第6章有压管路

西北工大875流体力学讲义 第六章 孔口、管嘴和有压管道流动前面我们学习了流体运动的基本规律和理论，从本章开始，将重点介绍实际工程中常见的各种典型流动现象，并运用前面的基础理论知识分析这些流动的计算原理和方法。

孔口、管嘴和有压管道流动是实际工程中常见的流动典型问题，例如给水排水工程中的取水、泄水闸孔，通风工程中管道漏风，某些液体流量设备等就是孔口出流问题；水流经过路基下的有压短涵管、水坝中泄水管、农业灌溉用喷头、冲击式水轮机、消防水枪等都有管嘴出流的计算问题；有压管道流动非常广泛，如环境保护、给水排水、农业灌溉、建筑环境与设备、市政建设等工程。

本章将运用前几章中的流体力学基础知识，主要是总流的连续性方程、能量方程及能量损失规律，来研究孔口、管嘴与有压管道的过流能力（流量）、流速与水头损失的计算及其工程应用；在分析有压管道流动时，将主要讨论不可压的流动问题。

孔口、管嘴和有压管道流动现象可近似看作是从短管（孔口、管嘴）到长管（有压管道）的流动，将它们归纳在一类讨论，可以更好地理解和掌握这一类流动现象的基本原理和相互之间的区别。

第一节 孔口及管嘴恒定出流流体经过孔口及管嘴出流是实际工程中广泛应用的问题。

本节将要介绍孔口和管嘴出流的计算原理。

一、孔口出流的计算在盛有流体的容器上开孔后，流体会通过孔口流出容器，称这类流动为孔口出流。

流体经孔口流入大气的出流，称为自由出流，如图6-1所示；若孔口流出的水股被另一部分流体所淹没，称为淹没出流，如图6-2所示。

若孔口内为锐缘状，容器壁的厚度较小，或出流流体与孔口边壁成线状接触（2/≤d l ），而不影响孔口出流，称这种孔口为薄壁孔口。

本节将主要讨论薄壁孔口出流。

根据孔口尺寸的大小，可以将孔口分成小孔口与大孔口。

圆形薄壁孔口的实验研究表明，如图6-1所示，当0.1/d H ≤，称为小孔口；当10./>H d ，称为大孔口。

1．薄壁小孔口恒定出流 （1）自由出流以图6-1为例，当流体流经薄壁孔口时，由于流体的惯性作用，流动通过孔口后会继续收缩，直至最小收缩断面c c -。

第六章孔口、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。

§6-1 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6-1-1所示。

图6-1-1一般说，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6-1-1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6-1-1所示的c -c 断面称为孔口出流的收缩断面。

第6章动力管道6.1 动力管道基础知识6.1.1火力发电机组四大管道包括哪些？答：主蒸汽管道、高温再热蒸汽管道、低温再热蒸汽管道、高压给水管道。

索引：《火力发电厂汽水管道设计技术规定》（DL/T 5054—1996）2.0.26.2 动力管道设计6.2.1《火力发电厂汽水管道设计技术规定》（DL/T 5054—1996）适用于火力发电厂范围内主蒸汽参数为 MPa，℃及以下机组的汽水管道设计。

a. 22；375b. 27；550c. 31；593d. 6.3；400答案：b 索引：《火力发电厂汽水管道设计技术规定》（DL/T 5054—1996）1.0.26.2.2按照《火力发电厂汽水管道设计技术规定》（DL/T 5054—1996）的规定，主蒸汽管道的设计压力和设计温度参数如何选取？答：主蒸汽管道的设计压力取用锅炉过热器出口的额定工作压力或锅炉最大连续蒸发量下的工作压力。

当锅炉和汽轮机允许超压5%（简称5%OP）运行时，应加上5%的超压值。

主蒸汽管道的设计温度取用锅炉过热器出口蒸汽额定工作温度加上锅炉正常运行时允许的温度偏差。

温度偏差值，可取用5℃。

索引：《火力发电厂汽水管道设计技术规定》（DL/T 5054—1996）2.0.26.2.3什么是管道的柔性系数和应力增大系数？答：管道的柔性系数表示管道元件在承受力矩时，相对于直管而言其柔性增加的程度。

即：在管道元件中有给定的力矩产生的每单位长度元件的角变形与相同直径及厚度的直管受同样力矩产生的角变形的比值。

应力增大系数指在疲劳破坏循环次数相同的情况下，作用于直管的弯曲应力与作用于管件的名义弯曲应力之比。

6.2.4火力发电厂汽水管道设计压力（表压）系指管道运行中内部介质。

a. 最大工作压力b. 平均工作压力c. 持续运行压力d. 额定工作压力答案：a 索引：《火力发电厂汽水管道设计技术规定》（DL/T 5054—1996）2.0.26.2.5 按照《火力发电厂汽水管道设计技术规定》（DL/T 5054—1996）的规定，当锅炉和汽轮机允许超压5%（简称5%OP）运行时，主蒸汽管道的设计压力应加上的超压值。

压力管道管理规定压力管道是指在内部超过0.1兆帕（MPa）的压力下工作的管道。

由于这些管道运行在高压下，一旦发生泄漏、爆炸或其他事故，会造成严重的人员伤亡和财产损失。

因此，为了保障人民生命财产安全，各国都制定了一系列的压力管道管理规定。

下面是一份压力管道管理规定的样本范文，供参考：第一章总则第一条根据《中华人民共和国安全生产法》和《压力容器安全技术监察条例》，制定本规定。

第二条本规定适用于所有超过0.1兆帕的压力管道。

第三条压力管道的管理原则是“安全第一、预防为主、综合治理”。

第四条压力管道管理工作由相关部门负责，包括设计、施工、使用、维修等环节。

第五条压力管道管理应遵循科学技术进步、规范管理、安全监督的原则。

第六条压力管道管理应建立健全法律法规和标准体系，完善安全管理制度。

第二章压力管道设计第七条压力管道的设计应符合国家标准和规范要求。

第八条压力管道设计应明确管道的工作参数、材料选用、安全阀的设置等关键问题。

第九条压力管道设计应科学合理，结构牢固，确保可靠安全运行。

第十条压力管道设计文件应保存至少10年，并随时向有关监管部门提供。

第三章压力管道施工第十一条压力管道施工应按照设计要求和相关标准进行。

第十二条压力管道施工人员应经过专门培训，并持有合格证书。

第十三条压力管道施工材料应符合标准要求，并进行必要的检测验收。

第十四条压力管道施工过程应进行严格的自我检查和监督检查，确保施工质量。

第十五条压力管道施工完成后，应进行压力试验，确保无泄漏。

第十六条压力管道施工完成后，应向有关部门申请验收，并颁发验收证书。

第四章压力管道使用第十七条压力管道的使用单位应建立健全安全责任制，明确工作职责。

第十八条压力管道的使用单位应定期进行安全检查，发现问题及时整改。

第十九条压力管道的使用单位应保证操作人员持证上岗，并进行必要的培训。

第二十条压力管道使用单位应建立事故报告和应急预案制度。

第二十一条压力管道使用单位应及时向相关监管部门报告管道设备的维修和更换情况。

第六章明渠恒定均匀流人工渠道、天然河道以及未充满水流的管道等统称为明渠。

明渠流(OpenChannel Flow) 是一种具有自由表面的流动，自由表面上各点受当地大气压的作用，其相对压强为零，所以又称为无压流动。

与有压管流不同，重力是明渠流的主要动力，而压力是有压管流的主要动力。

明渠水流根据其水力要素是否随时间变化分为恒定流和非恒定流动。

明渠恒定流动又根据流线是否为平行直线分为均匀流和非均匀流。

明渠流动与有压管流的一个很大区别是：明渠流的自由表面会随着不同的水流条件和渠身条件而变动，形成各种流动状态和水面形态，在实际问题中，很难形成明渠均匀流。

但是，在实际应用中，如在铁路、公路、给排水和水利工程的沟渠中，其排水或输水能力的计算，常按明渠均匀流处理。

此外，明渠均匀流理论对于进一步研究明渠非均匀流也具有重要意义。

§6-1 概述1．明渠的分类由于过水断面形状、尺寸与底坡的变化对明渠水流运动有重要影响，因此在水力学中把明渠分为以下类型。

(1) 棱柱形渠道和非棱柱形渠道凡是断面形状及尺寸沿程不变的长直渠道，称为棱柱形渠道，否则为非棱柱形渠道。

前者的过水断面面积A仅随水深h变化，即A=f(h);后者的过水断面面积不仅随水深变化，而且还随着各断面的沿程位置而变化，即A=f(h, s) , s为过水断面距其起始断面的距离。

(2) 顺坡(正坡) 、平坡和逆坡(负坡)渠道明渠渠底线(即渠底与纵剖面的交线)上单位长度的渠底高程差，称为明渠的底坡(Bottom slope)，用i表示，如图6-1a，1-1和2-2两断面间，渠底线长度为A s,该两断面间渠底高程差为(a i-a2)= △ a,渠底线与水平线的夹角为B ,则底坡i 为。

(6-1-1)在水力学中，规定渠底高程顺水流下降的底坡为正，因此，以导数形式表示 时应为i=si n所以，在上述情况下，两断面间的距离△ s 可用水平距离△ l 代替，并且，过 水断面可以看作铅垂平面，水深 h 也可沿铅垂线方向量取。

第六章明渠恒定均匀流人工渠道、天然河道以及未充满水流的管道等统称为明渠。

明渠流(Open Channel Flow)是一种具有自由表面的流动，自由表面上各点受当地大气压的作用，其相对压强为零，所以又称为无压流动。

与有压管流不同，重力是明渠流的主要动力，而压力是有压管流的主要动力。

明渠水流根据其水力要素是否随时间变化分为恒定流和非恒定流动。

明渠恒定流动又根据流线是否为平行直线分为均匀流和非均匀流。

明渠流动与有压管流的一个很大区别是：明渠流的自由表面会随着不同的水流条件和渠身条件而变动，形成各种流动状态和水面形态，在实际问题中，很难形成明渠均匀流。

但是，在实际应用中，如在铁路、公路、给排水和水利工程的沟渠中，其排水或输水能力的计算，常按明渠均匀流处理。

此外，明渠均匀流理论对于进一步研究明渠非均匀流也具有重要意义。

§6-1 概述1．明渠的分类由于过水断面形状、尺寸与底坡的变化对明渠水流运动有重要影响，因此在水力学中把明渠分为以下类型。

(1)棱柱形渠道和非棱柱形渠道凡是断面形状及尺寸沿程不变的长直渠道，称为棱柱形渠道，否则为非棱柱形渠道。

前者的过水断面面积A仅随水深h变化，即A=f(h)；后者的过水断面面积不仅随水深变化，而且还随着各断面的沿程位置而变化，即A=f(h,s)，s为过水断面距其起始断面的距离。

(2)顺坡(正坡)、平坡和逆坡(负坡)渠道明渠渠底线(即渠底与纵剖面的交线)上单位长度的渠底高程差，称为明渠的底坡(Bottom slope)，用i表示，如图6-1a，1-1和2-2两断面间，渠底线长度为Δs，该两断面间渠底高程差为(a1-a2)=Δa，渠底线与水平线的夹角为θ，则底坡i为。

图6-1θsin 21=∆∆=∆-=sas a a i (6-1-1) 在水力学中，规定渠底高程顺水流下降的底坡为正，因此，以导数形式表示时应为dsdai -= (6-1-2) 当渠底坡较小时，例如i ＜0.1或θ＜6°时，因两断面间渠底线长度Δs ，与两断面间的水平距离Δl ，近似相等，Δs ≈Δl ，则由图6-1a 可知θtan =∆∆≈∆∆=la s a ii=sin θ≈tg θ (6-1-3) 所以，在上述情况下，两断面间的距离Δs 可用水平距离Δl 代替，并且，过水断面可以看作铅垂平面，水深h 也可沿铅垂线方向量取。

第六章压力测点位置及仪表的选择本章内容适用于压力测量仪表的选择、安装以及压力测点位置的选择。

1.压力测点位置的选择为了提高压力测量的准确度和可靠性,对测点位置的选择要考虑以下的因素：1.1 便于保护仪表和人身安全。

1.2 测点前后要有的足够长的直管段,不能处于管道弯曲、分叉和能形成涡流的地方。

1.3 测点要选在不易堵塞的地方,当管道内有突出物时,取压口应选在突出物之前。

1.4 取压管不能凸出管道内壁,避免在被测介质流动时动压对静压测量产生影响。

1.5 在阀门附近取压时,若取压口选在阀门前,则与阀门的距离应大于2D（D为管道直径）,取压口若选在阀门后,则与阀门的距离应大于3D。

1.6 当测量含尘流体压力时,取压口应选择不易积尘、堵塞、而且便于冲洗导管的地方,必要时加装除尘器。

2 压力测量仪表的选择2.1 压力测量仪表的选用应根据生产过程对压力测量的要求、被测介质的性质、现场环境条件等来选择。

2.2 对压力测量仪表的型式、精度、测量范围等都必须从实际出发,本着节约原则,合理选用。

2.3 为保证弹性元件、传感器能在安全范围内可靠动作,一般在被测压力较稳定的情况下,最大压力值应不超过仪表量程的3/4。

2.4 在被测压力波动较大的情况下,最大压力值应不超过满量程的2/3。

2.5 为了保证测量精度,被测压力最小值应不低于满量程的1/3。

3 取压管路及附加装置3.1 取压管路3.1.1 仪表管材料应能抗侵蚀,一般采用钢管或铜管,其内径宜在8-12毫米之间。

3.1.2 管路总长度一般不超过50米和不少于3米.若被测介质温度接近100℃时,长度不应小于6米。

3.1.3 应根据所测介质压力,采用耐压强度足够的仪表管.一般汽水取样多用无缝钢管,测量风压等低微压介质时,可用优质瓦斯管。

导压管敷设完毕后,应作严密性试验或耐压试验.尤其是油、氢和高压汽水管路不应忽视。

3.1.4 仪表管的装设应保持垂直,或与水平面之间具有不小于1-10%的倾斜角度.整个仪表管应向同一方面倾斜,否则应视具体情况在表管最高处装设排汽门,或在最低处装设放水门。