10有压管道中的非恒定流(精)

第十章 有压管道中的非恒定流第一节有关管道中非恒定流在工程中会经常碰到，例如 水泵在突然停电时迅速停止运行； 有压管出口闸门突然关闭； 水轮机电力系统负荷改变，需迅速调节导水叶或阀门，使水电站引水管中流量迅速改变。

非恒定流：有压管中流速发生急剧变化，液体压强产生迅速的交替升降且变化巨大（突然增或降，可达上百个大气压）。

管道发生强烈振动、 噪声、管道变形，甚至爆裂如同用锤子敲击管壁、阀门、或管路其他元件，称这种现象水击或水锤。

因此，有压管道设计中必须进行水击计算，以确定最大和最小水击压强， 并采取防止或消弱水击的工程措施。

常采用的工程措施之一就是在管道系统中修建调压、井（室）注意：非恒定流动中液体质点的运动要素随时间变化。

例如，一元非恒定流中()t s v v ,=()t s p p ,= ),(t x A A = ),(t x ρρ=考虑运动要素随时间变化而引起的惯性力作用 考虑液体压缩性和管壁弹性变形原因：水击时，管道中流速和压强急剧变化，致液体和管道犹如弹簧元件似的被压缩或膨胀本章目的 ：分析水击现象的物理实质；水击压强的计算方法 。

第一节 一维非恒定流动的基本方程组（略）第二节 水击现象一、阀门突然关闭情况下有压管道中的水击现象图中给出一个长L 、管径与管壁厚度不变的简单管路,管道进口B 与水库相连，末端设一阀门A ,设流速水头和水头损失不计，则恒定流时测管水头线与库水面平齐。

管中平均流速和压强为p 0 和v 0.考虑闸门突然完全关闭（关闭时间为零），不考虑液体压缩性和管壁弹性，整个管路中流速同时为零0→v ,在水流惯性作用下， 管中压强全部同时升高至无穷大∞→p .但关闭闸门需要一定时间， 液体具有压缩性， 管壁有弹性， 对水击起到缓冲作用。

因此，管路中各处流速并不是同时为零，压强也不是立即同时升高到一定的数值，而是从闸门向上游一个断面一个断面地逐渐变为零。

因此，必须考虑液体压缩性和管壁弹性.典型的水击过程可分为四个阶段 :(1)c /L t 0<<; (2)c /2L t c /L <<; (3)c /3L t c /2L <<; (4) c /4L t c /3L <<（1）闸门突然关闭水击的第一阶段 阀门突然关闭，紧靠阀门处的微小液层立即停止流动,流速突然减小至零，使该层水流的动量发生突然变化，但 d l 层上游液体未停止流动，仍以速度v 0向前流动，当碰到静止液层时，也像碰到阀门一样速度立即变为零，压强升高Δp ，液体压缩，管壁膨胀。

1.质量力——某种力场作用在全部流体质点上的力，其大小和流体的质量或体积成正比。

2.连续介质——认为流体质点全部充满作战空间，没有间隙存在，其物理性质和运动要素都是连续分布的。

3.当量直径——把水利半径相等的远观直径定义为非圆管的当量直径。

4.渗流模型——在保持渗流区原有的边界条件和渗流量不变的条件下，把渗流看成是由液体质点充满全部渗流区的连续总流动。

5.边界层——高雷诺数绕流中紧贴物面的粘性力不可忽略的流动薄层。

6.堰流——明渠无压缓流经某种障碍时，上有发生壅水，从障碍上溢流时水面跌落。

这一局部水流现象称为堰流。

7.流体质点——指微观上足够大，宏观上充分小的流体分子团。

8.理想流体——没有粘性、不可压缩的流体。

9.伯努力方程使用条件：（1）、不可压缩流体（2）、重力场（3）、恒定流（4）、过流断面是渐变流（5）、流量沿程不变（6）、Z1和Z2的取值是过流断面某一定点在同一基准面上的高度（7）、P1和P2可以都用绝对压强也可以都用相对压强。

10.明渠流动的条件：明渠均匀流只能出现在底坡不变、断面形状、尺寸、壁面粗糙系数都不变的长直顺坡渠道中。

11.明渠流动的特征：（1）、过断的形状、尺寸及水深沿程不变（2)、过水断面上的流速分布断面平均流速沿程不变（3）、总水头线、水面线及渠底线相互平行12.渗流模型——在保持渗流区原有的边界条件和渗透流量不变的条件下、把渗流看成是由液体质点充满全部渗流区的连续总流动，这就是渗流模型。

13.流线：某一确定时刻t，在流场中一定有这样的曲线存在，使得曲线上各点处的流体质点的流速都在切线方向，这样的曲线就叫做该时刻t的流线。

14.长管：在水力计算中，管道沿程阻力远远大于局部阻力，局部阻力可以忽略不计的管道15.水跃：明渠水流从急流过渡到缓流状态时，会产生一种水面突然跃起的特殊局部水里现象，既在较短的渠段内水深从小于临界水深急剧地跃到大于临界水深的现象。

16.水跌：明渠水流从缓流过渡到急流，水面急剧降落的局部水力现象，即在不长的流段内水深从大于临界水深降落到小于临界水深。

流体⼒学讲义第⼗⼀章⾮恒定流问题第⼗⼀章⾮恒定流问题本章介绍了有压管流中的⾮恒定流现象——⽔击现象及其四个阶段、间接⽔击、直接⽔击、正⽔击与负⽔击的概念。

第⼀节有压管道中的⽔击⾮恒定流主要表现为压强和液体密度的变化和传播。

⼀、⽔击现象的基本概念⽔击现象（Water-hammer Phenomena）：在有压管道系统中，由于某⼀管路中的部件⼯作状态的突然改变，就会引起管内液体流速的急剧变化，同时引起液体压强⼤幅度波动，这种现象称为⽔击现象。

判断：有压管路会发⽣⽔击现象，明渠也会发⽣⽔击现象。

你的回答：错直接⽔击（Rapid Closure）：当关闭阀门时间⼩于或等于⼀个相长时，最早由阀门处产⽣的向上传播⽽后⼜反射回来的减压顺⾏波，在阀门全部关闭时还未到达阀门断⾯，在阀门断⾯处产⽣的可能最⼤⽔击压强将不受其影响，这种⽔击称直接⽔击。

间接⽔击（Slow Closure）：当关闭阀门时间⼤于⼀个相长时，从上游反射回来的减压波会部分抵消⽔击增压，使阀门断⾯处不致达到最⼤的⽔击压强，这种⽔击称为间接⽔击。

正⽔击（Positive Water-hammer）：当管道阀门迅速关闭时，管中流速迅速减⼩，压强显著增⼤，这种⽔击称为正⽔击。

负⽔击（Suction Water-hammer）：当管道阀门迅速开启时，管中流速迅速增⼤，压强显著减⼩，这种⽔击称为负⽔击。

问题：由阀门关闭造成的⽔击称为；由阀门开启造成的⽔击称为：A.正⽔击负⽔击；B.负⽔击正⽔击；C.间接⽔击直接⽔击；D.直接⽔击间接⽔击。

⼆、有压管道中的⽔击的四个阶段（图11-1、11-2）1.：增压逆波阶段⽔击波的传播现象：⼀个增压波以⼀定速度向⽔库⽅向传播的现象，⽔击压强：压强增值（或⽔头增值ΔH）称为⽔击压强。

2.：减压顺波阶段⽔击的相长：即⽔击波由管道的阀门传到进⼝后⼜由进⼝传到阀门所需的时间。

图11-1增压逆波阶段减压顺波阶段减压逆波阶段增压顺波阶段图11-23.：减压逆波阶段4.：增压顺波阶段。

第九节水电站有压引水系统非恒定流电算法简介水电站有压引水系统的非恒定流计算包括水锤计算和调压室涌波计算。

这两种计算各有特点而又相互联系。

在负荷变化时，机组的转速变化与水锤和调压室涌波也有联系。

把这三种过渡过程联系起来研究的理论虽然早已基本具备，但由于计算过于繁琐，在电子计算机应用于工程实际之前，很少有把它们联系求解的实例，一般都是用孤立的、简化的方法计算。

即使对于分岔管的水锤，为了避免繁琐的计算，也往往采用很粗略的简化方法。

电子计算机的应用给较精确、合理地计算上述问题开避了新途径，现简要介绍如下。

一、简单管水锤计算简单管水锤计算一般不必利用电子计算机。

但如欲在计算中考虑水头损失或机组特性的影响，用电子计算机能较好地处理这类问题，用一般的方法则难以解决。

对于图14-12的简单管，若水锤波通过管段AP和PB的时间均为，则求解A、P、B三点压强和流量的方程为A点：式中h=H/Ho=1+ζ；q=Q/Qo=v；α=/Ho，扩为对应于Qo的AP段水管的水头损失。

式(a)可写成式中，。

将式(b)代人式（c），并令S=一A，得解式(d)，舍去增根，得故式(a)、式(b)可写成P点：式（e）和式(f)可写成解式(g)和式(h)，得B点：上式可写成根据式（14-76）、式（14-77）和式（14-78）所列的顺序，不难编出简单的程序迭代地求出A, P, B 三点压强和流量的变化过程，计算可以从t=2,开始，到所要求的时刻为止。

根据开度变化曲线确定。

二、分岔管的水锤计算图14-25 分岔管示意图对于图14-25所示的分岔管，若P点有n个分支，水锤波通过各分支的时间均为,通过主管PB的时间为m,,参照式(14-76)，水轮机端，，……、An点的水锤压强和流量可用以下式组求出式中i=1，2,…，n,故以上式组共n个。

P点的压强和流量有n＋2个未知量，用下列n十2个方程求解特征方程即式中，，i=1，2,……，n,故上式有n个。

四川大学水力学第五版绪论课后思考题课后习题答案考研大纲要求：液体的主要物理特性（主要是粘滞性、压缩性），牛顿内摩擦定律，作用于液体上的两种力，连续介质和理想液体。

说明：本章考点是简答和选择判断，基本上必考。

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1.1（简答）惯性、惯性力的定义及其物理意义是什么？答：惯性就是反映物体维持原有运动状态的性质，质量是惯性大小的量度。

惯性力是指当液体受外力作用使运动状态发生改变时，由于液体的惯性引起外界抵抗的反作用力。

设物体的质量m，加速度为a,则惯性力为F=-ma ,负号代表惯性力的方向与物体的加速度方向相反。

补充：川大876水力学考研真题，水力学考研资料！1.惯性力、重力属于质量力；惯性力单位质量力为 -a ，方向与加速度（向心加速度）方向相反；重力的单位质量力为 g，方向竖直向下。

这点在分析欧拉平衡微分方程，以及在凹凸面动水压强和静水压强时使用。

2.雷诺数的物理意义是表示惯性力和______力之比；而佛汝德数的物理意义是表示惯性力和______力之比。

1.2（选择）物理量的基本量与导出量的关系是什么？在水力学中采用什么国际单位制量纲？答：每一个物理量都包括有量的数值和量的种类，量的种类习惯上称为量纲。

一切导出量均可从基本量导出。

水力学中使用MLT量纲系，长度、质量和时间为基本量，其他变量为导出量。

补充：动力粘度系数η（单位：Pa·s 量纲：ML-1T-1）和运动粘度系数ν（单位：㎡/s 量纲：L² T-¹）区别：运动粘滞系数是液体动力粘滞系数与液体密度之比值，不包括力的量纲而仅仅具有运动量的量纲。

1.3 （简答）什么叫做粘滞性？粘滞性对液体运动起什么作用？答：当液体处于运动状态时，若液体质点之间存在相对运动，则质点之间要产生内摩擦力抵抗其相对运动。

这种性质称之为液体的粘滞性，此内摩擦力又称为粘滞力。

作用：抵抗液体内部的相对运动，从而影响着液体的运动状况，由于粘滞性的存在，液体在运动过程中因克服内摩擦力而做功，故液体的粘滞性也是液体中发生机械能量损失的根源。

第十章有压管道和明槽非恒定流10-1 直接水击是指有压管道末端阀门处的最大水击压强( )(1) 不受来自上游水库反射波的影响; (2) 受来自上游水库反射波的影响(3) 受阀门反射波的影响 (4) 不受管道长度的影响10-2 发生间接水击的条件是 ( )(1) (2) (3) (4)式中T a为阀门关闭时间，L为管道长度，C为水击波速。

10-3 在水击研究中，必须认为 ( )(1)液体是可压缩的，管道是刚体 (2)液体是不可压缩的，管道是弹性体(3)液体和管道都是弹性体 (4)液体是不可压缩的，管道是刚体10-4 当阀门突然关闭时，水击波传播的第二阶段(即L/C<t<2L/C)中，压强的变化为._________，波的传播方向为__________________，液体处于_____________状态。

10-5 减小水击压强的措施有：_______________________；_____________________________。

10-6 某水电站的压力钢管，管长L=328 m，直径D=800 mm，管壁厚度 δ=6 mm。

水轮机的静水头 H0=100 m。

管道末端阀门全开时，通过钢管的流量q v=2 m3/s。

求阀门完全关闭时间T s=0.6 s 时的水击压强。

(钢管弹性系数E=19.6×1010 N/m2，水的弹性系数E=19.6×108N/m2) ( 3738.8Kpa )10-7 当管道条件(材料、直径、管长等)、水头、流速相同时，为什么间接水击压强小于直接水击压强？10-8 圣维南方程对明渠非恒定渐变流和急变流均适用。

( )10-9 明渠非恒定流必是非均匀流。

( )10-10 水坝瞬时溃决时，坝的上游将发生( )( 1 ) 顺涨波 ( 2 ) 顺落波 ( 3 ) 逆涨波 ( 4 ) 逆落波10-11 明渠非恒定渐变流的连续方程为__________________________________________________________, 式中各项的意义是________________________________________________________________________ 10-12 当水位相同时，明渠非恒定流涨水过程中的流量_________(填写大于、等于或小于)落水过程中的流量。

有压管流运动概述在日常生活中，经常用管道来输送液体，如水利工程中的有压引水遂洞、水电站的压力钢管、灌溉工程中的虹吸管、倒虹吸管、抽水机的吸水管和压水管、城市给排水工程中的自来水管以及石油工程中的输油管等，都是常见的有压管道。

1.1管流的定义、特点充满整个管道的水流，称为管流。

其特点是：没有自由液面，过水断面的压强一般都不等于大气压强（即相对压强一般不为零），它是靠压力作用流动的，因此，管流又称为压力流。

输送压力流的管道称为压力管道。

管流的过水断面一般为圆形断面。

有些管道，水只占断面的一部分，具有自由液面，因而就不能当作管流，而必须当明渠水流来研究。

1.2管流的分类由于分类的方法不同，管流可分为各种类型，具体如下。

（1）根据管道中任意点的水力运动要素是否随时间发生变化，分为有压恒定流和有压非恒定流。

当管中任意一点的水力运动要素不随时间而变时，即为有压恒定流；否则为有压非恒定流。

本章主要研究的是有压恒定流的水力计算。

（2）根据管道中水流的局部水头损失、流速水头两项之和与沿程水头损失的比值不同，管流可分为长管和短管。

长管——当管道中水流的沿程水头损失较大，而局部水头损失及流速水头两项之和与沿程水头损失的比小于5%，以致局部水头损失及流速水头可以忽略不计。

短管——当管道中局部水头损失与流速水头两项之和与沿程水头损失的比值大于5%，则在管流计算中局部水头损失与流速水头不能忽略。

由工程经验可知，一般自来水管可视为长管。

虹吸管、倒虹吸管、坝内泄水管、抽水机的吸水管等，可按短管计算。

必须注意：长管和短管不是按管道的长短来区分的，如果没有忽略局部水头损失和流速水头的充分依据时，应按短管计算，以免造成被动。

（3）根据管道的出口情况，管流可分为自由出流与淹没出流。

自由出流——是指管道出口水流流入大气之中；淹没出流——是指管道出口在下游水面以下，被水淹没。

（4）根据管道的布置情况，压力管道又可分为简单管路和复杂管路。

简单管路——是指一根管径不变、没有分支，而且流量在管路的全长上保持不变的管路。

《水力学》课程复习思考题《水力学》课程复习思考题绪论1、什么叫水力学？2、水力学的基本原理和计算方法是否只适用于水？3、水利工程中经常遇到的水力学问题有哪些？4、为什么说水力学是水利类各专业一门重要的技术基础课？5、水力学的发展简史主要经历可那几个阶段？6、水力学的正确研究方法是什么？7、水力学中实验观测方法主要有哪三个方面？8、近代水力学的系统理论是怎样建立的？9、水力学中液体的基本特征是什么？10、引入连续介质假定的意义是什么？11、液体质点有何特点？12、为什么说研究液体的物理性质是研究液体机械运动的出发点?13、密度是如何定义的？它随温度和压强如何变化？14、容重是如何定义的？它随哪些因素变化？15、比重的概念？16、密度和容重之间有何关系？17、水力学中，水的密度、容重计算值是如何确定的？18、何谓液体的粘滞性？其主要成因是什么？它对液体的运动有何意义？19、牛顿内摩擦定律的内容是什么？20、空气与水的动力粘滞系数随温度的变化规律是否相同？试解释原因。

21、试证明粘滞切应力与剪切变形角速度成正比？22、何谓牛顿流体？非牛顿流体包括那几类？23、表面张力的概念？其产生的原因是什么？24、为什么较细的玻璃管中的水面呈凹面，而水银则呈凸面？并且水会形成毛管上升，而水银则是毛管下降？25、试证明每增加一个大气压，水的体积只缩小二万分之一？26、理想液体和实际液体有何区别？27、静止液体是否具有粘滞性?28、液体内摩擦力与固体内摩擦力在性质上有何区别？29、运动液体与固体边界之间存在摩擦吗？30、作用于液体上的力按表现形式可以分为几类？各是什么？按物理性质又可分为哪些？第一章水静力学1、水静力学的任务是什么？2、为什么可以应用理论力学中的刚体平衡规律来研究水静力学？3、研究水静力学的目的有哪些？4、静水压力的特性是什么？试加以证明。

5、液体静力学基本方程的推导及各种表达形式的意义？6、什么是等压面？重力作用下等压面必须具备的充要条件是什么？7、什么是绝对压强、相对压强、真空及真空度？8、Cpz=+γ中的p是绝对压强还是相对压强？9、常用的压强量测仪器有哪些？10、压强的表示方法有几种？其换算关系怎样？11、从能量观点说明Cpz=+γ的意义？12、绘制压强分布图的理论依据及其绘制原则是什么？13、压强分布图的斜率等于什么？什么情况下压强分布图为矩形？14、作用于平面上静水总压力的求解方法有哪些？各适用于什么情况？15、怎样确定平面静水总压力的大小、方向及作用点？16、在什么情况下，压力中心与受压面形心重合？17、压力体由哪几部分组成？压力体内有水还是无水，对静水总压力沿铅垂方向分力的大小和方向有何影响？18、曲面静水总压力的大小、方向、作用点如何确定？19、二向曲面静水总压力的计算方法如何推广的空间曲面？20、水静力学的全部内容对理想液体和实际液体都适用吗？第二章液体运动的流束理论1、简述拉格朗日法和欧拉法的基本内容？2、拉格朗日变数和欧拉变数各指什么？3、何谓恒定流与非恒定流？举例说明。

水力学教学大纲课程编码：学时数：80学分数：5课程类型：专业基础课先修课程：高等数学、理论力学、材料力学一、课程的性质与任务水力学是水利水电工程专业必修的一门重要的专业基础课。

水力学课程的主要任务是使学生掌握水流运动的一般规律和与之有关的基本概念、基本理论、水力计算的基本方法与科学实验的基本技能，为学习后续专业课程、从事专业技术工作和进行科学研究奠定基础。

二、课程的教学基本要求（１）具有一定的理论知识。

①正确理解水力学基本概念（如恒定流与非恒定流、均匀流与非均匀流、层流与紊流、缓流与急流等）。

②掌握水力学基本理论，如连续方程、能量方程、动量方程等。

③掌握分析水流运动的总流分析法。

（２）对工程中的一般水流问题具有分析与计算的能力。

如静水总压力的计算；管道及明渠断面尺寸的确定；堰闸过流能力的分析与计算等。

（３）掌握测量水位、压强、流量、流速的基本方法和操作技能，具有分析实验数据和编写实验报告的能力。

三、教学基本内容和教学要求（一）绪论水力学的定义、任务及其在专业中的应用情况、发展前景；液体基本特征和主要物理性质；连续介质与理想液体的概念；作用于液体上力。

要求重点掌握液体基本特征和主要物理性质（惯性、万有引力特性及粘滞性）。

教学难点是粘滞性及作用于液体上的力。

（二）水静力学静水压强及其特性；液体平衡微分方程及其积分；等压面概念；重力作用下静水压强基本公式；压强的度量与量测；水头与单位势能的概念；平面与曲面上的静水总压力。

要求重点掌握重力作用下静水压强基本公式的应用；压强的度量与量测、平面与曲面上的静水总压力的求解。

教学难点是液体平衡微分方程及其积分、压力体的绘制以及平面与曲面上的静水总压力的求解。

（三）液体运动的流束理论描述液体运动的两种方法；恒定流与非恒定流、流线与迹线；流管、微小流束、总流、过水断面、流量与断面平均流速、一元流、二元流、三元流、均匀流与非均匀流等水动力学基本概念；不可压缩实际液体一元恒定总流的连续性方程、能量方程、动量方程以及这些方程式的应用举例。

⽔击现象⽔击现象⽔击是有压管道中的⾮恒定流现象。

当有压管道中的伐门突然开启、关闭或⽔泵因故突然停⽌⼯作，使⽔流流速急剧变化，引起管内压强发⽣⼤幅度交替升降。

这种变化以⼀定的速度向上游或下游传播，并且在边界上发⽣反射，这种⽔流现象叫作⽔击，交替升降的压强称为⽔击压强。

产⽣⽔击现象的原因是由于液体存在惯性和可压缩性。

⽔击现象的实质上是由于管道内⽔体流速的改变，导致⽔体的动量发⽣急剧改变⽽引起作⽤⼒变化的结果。

⽔锤是在突然停电或者在阀门关闭太快时,由于压⼒⽔流的惯性,产⽣⽔流冲击波,就象锤⼦敲打⼀样,所以叫⽔锤。

⽔流冲击波来回产⽣的⼒，有时会很⼤，从⽽破坏阀门和⽔泵。

⽔锤效应”是指在⽔管内部，管内壁光滑，⽔流动⾃如。

当打开的阀门突然关闭，⽔流对阀门及管壁，主要是阀门会产⽣⼀个压⼒。

由于管壁光滑，后续⽔流在惯性的作⽤下，迅速达到最⼤，并产⽣破坏作⽤，这就是⽔利学当中的“⽔锤效应”，也就是正⽔锤。

在⽔利管道建设中都要考虑这⼀因素。

相反，关闭的阀门在突然打开后，也会产⽣⽔锤，叫负⽔锤，也有⼀定的破坏⼒，但没有前者⼤。

电动⽔泵合电压起动时，在不到1s的时间内，即可从静⽌状态加速到额定转速，管道内的流量则从零增加到额定流量。

由于流体具有动量和⼀定程度的可压缩性，所以，流量的急剧变化将在管道内引起压强过压或过低的冲击，以及出现“空化”现象。

压⼒的冲击将使管壁受⼒⽽产⽣噪声，犹如锤⼦敲击管⼦⼀般，称为“⽔锤效应”。

⽔锤效应具有很强的破坏作⽤，可导致管⼦的破裂或疮陷、损坏阀门和紧固件。

当切断电源⽽停机时，泵⽔系统的势能将克服电动机的惯性⽽命名系统急剧地停⽌，这也同样会引起压⼒的冲击和⽔锤效应。

为了消除⽔锤效应的严重后果，在管路中需要受到⼀系列缓冲措施和设备。

⽔锤是在突然停电或者在阀门关闭太快时,由于压⼒⽔流的惯性,产⽣⽔流冲击波,就象锤⼦敲打⼀样,所以叫⽔锤。

⽔流冲击波来回产⽣的⼒，有时会很⼤，从⽽破坏阀门和⽔泵。

⽔锤效应”是指在⽔管内部，管内壁光滑，⽔流动⾃如。