第六章--有压管流
- 格式:pptx
- 大小:3.96 MB
- 文档页数:62
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、管嘴出流与有压管流6-1 在水箱侧壁上有一直径50mm d =的小孔口,如图所示。
在水头H 的作用下,收缩断面流速为 6.86m/s C V =,经过孔口的水头损失0.165m w h =,如果流量系数0.61μ=,试求流速系数ϕ和水股直径c d 。
解:根据伯努利方程:22.51m 2c w V H h g=+= 流速系数0.9672c cV V V gHϕ=== 2c c Q A gH AV μ==,39.71mm cd = 6-2 图示一船闸闸室,闸室横断面面积2800m A =,有一高2m h =、宽4m b =的矩形放水孔。
该孔用一个速度0.05m/s v =匀速上升的闸门开启。
假设初始水头15m H =,孔口流量系数0.65μ=,孔口出流时下游水位保持不变。
试求(1)闸门开启完毕时闸室中水位降低值y ;(2)闸室水位与下游平齐所需要的总时间T 。
解:(1)闸门完全开启所用的时间:40s ht v== 此段时间内孔口的面积可用孔的平均面积来表示:24m A =因为40s T ==所以:2 3.796m H =,12 1.204m y H H =-=(2)闸门完全打开后,防水孔的面积:28m A bh '== 液面降到与下游液面平齐所需要的时间因为135.41s T '==所以175.41s T t T '=+=6-3 贮液箱中水深保持为 1.8m h =,液面上的压强070kPa p =(相对压强),箱底开一孔,孔直径50mm d =。
流量系数0.61μ=,求此底孔排出的液流流量。
解:根据伯努利方程:202p V h g gρ+= 215.9L/s 4Q d V πμ==6-4 用隔板将矩形水池中的水体分成左右两部分,如图所示,右半部分水面保持恒定,隔板上有直径10.1m d =的圆形孔口,位于右半部液面下1 4.8m H =处。
在左半部分的侧面与前一孔口相同的高度处开有直径20.125m d =的圆形孔口,当水池两半部分的水面稳定后,试求左半部水面高度计孔口出流流量。
工程流体力学课程教案(首页)单元标题第六章孔口、管嘴和有压管道流动单元学时 4教学目标通过讲课使学生熟练掌握短管和长管的水力计算方法;理解孔口、管嘴恒定出流的水力计算方法、离心式水泵的水力计算(扬程、功率、工作点)。
教学重点短管和长管的水力计算方法。
教学难点长管的水力计算方法。
教学方式方法以传统教学方式为主要手段,以多媒体教学为辅助教学手段,即将教学中所需图表及与课程相关的工程实例等内容,采用多媒体形式展示。
教学手段讲课为主,提问、课堂讨论为辅。
教学过程回顾上次课堂教学所讲的重点内容;导引本次课堂教学的主要内容及进行讲解,在讲解过程中,针对具体问题对学生进行提问或作为问题让学生课后思考;对本次课堂教学内容进行小结。
讲课内容(转讲稿页)讲课内容备课札记第六章孔口、管嘴出流及有压管流一、本章学习要点孔口、管嘴出流的特点。
孔口、管咀出流的水力计算。
有压管路的连接特点和计算特点。
有压管路的水力计算。
二、本章重点掌握孔口、管咀恒定出流的水力计算。
有压管路恒定流动的水力计算。
三、计算依据连续性方程、伯努利方程及水头损失计算公式的综合应用。
工程上的意义---给排水工程、铁道工程、隧道工程等上的应用。
§6-1 孔口、管嘴出流一.孔口出流1.孔口出流的形式及分类器壁孔口及在压强差作用下的孔口出流,在此基础上又分为薄壁孔口及小孔口。
2.薄壁小孔口恒定出流计算特点:0h;f出流特点:收缩断面。
(1)自由式出流建立 1→c 断面的伯努利方程,即(讲稿页)第1 页建立伯努利方程,有g v H c 2000202ζ++++=+2)(2121H H g se=-+ϕζgH A gH A A c c 22μεϕ==.流速系数、流量系数的影响因素 影响收缩的因素包括形状和位置 管嘴恒定出流0≈f h ;(讲稿页)第2 页讲课内容备课札记出流特点:在c-c 断面形成收缩,然后再扩大,逐步充满整个断面。
从 1→2 建立伯努利方程,有g v g v H n22000022ζα+++=++ gH gH v n n221ϕζα=+=式中:n ϕ为管咀流速系数,82.0≈n ϕ。
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。
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 孔口、管嘴出流与有压管流6-1 在水箱侧壁上有一直径50mm d =的小孔口,如图所示。
在水头H 的作用下,收缩断面流速为 6.86m/s C V =,经过孔口的水头损失0.165m w h =,如果流量系数0.61μ=,试求流速系数ϕ和水股直径c d 。
解:根据伯努利方程:22.51m 2c w V H h g=+= 流速系数0.9672c cV V V gHϕ=== 2c c Q A gH AV μ==,39.71mm cd = 6-2 图示一船闸闸室,闸室横断面面积2800m A =,有一高2m h =、宽4m b =的矩形放水孔。
该孔用一个速度0.05m/s v =匀速上升的闸门开启。
假设初始水头15m H =,孔口流量系数0.65μ=,孔口出流时下游水位保持不变。
试求(1)闸门开启完毕时闸室中水位降低值y ;(2)闸室水位与下游平齐所需要的总时间T 。
解:(1)闸门完全开启所用的时间:40s ht v== 此段时间内孔口的面积可用孔的平均面积来表示:24m A =因为40s T ==所以:2 3.796m H =,12 1.204m y H H =-=(2)闸门完全打开后,防水孔的面积:28m A bh '== 液面降到与下游液面平齐所需要的时间因为135.41s T '==所以175.41s T t T '=+=6-3 贮液箱中水深保持为 1.8m h =,液面上的压强070kPa p =(相对压强),箱底开一孔,孔直径50mm d =。
流量系数0.61μ=,求此底孔排出的液流流量。
解:根据伯努利方程:202p V h g gρ+= 215.9L/s 4Q d V πμ==6-4 用隔板将矩形水池中的水体分成左右两部分,如图所示,右半部分水面保持恒定,隔板上有直径10.1m d =的圆形孔口,位于右半部液面下1 4.8m H =处。
在左半部分的侧面与前一孔口相同的高度处开有直径20.125m d =的圆形孔口,当水池两半部分的水面稳定后,试求左半部水面高度计孔口出流流量。