最新孔口管嘴出流和有压管流案例课件PPT.ppt 112页

'孔口管嘴出流和有压管流案例 【教学基本要求】3了解复杂管道的特点和计算方法。1掌握有压管流基本特点：长管、短管流动的条件。2掌握简单管道水力计算和水头线的绘制：管道内压强分布。4了解有压管道的水击现象、分类和直接水击压强计算。第七章孔口、管嘴出流和有压管流2021/8/182中国矿业大学（北京）地下工程系 【学习重点】孔口出流、管嘴出流与有压管流是工程中最常见的流动现象，研究这三种流动现象的基本特性与计算方法具有重要的工程实际意义。本章重点掌握简单管道的水力计算。(1)孔口出流：给排水工程中的取水孔口、泄水孔口中的水流，通风工程中通过门、窗气流，某些流量量测设备中的流动；(2)管嘴出流：消防水枪、水力机械化施工用的水枪；(3)管道流：市政建设、给水排水、采暖通风、交通运输、水利水电等工程中最常见的流动。第七章孔口、管嘴出流和有压管流2021/8/183中国矿业大学（北京）地下工程系 第一节孔口出流2、按孔口的作用水头是否稳定：自由式出流；淹没式出流。厚壁孔口出流。薄壁孔口出流；恒定孔口出流；非恒定孔口出流。3、按出流后周围的介质情况：4、按孔壁对出流的影响：2021/8/187中国矿业大学（北京）地下工程系 第一节孔口出流H2021/8/188中国矿业大学（北京）地下工程系 第一节孔口出流列A-A、C-C断面能量方程H0——自由出流的作用水头二、薄壁小孔口恒定自由出流2021/8/189中国矿业大学（北京）地下工程系 第一节孔口出流物理意义：促使流体克服阻力，流入大气的全部能量特例　自由液面：PA=Pa，液面恒定：vA=0收缩断面流速φ——孔口的流速系数，φ=0.97。2021/8/1810中国矿业大学（北京）地下工程系 第一节孔口出流孔口流量全部收缩（完善收缩、不完善收缩）部分收缩（不完善收缩）2021/8/1811中国矿业大学（北京）地下工程系 第一节孔口出流CgHvf=20gHAQm=20efm=CAAe=CCaxf+=1其中：1、流量公式：φ=0.97μ=0.62；ε=0.64；对薄壁圆形完善收缩小孔口：结论2021/8/1812中国矿业大学（北京）地下工程系 第一节孔口出流列上下游液面能量方程ζse=1——突然扩大阻力系数H0——淹没出流的作用水头三、薄壁小孔口恒定淹没出流2021/8/1813中国矿业大学（北京）地下工程系 第一节孔口出流物理意义：促使流体克服阻力流入到下游的全部能量特例：P1=P2=Pa，v1=v2=0收缩断面流速孔口流量与自由出流一致H0与孔口位置无关2021/8/1814中国矿业大学（北京）地下工程系 第一节孔口出流1、流量公式：2、自由式与淹没式对比：1>公式形式相同；2>φ、μ基本相同，但H0不同；3>自由出流与孔口的淹没深度有关，淹没出流与上、下游水位差有关。结论2021/8/1815中国矿业大学（北京）地下工程系 第一节孔口出流Hv0zv0v2H0=H+2gv02自由式：淹没式：H0=z+2gv022gv22－2021/8/1816中国矿业大学（北京）地下工程系 第一节孔口出流考考你：请写出图中两个孔口Q1和Q2的流量关系式（A1=A2)。图1：Q1Q2；图2：Q1Q2。（填>、<或＝）2021/8/1817中国矿业大学（北京）地下工程系 第一节孔口出流（3）孔口的位置（对收缩系数有直接的影响）。（1）孔口的形状；（2）孔口的边缘情况；3、几种孔口的收缩形式自阅全部收缩不全部收缩完善收缩、不完善收缩四、影响孔口出流的边界因素：aL≥3aL≥3a2021/8/1818中国矿业大学（北京）地下工程系 第一节孔口出流解决的问题：只对作用液面缓慢变化的情况进行讨论。充水、泄水所需时间问题。1、公式推导：将液面高度的变化划分成无数微小时段，每一微小时段作恒定流处理。F-=dhdV=dtQ×dtghA2m流出体积液面减少的体积五、孔口的变水头出流孔口的变水头出流：孔口出流（或入流）过程中，容器内水位随时间变化（降低或升高），导致孔口的流量随时间变化的流动。2021/8/1819中国矿业大学（北京）地下工程系 第一节孔口出流-F=][2221HHgAtmmax11222QVgHAHt=F=m2、充、泄水时间：容器中无液体流入的自由出流或上游恒定，下游液面改变的淹没出流。3、容器放空时间20H=H1H22021/8/1820中国矿业大学（北京）地下工程系 第一节孔口出流六、应用举例例贮水罐（如图）底面积3m×2m，贮水深H1=4m，由于锈蚀，距罐底0.2m处形成一个直径d=5mm的孔洞，试求(1)水位恒定，一昼夜的漏水量；(2)因漏水水位下降，一昼夜的漏水量。2021/8/1821中国矿业大学（北京）地下工程系 第一节孔口出流解（1）水位恒定，一昼夜的漏水量按薄壁小孔口恒定出流计算其中μ=0.62代入上式得一昼夜的漏水量2021/8/1822中国矿业大学（北京）地下工程系 第一节孔口出流（2）水位下降，一昼夜的漏水量按孔口变水头出流计算解得一昼夜的漏水量2021/8/1823中国矿业大学（北京）地下工程系 第二节管嘴出流1、管嘴出流：在孔口处对接一个3—4倍孔径长度的短管，水体通过短管并在出口断面满管流出的水力现象。2、流体经圆柱形管嘴或扩张管嘴时，由于惯性作用，在管中某处形成收缩断面，产生环行真空，从而增加了水流的抽吸力，使其出流量比孔口有所增加。2021/8/1824中国矿业大学（北京）地下工程系 第二节管嘴出流一、圆柱形外管嘴恒定自由出流（1）推导：H0——作用水头2c2v0HcvH222021/8/1825中国矿业大学（北京）地下工程系 第二节管嘴出流流速流量真空的抽吸作用，流量增加对锐缘进口的管嘴，ζ=0.5，2021/8/1826中国矿业大学（北京）地下工程系 第二节管嘴出流（2）公式：022gHvf=02gHAQm=82.0==fm（3）与孔口的对比：1>公式形式相同，但系数不同：孔口：μ=0.62φ=0.97ε=0.64管嘴：μ=φ=0.82ε=12>H0相同时，若A也相同，则管嘴出流是孔口出流量的1.32倍。2021/8/1827中国矿业大学（北京）地下工程系 第二节管嘴出流ρgvρgvpρgvpaccc2222222222++=+xaρgaρg二、收缩断面的真空1>对C—C，2—2列方程：ρgvvc2)(22-=2hj2=xv222ρg2c2v0Hcv可作为突然扩大处理2021/8/1828中国矿业大学（北京）地下工程系 第二节管嘴出流=075.0Hpvρg在C—C处形成0.75H0真空度。2>真空计算：H0≤9mH0O水柱；L≈（3～4）d。水柱时，管内液体pvγ>7mH0O实验证明：将气化，吸入空气，破坏真空。三、圆柱形外接管嘴正常工作的条件：2021/8/1829中国矿业大学（北京）地下工程系 第二节管嘴出流问题：孔口、管嘴若作用水头和直径d相同时，下列那些是正确的：A.Q孔u嘴；C.Q孔>Q嘴，u孔>u嘴；D.Q孔>Q嘴，u孔公式形式一致；2>H0意义不同：自由式与淹没式二者比较：自由式——出口断面形心点的总作用水头。淹没式——上、下游过流断面总水头差。淹没式：H0=H+2gαv02自由式：2021/8/1844中国矿业大学（北京）地下工程系 第三节短管的水力计算三、水头线绘制。测压管水头线终止端：1.自由出流时管轴上；2.淹没出流时 自由液面上。注：若沿程流速不变是均匀流时，测压管水头线与总水头线平行。2021/8/1845中国矿业大学（北京）地下工程系 第三节短管的水力计算问题1：图示两根完全相同的长管道，只是安装高度不同，两管道的流量关系为：（C）A.Q1Q2；C.Q1=Q2；D.不定2021/8/1846中国矿业大学（北京）地下工程系 第三节短管的水力计算问题2：已知一水箱外接一长L的短管，自由出流时如图A，其流量为Q1；淹没出流时如图B，其流量为Q2，则Q1与Q2的关系为：（A）A.Q1=Q2；B.Q1>Q2；C.Q11000d特点：（1）局部损失、流速水头可忽略；（2）总水头线与测压管水头线合。H总水头线与测压管水头线2021/8/1860中国矿业大学（北京）地下工程系 第四节长管的水力计算22528alQlQdg==pl22gvdlfhH==l一、简单长管的水力计算1、计算式：H2021/8/1861中国矿业大学（北京）地下工程系 第四节长管的水力计算2、比阻a的计算：a=f(d，λ)管道比阻在实际工程中，有压管流多在紊流粗糙区和过渡区，故可按下列方法计算a值。土木工程中通用的公式（谢才公式）：可以制成表，查表求得a。阻力平方区紊流过渡区2021/8/1862中国矿业大学（北京）地下工程系 第四节长管的水力计算二、串联管路——由数段管径不同的管段首、尾相接所联成的管路。1、装置：q1q2hf１hf2hf3总水头线、测压管水头线2021/8/1863中国矿业大学（北京）地下工程系 第四节长管的水力计算2、特点：3＞全部的能量用于管路消耗．1＞可按长管计算；2＞总水头线为数条折线；2021/8/1864中国矿业大学（北京）地下工程系 第四节长管的水力计算3、计算：（1）流量：符合连续性方程，即流入节点的流量等于流出节点的流量。H=∑hfi=∑ailiQi2=∑SiQi2即：总损失等于各段损失之和。（2）水头：式中Si为管段的抗阻，Si=aili。2021/8/1865中国矿业大学（北京）地下工程系 第四节长管的水力计算4、应用（1）已知：Qi，di，li，qi。求：H三类水力问题的解决校核计算方法：H=∑hfi2021/8/1866中国矿业大学（北京）地下工程系 第四节长管的水力计算校核计算，扩建工程求：各管段的流量Qi。（2）已知：H,di,Li,qi。1>管段较少时，可直接利用H、Q公式，2>管段较多时，可利用试算法：方法：列方程组。2021/8/1867中国矿业大学（北京）地下工程系 第四节长管的水力计算nifnllHhå=设末端管路：ilHå全段平均坡降：末端流量：验算：∑hfi＝ailiQi2＝（？）再依次推算前段各流量。如不合适，再调整hfn，重复以上步骤，直至合适。2021/8/1868中国矿业大学（北京）地下工程系 第四节长管的水力计算（3）已知：H,Q（或各管段Qi，qi），di,Li。求：某一管段的dx。扩建或返修方法：1>先计算已知各段：∑hfi=∑ailiQi24>最后选择标准管径。3>再求dx(试算、辅助曲线)。2>再计算所求段：hfx=H－∑hfi2021/8/1869中国矿业大学（北京）地下工程系 第四节长管的水力计算AB123三、并联管路——在两个节点之间并设几条管段。1、装置：（1）增加了供水的可靠性；（2）两节点间的能量损失相等。2、特点：2021/8/1870中国矿业大学（北京）地下工程系 第四节长管的水力计算（2）能量：hf1=hf2=hf3=hfAB（1）流量：Q流入=Q流出=Q1+Q2+Q33、计算：4、应用：三类计算同串联2021/8/1871中国矿业大学（北京）地下工程系 通过流量(转输流量)：每根管段间通过不变的流量。途泄流量(沿线流量)：工程中沿管长由开在管道上的孔口泄出的流量，最简单的是沿程均匀泄流管道(单位长度上泄出相等流量)。如图7-17设沿程均匀泄流管段长l，直径d，通过流量Qz，总途泄流量Qt。x处取dx管段，该管段Qx不变，水头损失按简单管道计算，即管段直径、粗糙一定，流动处于粗糙区，比阻a常量，上式积分得(7-25)近似写为(7-26)若管段Qz=0，由式(7-25)得(7-27)供水、供热、供气、通风系统常将数段管道组合成管网，如图7-19，分为枝状管网、环状管网两类，具体计算参照相关专业教材。P189例7-9（水塔供水，求作用水头）四、沿程均匀连续泄流 第五节有压管道中的水击一、水击现象水击(水锤)：有压管道中由于阀门突然开启、关闭或水泵突然关闭，使水流流速急剧变化，引起管内压强发生大幅波动的现象。水击压强为正常压强几十倍或几百倍，导致长管系统破坏(振动、噪声、阀门、接头、变形、爆裂)。(1)水击发生的原因v0、p0阀门突然关闭v0=0、p0+△p管道内水流速度突然变化(阀门突然关闭)是引发水击的条件，水本身具有惯性和压缩性则是发生水击的内在原因。水击压强正水击：当管道阀门迅速关闭，管中流速迅速减小，压强显著增大的水击。负水击：当管道阀门迅速开启时，管中流速迅速增大，压强显著减小的水击。2021/8/1873中国矿业大学（北京）地下工程系 水击波传播过程中，管道各断面流速、压强随时间变化，所以水击过程是非恒定流。图7-22是阀门断面△p—t曲线，但实际水击波传播过程中，能量不断损失，水击压强迅速衰减，图7-23是阀门断面实测的△p—t曲线。(2)水击波的传播过程第一阶段(0＜t＜l／c,增压逆波)：增压波从阀门向管道进口传播,v0=0、p0+△p。第二阶段(l／c＜t＜2l／c,减压顺波)：减压波从管道进口向阀门传播,-v0、p0。第三阶段(2l／c＜t＜3l／c,减压逆波)：减压波从阀门向进口传播,v0=0、p0-△p。第四阶段(3l／c＜t＜4l／c,增压顺波)：增压波从管道进口向阀门传播,v0、p0。水击波：水击以波的形式传播，c为水击波波速。相长(T＝2l／c)：阀门开始关闭至水击波返回至阀门所需时间。第五节有压管道中的水击2021/8/1874中国矿业大学（北京）地下工程系 水击过程的物理特性阶段时段流速变化流速方向压强变化水击波传播方向运动状态液体状态一02l／c)由于正、负水击相互作用，精确计算更为复杂，多用数值求解。工程设计中常用下式计算间接水击压强。或(7-31)Tz—阀门关闭时间 三、水击波的传播速度考虑到水的压缩性和管壁弹性变形，得水管中水击波传播速度(推导略)(7-32)K—水的体积模量，K=2.1×109N／m2E—管壁材料的弹性模量，见表7-4d—管道直径δ—管壁厚度c0—水中声波的传播速度，10℃、1～25大气压时，c0=1435m／s对于液体，K、ρ对温度、压强变化不敏感，c只取决于管壁特性。如普通钢管、v0=1.0m／s，有c=1000m／s，直接水击压强△p≈106Pa，可见直接水击压强很大。 四、防止水击危害的措施水击危害：管道较长、声速较大或阀门关闭时间较短的条件下，水击产生幅度很大的高压与低压。高压造成管道爆裂破坏，低压使水体汽化形成的气囊造成破坏性振动，流速、压强周期性波动引起部件的振动而产生变形损坏。防止产生水击破坏的措施：(1)缩短有压管道的长度(明渠代替有压管道)，采用E小的材质；(2)尽量延长阀门关闭或开启时间；(3)降低管内流速；(4)设置水击过载保护装置。如靠近阀门设置调压塔、调压室、安全阀与压力调节阀P195例7-10（输水管道水击） 补例某压力引水钢管上游与水池相联，下游管末端设阀门控制流量。已知管长l=600m，管径d=2400mm，管壁厚δ=20mm，水头H0=200m，c0=1435m/s。阀门全开时管中流速v0=3m/s。阀门在Tc=1s和Tc=2s内全关完，此时管内发生水击，求阀门处各水击压强。[解]水击波的传播速度①Tz=1s