由液面，自由出流时H,0,=H,则有,5.1,孔口自由出流,令,称为速度系数，是实际流体的速度与理想流体的速度的比值。,5.1,孔口自由出流,A,c,收缩断面的面积。由于一般情况下给出孔口面积，故引入收缩系数,称,为流量系数。上式即,孔口自由出流的基本公式,。,收缩系数,因孔口开设的位置不同而造成收缩情况不同，因而有较大的变化。,非全部收缩时的收缩系数比全部收缩时的大，其流量系数也相应增加。,完善收缩与不完善收缩,5.1,孔口自由出流,孔口收缩与位置关系,第二节 孔口淹没出流,当液体通过孔口出流到另一个充满液体的空间时称为淹没出流令,5.2,孔口淹没出流,1,2,1,:液体经孔口处的局部阻力系数,2,:液体在收缩断面之后突然扩大的局部阻力系数,则出流流量为：,1,：液体经孔口处的局部阻力系数,2,：液体在收缩断面之后突然扩大的局部阻力系数,因为：,2,约等于1，所以淹没出流速度系数 ：,与自由出流速度系数相比，其值相等，但含义不同,。,5.2,孔口淹没出流,1,2,5.2,孔口淹没出流,上式即淹没出流流量公式。与自由出流的公式相同，但自由出流时上游的速度头全部转化为作用水头，而淹没出流时，仅上下游速度头之差转换为作用水头。,具有自由液面的淹没出流，作用水头为：,当上下游高度一定时，出流流量与孔口在液面下开设的位置高低无关。,1,2,具有表面压强(相对压强)的有压容器,液体经孔口出流,流量的计算为:,当自由出流时:,5.2,孔口淹没出流,当淹没出流时:,孔口,淹没,出流,1,：液体经孔口处的局部阻力系数,2,：液体在收缩断面之后突然扩大的局部阻力系数,孔口,自由,出流,气体出流一般为淹没出流,但用压强差代替水头差：,5.2,孔口淹没出流,孔板流量计：在管道中装设孔板，测得孔板前后渐变断面上的压差，即可求得管中流量。,5.2,孔口淹没出流,因为:,孔板流量计的流量系数是通过实验测定出来的，工程中一般通过查图获得。,5.2,孔口淹没出流,例5-1：有一孔板流量计，测得,p=50mmH,2,O,管道直径为D=200mm,孔板直径为d=80mm,试求水管中流量Q。,解：此题为淹没出流,5.2,孔口淹没出流,若认为流动处于阻力平方区，流量系数与雷诺数无关，由图查得流量系数：,校核雷诺数,Re=210,4,例5-2：如上题，孔板流量计装在气体管路中，测得,p=50mmH,2,O,其D、d尺寸同上例，求气体流量Q。,解：此题为气体淹没出流,5.2,孔口淹没出流,例5-3：房间顶部设置夹层，把处理过的清洁空气用风机送入夹层中，并使层中保持300Pa的压强。清洁空气在此压强作用下，通过孔板的孔口向房间流出，这就是孔板送风（如图示）求每个孔口出流的流量及速度。孔的直径为1cm。(由手册可知孔板流量系数0.6，速度系数0.97),5.2,孔口淹没出流,解：,空气密度取1.2kg/m,3,孔口流量公式：,孔口速度公式：,第三节 管嘴出流,5.3,管嘴出流,=3-4d或外接l=3-4d圆管,水流入管嘴时也存在收缩断面C-C，尔后流股逐渐扩张，至出口断面上完全充满管嘴断面流出。,管嘴出现真空现象，出流流量大于孔口出流。,5.3,管嘴出流,列,A-A,及,B-B,断面的能量方程，以管嘴中心线为基准线,：,令：,则：,5.3,管嘴出流,由于出口断面B-B完全充满，,=1，则,：,从局部阻力系数图4-23中查得锐缘进口,=0.5,管嘴真空现象及真空值通过,C-C,与,B-B,断面列能量方程得到证明：,5.3,管嘴出流,h,l,=突扩损失+沿程损失,5.3,管嘴出流,从突然扩大的阻力系数计算公式可得：,当,时,5.3,管嘴出流,外管嘴正常工作的条件：,H,0,越大，收缩断面上真空值越大，为保证管嘴的正常出流，真空值必须控制在7mH,2,O以下，从而决定了作用水头H,0,的极限值为7/0.75=9.3m,管嘴长度也有一定极限值：,太长阻力大，使流量减少。,太短则流股收缩后来不及扩大到整个断面而呈非满流流出，仍如孔口一样，因此一般取管嘴长度为3-4d.,其他类型管嘴出流：,其他类型管嘴出流，速度、流量计算公式与圆柱形外管嘴公式形式相同，但速度系数、流量系数各不相同。工程中常用的几种管嘴有：,5.3,管嘴出流,流线形管嘴：适用于要求流量大，水头损失小，出口断面上速度分布均匀的情况。,收缩圆锥形管嘴：适用于要求加大喷射速度场合。,扩大圆锥形管嘴：适用于要求将部分动能恢复为压能的情况。,水流图形演示,例5-4：液体从封闭的立式容器中经管嘴流入开口水池，管嘴直径d=8cm,h=3m,要求流量为5*10,-2,m,3,/s.试求作用于容器内液面上的压强是多少？,解：按管嘴出流流量公式,5.3,管嘴出流,P,H,H,a,2,1,P,H,H,a,2,1,P,H,H,取,=0.82，则：,5.3,管嘴出流,a,2,1,P,H,H,5.4,简单管路,第四节 简单管路,5.4,简单管路,第四节 简单管路,简单管路：,具有相同管径，相同流量的管段。,它是组成各种复杂管路的基本单元。,1,1,2,2,3,3,4,4,5.4,简单管路,当忽略自由液面速度，且出流至大气时，列能量方程为：,5.4,简单管路,代入上式：,令,则：,因出口局部阻力系数,=1，将其包括到中去，则为：,对于气体管道，常用压强表示：,无论是S,H,还是S,p,对于一定的流体，在d,l已给定时，S只随,，变化。当流动属于,紊流粗糙区,时，,仅与k/d有关，所以,在管路的管材已定的情况下，,值可视为常数,。,项中只有进行调 节的阀门的可以改变，而其他局部构件已确定局部阻力系数是不变的。,5.4,简单管路,5.4,简单管路,S,H,、S,p,对已给定的管路是一个定数，它综合反映了管路上的沿程和局部阻力情况，称为,管路阻抗,。,简单管路中，总阻力损失与体积流量平方成正比。,5.4,简单管路,例5-5：某矿渣混凝土板风道，断面积为1m*1.2m,长为50m，局部阻力系数,=2.5，流量为14m,3,/s,空气温度为20，求压强损失。,：查莫迪图,5.4,简单管路,如果是闭式水系统水泵扬程又为多少？,水泵向压力水箱送水简单管路：,5.4,简单管路,如果是闭式水系统水泵扬程又为多少？,5.4,简单管路,虹吸管：,管道中一部分高出上游供水液面的简单管路。,上式即为虹吸管流量计算公式,5.4,简单管路,由于虹吸管的一部分高出上游供水液面，必然在虹吸管中存在,真空区段,，当真空达到某一限值时，将使溶解在水中的,空气分离,出来，随着真空度的加大，空气量增加，缩小了有效过流断面阻碍流动，严重时造成,气塞,。因此，为保证虹吸管正常流动，必须限定管中最大真空高度不得超过允许值（7-8.5m)。,取管中真空度最大处与1-1断面列能量方程,5.4,简单管路,例5-6：H=2m,l,1,=15m,l,2,=20m,d=200mm,e,=1,b,=0.2,0,=1,=0.025,允许真空度为7m,求流量及管顶最大允许安装高度。,5.5,管路的串联与并联,第五节 管路的串联与并联,串联管路,Q,1,=Q,2,=Q,3,并联管路,Q=Q,1,+Q,2,+Q3,串联管路的计算原则：无中途分流或合流，则流量相等，阻力叠加。总管路的阻抗等于各管段的阻抗叠加。,5.5,管路的串联与并联,串联管路,5.5,管路的串联与并联,并联各支管上的阻力损失相等。总的阻抗平方根倒数等于各支管阻抗平方根倒数之和。,并联管路,5.5,管路的串联与并联,此式为,并联管路流量分配规律,。,5.5,管路的串联与并联,例5-7:某两层楼供暖立管，管段的直径为20mm,总长为20m,=15，管段2的直径为20mm,总长为10m,=15，管路中的=0.025,干管中的流量为1*10,-3,m,3,/s,求两支管中的流量.,第六节 管网计算基础,枝状管网,环状管网,A,B,C,D,G,F,E,5.6,网管计算基础,管网由简单管路、并联、串联管路组合而成，分为：,5.6,网管计算基础,枝状管网,风机应具有的风量为:,通常以管段最长,局部构件最多的一支参与阻力叠加,其余的进行阻力平衡计算。,风机应具有的压头为:,5.6,网管计算基础,常遇到的水力计算,基本有两类:,管路布置已定,则管长和局部构件的型式和数量已定,已知,各用户所需,流量,和末端要求的,压头,求管径和作用压头。,已有泵或风机,即,已知作用水头,并知用户所需,流量,及末端,水头,在管路布置之后已知,管长,求管径。,限定流速法,当量长度法,5.6,网管计算基础,环状管网,任一节点流入和流出的流量相等。,在任一闭合环路中，如规定顺时针方向的流动的阻力为正，反之为负，则各管段阻力损失的代数和必等于零。,A,B,C,D,G,F,E,1、,将管网分成若干环路。按节点流量平衡确定流量，选取限定流速，定出直径。,2、,根据流量与损失在环路中的正负值，求出每一环路的总损失。,3、,若计算出的环路总损失不为零，则每段管路应加上校正流量。,4、,用同样的程序算出第二次校正后的流量直至环路总损失满足工程精度要求为止。,5.6,网管计算基础,G,A,B,E,F,H,C,D,Q,I,II,III,哈迪.克罗斯法,校正流量的计算：,5.6,网管计算基础,略去二阶微量,对于整个环路应满足 ，则,5.6,网管计算基础,例5-8：如图求第一次校正后的流量。,解,：取ABCD为环路1，CDEF为环路2，按顺时针绕行,（1）按,Q,i,=0分配流量,从A点和最远点F点分配，可假设。,（2）计算各管段损失并填表,注意正负号,（3）计算校正,流量,Q,注意公共段CD,5.6,网管计算基础,5.6,网管计算基础,环路,管段,假定流量,Q,i,S,i,h,i,h,i,/Q,i,Q,管段校正流量,校正后的流量,Q,i,校正后的,h,i,1,AB,+0.15,59.76,+1.3346,8.897,-0.0014,-0.0014,0.1486,1.3196,BD,+0.10,98.21,+0.9821,9.821,-0.0014,0.0986,0.9548,DC,-0.01,196.42,-0.0196,1.960,-0.0014,-0.0175,-0.0289,-0.1641,CA,-0.15,98.21,-2.2097,14.731,-0.0014,-0.1514,-2.2512,0.0874,35.410,-0.1409,环网计算表,5.6,网管计算基础,环路,管段,假定流量,Q,i,S,i,h,i,h,i,/Q,i,Q,管段校正流量,校正后的流量,Q,i,校正后的,h,i,2,CD,+0.01,196.42,+0.0196,1.960,0.0175,+0.0175,+0.0014,0.0289,0.1641,DF,+0.04,364.42,+0.5830,14.575,+0.0175,0.0575,1.2049,FE,-0.03,911.05,-0.8199,27.330,+0.0175,-0.0125,-0.1424,EC,-0.08,364.42,-2.3323,29.154,+0.0175,-0.0625,-1.4235,-2.5496,73.019,-0.1969,第七节 有压管中的水击,有压管中运动着的液体，由于阀门或水泵突然关闭，使得液体速度和动量发生急剧变化，从而引起液体压强的骤然变化，这种现象称为,水击,，也称,水锤,。,由于水击而产生的压强增加可能达到管中原来正常压强的几十倍甚至几百倍，危害性很大，严重时会使管路发生破裂。,5.7 有压管中的水击,5.7 有压管中的水击,1.水击的物理过程,第一阶段,水击波的传递速度,c,在,t,=,l,/,c,时到达管道口,第二阶段,在,t,=2,l,/,c,时到达阀门,c,c,5.7 有压管中的水击,第三阶段,在,t,=3,l,/,c,时到达管道口,第四阶段,在,t,=4,l,/,c,时到达阀门,c,c,5.7 有压管中的水击,循环、衰减,c,c,c,c,水击演示,阀门的突然关闭只是水击现象产生的外界条件，液体本身具有可压缩性和惯性才是发生水击现象的内在原因。,理想情况下的水击压强,实际情况下的水击压强,5.7 有压管中的水击,5.7 有压管中的水击,最大压强按儒柯夫斯基公式计算。,直接水击,防止水击危害的方法：,增加管路关闭时间，使过程延长。,过载保护。如安全瓣等。,减小管道长度和增加管道弹性。,间接水击,1、水平管路直径由d,1,=24cm突然扩大为d,2,=48cm，在突然扩大的前后各安装一测压管，读得局部阻力后的测压管比局部阻力前的测压管水柱高出h=1cm，试求管中流量Q。,2、管路直径d=25mm,l,1,=8m，l,2,=1m，H=5m，喷嘴直径为d,0,=10mm，管道入口,1,=0.5，弯头,2,=0.1，喷嘴,3,=0.1，,=0.03。试求喷水高度h。,3、蒸汽机冷却水经过两个串联的区段,每个区段由250根并联的黄铜管组成,，每根黄铜管长为l=5m,d=16mm,入口和出口的局部阻力系数为0.5和1，并考虑沿程损失，水的运动粘度为,=0.009cm,2,/s，水的流量Q=360m,3,/h，试求水头损失。已知黄铜管K=0.0015mm。,4、两水箱之间用三根不同直径、相同长度的水平管道1、2、3相连接，已知d,1,=10cm，d,2,=20cm，d,3,=30cm，Q,1,=0.1m,3,/s，三管沿程阻力系数相等，试求Q,2,，Q,3,。,5、用等径直管输送液体，如果流量不变，管长不变，液体粘度不变，将管道直径减小一半，试问在层流和紊流平方阻力区两种情况下，其压强损失比原来增大多少倍？,6、水泵站用一根直径为60cm的输水管时，沿程损失水头为27m，为了降低水头损失，取另一根同长度的管道与之并联，并联后水头损失降为9.6m，假定两管的沿程阻力系数相同，两种情况下的总流量不变，试求新加的管道的直径是多少？,