多孔出流管水力特性研究

水利工程中的水力特性分析水利工程是利用水资源进行管理和开发的工程，而水力特性分析是水利工程设计和运营中非常重要的一项工作。

水力特性分析主要研究水在水利工程中的流动特性、水力行为及其对工程的影响。

本文将探讨水力特性分析在水利工程中的应用，以及相关的理论和方法。

水力特性分析涉及到许多重要的概念和原理，其中最基本的是流态分类。

根据流态的不同，水流可以分为层流和紊流。

层流是指流速较低、流线平行且变化平缓的流动方式，而紊流则是流速较高、流线交错且变化剧烈的流动方式。

了解水流的流态有助于我们更好地预测水力行为，进行工程设计和管理。

在水力特性分析中，流速是一个重要的参数。

流速的大小取决于多个因素，包括地形、水流的压力差和阻力等。

流速的测量可以通过不同的方法来实现，例如使用浮标法、激光测距仪或流速计等。

通过测量流速，我们可以获得水在水利工程中的运动速度，从而帮助我们评估和优化工程的设计。

除了流速之外，流量也是水力特性分析中的关键参数。

流量是单位时间内通过某一横截面的水量。

正确计算和估算流量对于确保水利工程的正常运行至关重要。

我们可以使用流速和横截面积的乘积来计算流量。

对于复杂的水利工程，我们可能需要考虑非均匀流速和非均匀横截面积的情况，这时候我们可以使用积分的方法来进行计算。

水力特性分析不仅仅涉及流速和流量，还包括了水流的水压、水位和水力力学等方面的分析。

水压是水流对单位面积内物体施加的压力。

水位是水面的高度，可以用来评估水流的深度和变化情况。

水力力学是研究水流行为与水利工程设计和运营相关的一门学科。

通过分析水压、水位和水力力学等参数，我们可以更好地了解水流的特性和行为，从而优化工程设计。

在实际的水利工程中，水力特性分析可以帮助工程师和管理人员解决许多问题。

例如，在发电站设计中，水力特性分析可以帮助确定水轮机的适应性和发电效率。

在水闸设计和运营中，水力特性分析可以帮助确定闸门的尺寸和操作方式，以实现精确的水位控制。

管网水力特性的研究与优化设计随着城市化进程的飞速发展，城市水利工程的建设也越来越重要。

其中，管网水力的特性对于城市供水系统的稳定运行和摆脱水质污染具有重要意义。

因此，研究管网水力特性并进行优化设计，不仅可以提高城市供水系统的水质和水量，也可以降低供水成本，保障人民的饮水安全。

一、管网水力特性的基本概念管网水力特性主要指水在管道中流动时的流态、流速、水头、损失、泵的选型等具体参数。

在工业和民用建筑中的供水系统中，水在供水管网中流动时会由于摩擦产生压力损失，但在平衡情况下，供水系统应保证供水的水压稳定和流量充足，主要表现在以下几个方面：1.水的流速和流量在城市供水系统中，水的流速和流量是至关重要的参数。

流速是指水在管道中流动的速度，一般用米/秒来表示。

而流量则是指水通过管道的水量，是用升/秒或立方米/秒来表示的。

根据供水系统的需求和水源条件，需要推导出最优的流速和流量。

2.供水管网的水头水在管网中流动时，会受到压力力场的影响而产生的水头变化。

水头指的是水在不同管节中的高度差或者说压力变化。

在供水系统设计中需要合理地安排管网中各个节点的水头，从而保证供水系统的稳定运行。

3.压力损失水在管道中流动时，会由于摩擦而产生压力损失。

压力损失是指水在管道中流动时，由于管道摩擦力和弯曲阻力等原因而产生的能量损失。

了解和优化压力损失可以有效地节约能源，并提高供水系统的使用效率。

二、管网水力特性的优化设计管网水力特性的优化设计主要是根据供水系统的需求和水源条件，通过调整流速、管径、水头和管道布局等方法，使水流动的更加稳定和流速、流量均衡。

下面简单介绍一些管网水力特性优化的方法：1.压力稳定性优化城市供水管网的压力稳定性直接关系到城市居民的生产和生活。

因此，优化供水系统中的压力损失和水头分布，保证供水系统中所有节点的水压能够维持在一定范围内，是供水系统优化的重要任务。

2.管道直径选取在设计供水管网时，选择合适的管径可以有效降低管道内摩擦，减小管道损失，进而提高供水系统的运行效率。

管道水力特性及其水力学模型研究管道是水力工程中不可或缺的组成部分，对于管道内流动的水力特性的研究也越来越受到重视。

水力学模型的建立和研究可以帮助我们更好地理解它们的水力特性和行为规律，从而为工程设计和施工提供准确的理论依据。

一、管道内流动的基本特性在管道内部，水分子沿着流线运动，它们之间的相互作用力可以被视为粘性力。

这就意味着管道内部的阻力来自于水分子之间的相互作用力。

需要注意的是，管道内部的摩擦力不仅受到管壁摩擦力的影响，还受到管道内部的摩擦力的作用。

因此，当管道内部的流速增加时，由于管道内部的摩擦力增加，流阻增大，阻力的增加速度也会增加。

另外，我们还需要了解到，当管道内部出现弯曲、分支和其他不规则形状时，水流会随着管道的变化而变化，流速会受到影响，这也会带来管道内部阻力的改变。

二、管道的水力学模型建立水力学模型是对于管道水力特性研究的重要方法之一。

模型通过将管道内部的水流转化为数学模型来进行分析和研究。

目前，最为常用的管道水力学模型包括雷诺数模型和涡旋模型。

雷诺数模型依据雷诺数的大小来划分流动状态，将具有相似雷诺数的流动状态进行归类。

而涡旋模型则是基于涡旋对于水流运动的影响进行研究。

三、应用案例：沿程压力损失计算湖北某市下午4点，对于一条直径为250毫米，长500米的干管进行了工业水的输送。

工业水的流量为50升/秒，水温为20℃，水的粘度为1.1×10^-6m²/s，密度为1000kg/m³。

该管道的材质为钢管，摩擦系数为0.018。

现计算该管道在输送过程中的沿程压力损失。

根据直管段的沿程压力损失公式计算：ΔP = ρLQ²/2gd其中，ΔP为沿程压力损失，ρ为工业水密度，L为管长，Q为工业水的流量，d为管道直径，g为重力加速度，ε为管道粗糙度（在此例中，因为该管道的摩擦系数已知，ε可以通过万氏公式进行计算）。

对于弯头和阀门等管子附属件的计算，可以使用不同的修正系数进行修正。

第3章 给水排水管网水力学基础 (2h)3.1 给水管网水流特征流态分析：<2000 层流雷诺数νVD=Re =2000~4000 过渡流水力光滑区eD80~4000 h f ∝V 1.75 >4000 紊流 过渡区85.0)2(4160~80eDe D hf ∝V 1.75~2阻力平方区 85.0)2(4160eD> h f ∝V 2紊流过渡区=过渡粗糙区 阻力平方区=紊流粗糙区恒定流与非恒定流：水力因素(水流参数)随时间变化 均匀流与非均匀流： 水力因素(水流参数)随空间变化 压力流与重力流：水流的水头：单位重量流体具有的机械能h / H (位置水头 位能Z)(压力水头 压能P/γ) (流速水头 动能V 2/2g)水头损失：流体克服流动阻力所消耗的机械能 (沿程阻力)(局部阻力)3.2 管渠水头损失计算沿程水头损失(frictional head loss)：谢才(Chezy)公式 l RC v h f 22= (通用，R 水力半径=断面/湿周，C 谢才系数)达西-韦伯(Darcy-Weisbach)公式 gv D l h f 22λ= (适用于圆管满流，λ沿程阻力系数， )28Cg=λC 和λ的计算 ①科尔勃洛克-怀特公式：)Re53.38.14lg(7.17CR e C +-= )Re 51.27.3lg(21λλ+-=D e 简化 )Re 462.48.14lg(7.17875.0+-=R e C )Re462.47.3lg(21875.0+-=D e λ②海曾-威廉(Hazen-Williams)公式：148.0852.113.016.13qC gD W=λlDC q h Wf 87.4852.1852.167.10=(v=0.9m/s 时)注：81.000)(vvC C W W = （v 0=0.9m/s ） ③曼宁(Manning)公式：6/11R nC =(n 曼宁粗糙系数) lR v n h f 3/422=l D q n 333.52229.10=3/22/13/22/12/123/41)()(R i nn R lh ln R h v f f === ④巴普洛夫斯基公式：yR nC 1=(n 曼宁粗糙系数) 式中)10.0(75.013.05.2---=n R n y局部水头损失(local head loss )：gv h m 22ζ= (ζ局部阻力系数)水头损失公式指数形式：n f n m nf q s l aq l Dkq h === (a 比阻，s f 磨阻系数)n m m q s D g q g v h ===422282πζζ (s m 局部磨阻系数) 总：n m f m f g q s s h h h )(+=+= (s g 管道磨阻系数)3.3 非满流管渠水力计算满流：曼宁公式6/11R n C =，谢才公式l RC v h f 22=lR v n h f 3/422=，满流时l Dq n 333.52229.10= 2/13/23/22/12/123/41)()(I R nn R lh ln R h v f f === 2/13/2I R nA Av q == 非满流：充满度 y/D ，管中心到水面线夹角θ2/)2cos 1(/θ-=D y)21(cos 21Dy-=-θ)sin (82θθ-=D A)sin 1(4θθ-=D R则θθsin 10-=R R ，R 为非满流时水力半径，R 0为漫流时水力半径； πθθ2sin 0-=A A ，A 为非满流时过水断面，A 0为满流时过水断面； 323200)sin 1()(θθ-==R R v v ，v 为非满流时流速，v 0为满流时流速； 3235320002)sin ()(πθθθ-==R R A A q q ，q 为非满流时流量，q 0为满流时流量； （y/D=0.94时，q/q 0=1.08最大；y/D=0.81时，v/v 0=1.14最大）l D q n h f 333.520229.10=31620229.10D q n I l h f == nD I q 29.1038210= 2/32/13/83/516.20)sin (⎥⎦⎤⎢⎣⎡∙-=nq I D θθθ，23/83/53/2)sin (16.20⎥⎦⎤⎢⎣⎡-∙=D nq I θθθ例题：某污水管道设计流量q=100L/s ，采用水力坡度I=0.007，拟采用D=400mm 钢筋混凝土管，粗糙系数n=0.014，求充满度y/D 和流速v 。

水力学中的流动特性和水力参数流动是自然界中重要的现象，它存在于各种不同的环境中，如流体力学、环境科学、化学等。

水力学是研究水流运动规律及其与自然界相互作用的科学，涉及水的体积、速度、压力、密度等参数。

水力学中的流动特性和水力参数是研究的重点，下面将对其进行介绍。

一、流动特性流动特性是指液体在物理空间内运动的性质以及流体对环境产生的相互作用。

它包括流动的速度、流量、湍流度、速度剖面、流线、模型相似理论等。

在水力学中，流速是一种非常重要的概念，它影响着水体运动的各个方面，如水位、能量、力学等。

1. 流速流速是指空间中单位时间内液体的流动速度，通常用米/秒或英尺/秒等单位表示。

流速的大小与摩擦、惯性、压力等因素有关。

流速在不同的水体中具有不同的物理特性，不同的液体在流动时有不同的运动规律。

2. 流量流量是指单位时间内从设定截面通过的流体的体积，其计算公式为Q=VA，其中Q为流量，V为流速，A为截面面积。

流量是水力学研究中的一个重要参数，它可以用来描述液体的流动状况和水体的用途等，例如测量水流量和水厂的输水能力等。

3. 湍流度湍流度是指液体运动中具有的流动性质，它是流体力学中的一个重要概念。

流体在运动时会产生湍流，湍流度是指液体分子流体运动时的连续性与随机性之间的平衡。

湍流度的大小直接影响着流体的流动性质，它通常用来描述水流的变化性和复杂性。

4. 速度剖面速度剖面是指在流体中，速度随距离变化而发生的变化规律。

在水流中，因为水流分布的不均匀性，速度分布也会随之不同，在河流上部和下部，因为受到的阻碍不同，速度分布也不同，我们可以通过绘制速度剖面来描述这些不同。

5. 流线流线是在流场内运动的一种虚拟线，它是描述流体运动规律的重要手段，可以帮助我们理解在不同的液体流动情况中的运动规律。

由于体积、惯性、压力等因素的不同，流线在不同的液体中呈现出不同的形态，我们可以利用数学模型对其进行描述。

二、水力参数水力参数是描述水流运动规律的数学参数，已成为水力学研究领域的核心概念。

第5章 孔口管嘴出流与管路水力计算教学提示：孔口出流、管嘴出流是水利工程中常见的流动现象。

例如，大坝的泄水孔、电站引水隧洞的进水口、闸孔出流及某些流量量测设备中的流动均与孔口出流有关。

建筑施工用的水枪及消防水枪等则属于管嘴出流。

教学要求：要求学生了解孔口出流、管嘴出流、管路及管网的基本概念和公式，重点掌握串、并联管路的水力计算。

5.1 孔 口 出 流孔口出流是指流体从容器的孔口中流出。

当孔口内为锐缘尖，或者容器壁的厚度较小而不影响孔口出流，则称这种孔口为薄壁孔口。

本节将讨论常见的薄壁孔口出流。

根据孔口尺寸的大小，将孔口分成小孔口和大孔口。

作用于断面上各点的水头近似相等的孔口称为小孔口。

设作用于断面上的水头为H ，孔口直径为d ，则当H ≥d 时，孔口属于小孔口；当H ＜d 时，孔口属于大孔口。

5.1.1 小孔口出流1. 自由出流流体经孔口流入大气的出流称为自由出流。

薄壁孔口的自由出流如图5.1所示。

孔口出流经过容器壁的锐缘后，变成具有自由面周界的流股。

当孔口内的容器边缘不是锐缘状时，出流状态会与边缘形状有关。

图5.1 薄壁孔口自由出流由于质点惯性的作用，当水流绕过孔口边缘时，流线不能成直角地突然改变方向，只能以圆滑曲线逐渐弯曲，流出孔口后会继续弯曲并向中心收敛，直至离孔口约0.5d 处。

流流体力学·110··110·股在断面C ―C 处的断面面积最小，该断面称为收缩断面。

下面讨论作用水头H 恒定的孔口出流的规律。

探讨图5.1中断面A ―A 与C ―C 之间的流动。

从收缩断面的形心处引基准线0―0，并设断面A ―A 的总水头为g V H H A A 220α+=，断面C ―C 的压强为p C 、平均流速为V C ，两断面之间的能量损失为h w 。

则可写出两断面间的伯努利方程为：w C C C h gV g p H ++=220αρ由于沿程能量损失很小，则可认为两断面间的能量损失g V h h C j w 22ζ==，其中ζ为孔口的局部损失系数。

第五章孔口、管嘴出流和有压管流从本章开始，将在前面各章的理论基础上，具体研究各类典型流动。

孔口、管嘴出流和有压管流就是水力学基本理论的应用。

容器壁上开孔，水经孔口流出的水力现象称为孔口出流(Orifice Flow)；在孔口上连接长为3～4倍孔径的短管，水经过短管并在出口断面满管流出的水力现象称为管嘴出流(Spout Flow)；水沿管道满管流动的水力现象称为有压管流(Flow in Pressure Conduits)。

给排水工程中各类取水、泄水闸孔，以及某些量测流量设备均属孔口；水流经过路基下的有压涵管、水坝中泄水管等水力现象与管嘴出流类似，此外，还有消防水枪和水力机械化施工用水枪都是管嘴的应用；有压管道则是一切生产、生活输水系统的重要组成部分。

孔口、管嘴出流和有压管流的水力计算，是连续性方程、能量方程以及流动阻力和水头损失规律的具体应用。

§5-1 液体经薄壁孔口的恒定出流在容器壁上开一孔口，若孔壁的厚度对水流现象没有影响，孔壁与水流仅在一条周线上接触，这种孔口称为薄壁孔口，如图5-1-1所示。

图5-1-1一般说，孔口上下缘在水面下深度不同，经过孔口上部和下部的出流情况也不相同。

但是，当孔口直径d(或开度e)与孔口形心以上的水头高H相比较很小时，就认为孔口断面上各点水头相等，而忽略其差异。

因此，根据d/H的比值大小将孔口分为大孔口与小孔口两类：若d ≤H /10，这种孔口称为小孔口，可认为孔口断面上各点的水头都相等。

若d ≥H /10，称为大孔口。

当孔口出流时，水箱中水量如能得到源源不断的补充，从而使孔口的水头H 不变，这种情况称为恒定出流。

本节将着重讨论薄壁小孔口恒定出流。

1．小孔口的自由出流从孔口流出的水流进入大气，称自由出流(Free Efflux)，如图5-1-1所示，箱中水流的流线从各个方向趋近孔口，由于水流运动的惯性，流线不能成折角地改变方向，只能光滑、连续地弯曲，因此在孔口断面上各流线并不平行，使水流在出孔后继续收缩，直至距孔口约为d /2处收缩完毕，形成断面最小的收缩断面，流线在此趋于平行，然后扩散，如图5-1-1所示的c -c 断面称为孔口出流的收缩断面。

水利工程水力特性数值模拟研究随着社会经济的发展，水利工程的建设和发展也越来越重要。

水力特性是水利工程中非常重要的一部分，是评估水利工程运行情况和进行工程设计的关键因素。

水力特性指的是在一定条件下，流体在受力作用下满足质量守恒和动量守恒，流体运动状态的描述。

水力特性包括水流速度、水压力、水流速度的分布、水位分布以及河床形态等等要素。

对于水力特性的分析和研究，可以使用数值模拟方法。

数值模拟是通过数学公式和计算机模型来模拟物理系统运行的过程，以得出各种结果。

下面我们来具体介绍一下水利工程中水力特性数值模拟的研究。

一、数值模拟方法在水力特性研究中的应用1. 二维数值模拟法二维数值模拟法主要针对平面问题，能够模拟复杂的水流运动情况，例如研究两岸之间的水流速度分布，以及数值化处理液体的流动动力学问题。

这种方法能够识别和分析区域的水流，预测水流的压力，以及考虑各种因素对水力特性的影响。

2. 三维数值模拟法三维数值模拟法能够针对空间问题进行模拟，能够更加细致地记录水流的运动轨迹，它可以分析复杂的三维水流动态，还可以考虑到水流的压力，同时还能够对水流中的杂质、氧气及其它物质进行分析和预测。

通过数值模拟方法，可以预测出水力特性中的各种问题，比如水流速度在不同情况下的变化，水压力的分布，以及水流在各个地方的流动情况等。

二、数值模拟研究在水利工程中的应用1. 水力特性的预测和分析通过对水力特性进行数值模拟，可以在建设水利工程时预测水流的流动情况、水位变化，计算水流的速度、方向和水量。

同时，还可以获取水力特性的更多信息，如水流密度、流态转换、水力破坏等。

2. 解决问题和优化设计数值模拟还可以解决实际工程中的问题，并且可以帮助优化设计。

通过模拟和比对实验，可以修复具体的破坏情况，包括河道水深、河床状况等各方面问题。

此外，数值模拟还可以为工程优化提供方案，根据预测故障和流量变化，来调整水电站的工作状态。

三、数值模拟方法的发展趋势1. 多项式规划技术的应用采用多项式规划技术可以对各种条件下的水力特性进行计算，开发和利用这种高级数学工具对于研究水利工程的水力特性具有重要意义。

“洞塞式内消能的水力特性的实验研究与理论分析”研究报告中国海洋大学工程学院08港航何勇、朱慧洁、郑清鑫摘要洞塞式消能工是利用水流的突缩突扩作用进行消能的消能工，本文在总结前人研究的基础上，应用物理模型试验、数值模拟和理论分析手段研究了突缩突扩单级洞塞多级洞塞的最佳尺寸、消能特性、消能机理、空化特性等，并探索把洞塞式消能工应用到大型水电工程的可能性，得出的结论包括：1、针对二级洞塞消能工附近的局部流动,分析研究了水流紊动特点,建立了洞塞泄流的三维RNG k-ε紊流数学模型。

2、建立了单级洞塞泄流的物理模型，利用物模试验资料对数学模型计算结果进行了验证，两者吻合较好，说明利用RNG k-ε模型模拟有二级洞塞的附近流动是合理可行的3、利用建立的数学模型对一、二级洞塞的消能率和消能比进行了计算分析,结果表明一、二级洞塞面积收缩比对消能率和消能比的影响较大，而相对长度对其影响很小。

4、在水头损失系数和计算域最小空化数权重相等的条件下，构造了简单的目标函数，给出了渐缩渐扩洞塞的最优几何体型参数。

5、探究了如何构造符合工程实际的目标函数，并给出合理的控制条件是后续工作需要深入研究的内容。

6、本文提出了一种新型的渐缩渐扩洞塞。

针对顺直洞塞和渐缩渐扩洞塞消能工附近的局部流动，分析研究了水流紊动特性，建立了洞塞泄流的三维RNG k-ε紊流数学模型和物理模型，利用物理模型试验资料对数学模型计算结果进行了验证，两者吻合较好。

7、利用建立的数学模型对顺直洞塞和渐缩渐扩洞塞的水头损失系数和空化数进行了计算。

当洞塞渐缩段和渐扩段几何尺寸互换时，水头损失系数和最小空化数的变化不大。

8、对洞塞脉动压强特性的分析表明：洞塞的脉动压强最大点均位于洞塞进口附近，在洞塞内逐渐变小，水流突扩后，脉动压强有所增加，后逐渐恢复稳定；而面积收缩比越小，脉动压强越大。

9、釆用实验和数值模拟相结合的方法研究了不同体型洞塞的空化特性。

关键词：洞塞消能水力特性空化数一、回顾与评述首先介绍本课题的选题背景及研究的意义，接着对洞塞式内流消能工（以下简称洞塞式消能工或洞塞）的定义和研究历程进行简要的介绍，最后，针对前人的研究空白和现阶段洞塞式消能工研究需要解决的问题，提出本文的研究内容及技术路线。