第五章管道11

1、有壓管中的恒定流：有壓管中的恒定流：有壓流有壓流無壓流無壓流7.5簡單管道簡單管道復(fù)雜管道復(fù)雜管道長管長管短管短管自由出流自由出流淹沒出流淹沒出流簡單管道簡單管道串聯(lián)管道串聯(lián)管道并聯(lián)管道并聯(lián)管道水頭損失以沿程水頭損失為主，局部水頭損失和流速水頭在水頭損失以沿程水頭損失為主，局部水頭損失和流速水頭在總損失中所占比重很小，計算時可以忽略的管道總損失中所占比重很小，計算時可以忽略的管道局部損失及流速水頭在總損失中占有相當(dāng)?shù)谋戎兀嬎銜r不局部損失及流速水頭在總損失中占有相當(dāng)?shù)谋戎?，計算時不能忽略的管道能忽略的管道gvHC2120物理意義：除了克服阻力外，全部能量都轉(zhuǎn)化為動能。物理意義：除了克服阻力外，

2、全部能量都轉(zhuǎn)化為動能。特例特例:自由液面：自由液面：pC=pa，液面恒定：，液面恒定：vo=0HzzHCA0收縮斷面流速（收縮斷面流速（0 0=1=1）002211gHgHvC孔口的流速系數(shù)孔口的流速系數(shù)，=0.970.98。是粘性流體與理想流是粘性流體與理想流 體速度的比值。體速度的比值。 二、薄壁銳緣小孔口的恒定出流二、薄壁銳緣小孔口的恒定出流 列斷面列斷面0000與收縮斷面與收縮斷面cccc的能量方程的能量方程： (c=1)01. 自由式自由式出流出流wcccoahgvpgvpH2022200agag孔口流量：孔口流量：0022gHAgHAAvAvQCCC面積收縮系數(shù)AACdc=0.8d

3、，則，則=0.64，又，又=0.970.98，則，則62. 061. 0流量系數(shù)0物理意義：克服阻力后物理意義：克服阻力后,仍恢復(fù)為勢能仍恢復(fù)為勢能特例：特例：p1= p2=pa，v1 v2 0HzzH210收縮斷面流速：收縮斷面流速：0012211gHgHvC孔口流量：孔口流量：與自由出流一致，且與自由出流一致，且不分大小孔口不分大小孔口H0與孔口位置無關(guān)與孔口位置無關(guān) 202022222111whgvHgvHaa0022gHAgHAAvAvQCCC(液面恒定液面恒定)2. 淹沒式淹沒式出流出流(hw由兩部分組成由兩部分組成)P97P97例題例題5-15-1應(yīng)用：孔板流量計應(yīng)用：孔板流量計g

4、pgvvgppzzH222212121002gHAQ注意：注意：A孔口面積，孔口面積，也可查表也可查表三、薄壁大孔口出流三、薄壁大孔口出流 )(2322232231H12HHgbdhghbQH 如果用孔口中心壓強(qiáng)水頭如果用孔口中心壓強(qiáng)水頭H H作為孔口作用水頭，即將孔口斷作為孔口作用水頭，即將孔口斷面各點的壓強(qiáng)水頭視為相等，按小孔口計算的流量為面各點的壓強(qiáng)水頭視為相等，按小孔口計算的流量為gHbdQ2表表5-15-1 大孔口的流量系數(shù)大孔口的流量系數(shù) d/H0.1dl)43(特征：特征：agvHB2120流速：流速：002211gHgHvB流量：流量：0022gHAgHAAvQB82. 0與孔

5、口比較與孔口比較:由于真空的抽吸作用，流量增加由于真空的抽吸作用，流量增加0.82/0.62=1.32倍倍對銳緣進(jìn)口的管嘴，對銳緣進(jìn)口的管嘴，=0.5，82. 05 . 011,22002022200gvgvgvHaa62. 061. 0流量系數(shù)0nnannnn注意：注意：管嘴正常使用條件管嘴正常使用條件（防止氣蝕）（防止氣蝕）列列C-C、B-B斷面能量方程斷面能量方程wBBCChgvgpgvgp2222gvhBw22AvAvBCC連續(xù)性方程連續(xù)性方程A取取AAC21102gHvB82. 0aBpp 解得解得C-C斷面真空值斷面真空值075. 0HgppCa允許真空值允許真空值 mhv7mH.

6、 975. 070H0的極限值的極限值管嘴正常使用條件之一管嘴正常使用條件之一管嘴正常使用條件之二管嘴正常使用條件之二dl)43(二、管嘴的種類二、管嘴的種類（a a）圓柱外伸管嘴；）圓柱外伸管嘴；（b b）圓柱內(nèi)伸管嘴；）圓柱內(nèi)伸管嘴；（c c）外伸圓錐收縮型管嘴；）外伸圓錐收縮型管嘴；（d d）外伸圓錐擴(kuò)張型管嘴；）外伸圓錐擴(kuò)張型管嘴；（e e）外伸流線型管嘴）外伸流線型管嘴表表5-3 管嘴水力特性管嘴水力特性例：水箱中用一帶薄壁孔口的板隔開，孔口及兩出流例：水箱中用一帶薄壁孔口的板隔開，孔口及兩出流管嘴直徑均為管嘴直徑均為d=100mm，為保證水位不變，流入水箱，為保證水位不變，流入水箱

7、左邊的流量左邊的流量Q=80L/s，求兩管嘴出流的流量，求兩管嘴出流的流量q1、q2。2解：設(shè)孔口的流量為解：設(shè)孔口的流量為q212hhgAq62. 0對管嘴對管嘴1112ghAq82. 012222ghAq82. 02連續(xù)性方程連續(xù)性方程21qqQ2qq 解得解得sLq/501sLq/302OHV0011測壓管水頭線的定性分析測壓管水頭線的定性分析22VgpgV00202Vg22Vg2211V00V下022Vg2211V00V下022VgwaahgvpgvpH202220agag,2200gvHHa ,210gHdlva .2402gHdAvQc ,1adlc0,20222220vhgvpg

8、vpHwaaagag,2200gvHHa ,210gHdlv .2402gHdAvQc ,1dlc校核輸水校核輸水能力能力設(shè)計水塔設(shè)計水塔或選泵或選泵設(shè)計管路系統(tǒng)設(shè)計管路系統(tǒng)畫總水頭線、測畫總水頭線、測壓管水頭線壓管水頭線應(yīng)用：應(yīng)用：ZZs 虹吸管是一種壓力管，頂部彎虹吸管是一種壓力管，頂部彎曲且其高程高于上游供水水面。其曲且其高程高于上游供水水面。其頂部的真空值一般不大于頂部的真空值一般不大于7 78m8m水水柱高。虹吸管柱高。虹吸管安裝高度安裝高度Z Zs s越大，頂越大，頂部真空值越大。部真空值越大。 虹吸管的優(yōu)點在于能跨越高地，虹吸管的優(yōu)點在于能跨越高地，減少挖方。減少挖方。 虹吸管長

9、度一般不長，故按短虹吸管長度一般不長，故按短管計算。管計算。1122 通過水泵轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動的通過水泵轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動的作用，在水泵進(jìn)口端形成真空，作用，在水泵進(jìn)口端形成真空，使水流在池面大氣壓作用下沿使水流在池面大氣壓作用下沿吸水管上升，流經(jīng)水泵時從水吸水管上升，流經(jīng)水泵時從水泵獲得新的能量，從而輸入壓泵獲得新的能量，從而輸入壓力管，再流入水塔。力管，再流入水塔。安裝高度安裝高度提水高度提水高度安裝高度安裝高度ZZs吸水管吸水管壓水管壓水管水泵向單位重量液體所提供的機(jī)械能，稱為水泵的揚程twwHZhh吸水管壓水管1.虹吸管虹吸管2.水泵水泵P104P104例題例題5-25-2，3 3，4 4 5-4 5-

10、4 長管的水力計算長管的水力計算（條件：（條件：L/d1000） 局部損失（包括速度水頭）不計，損失線性下降，總水頭局部損失（包括速度水頭）不計，損失線性下降，總水頭線與測壓管水頭線重合。線與測壓管水頭線重合。包括：簡單管路、串聯(lián)、并聯(lián)、沿程均勻泄流管路和管網(wǎng)。包括：簡單管路、串聯(lián)、并聯(lián)、沿程均勻泄流管路和管網(wǎng)。單位長阻抗單位長阻抗比阻比阻S0gdS5208s2/m620lQSH 一一.簡單管道簡單管道gvhHw2222222gAQdlgvdlhhfw忽略忽略hj和速度水頭和速度水頭;161Rn28Cg d0.00201S 0.014,n d0.00174S 0.013,n d0.00148S

11、 0.012,n 5.3305.3305.330當(dāng)當(dāng)當(dāng) 22RCvJ 642520CdS謝才公式謝才公式P64P64對于對于鋼筋混凝土管道鋼筋混凝土管道，通常采用謝才公，通常采用謝才公 式來計算水力坡度式來計算水力坡度. .式中式中 RR水力半徑；水力半徑； CC謝才系數(shù)，謝才系數(shù)，C=C=用滿寧公式代入后，得到：用滿寧公式代入后，得到：式中，管徑式中，管徑d d的單位為的單位為m m。計算比阻計算比阻S S0 0的公式：的公式： 式中式中K K表示修正系數(shù)，即表示修正系數(shù)，即K Kv3.0867.01852.0v 001736. 0001736. 0867. 0108523 . 53 . 5

12、3 . 00jjdKdvS2.2.舍維列夫公式舍維列夫公式對于對于舊鋼管、舊鑄鐵管舊鋼管、舊鑄鐵管通常采用舍維列夫公式，見第四章通常采用舍維列夫公式，見第四章P63P63，當(dāng)當(dāng) 1.2m1.2m/s/s（過渡區(qū)），（過渡區(qū)），表表5-45-4 舍維列夫公式的修正系數(shù)舍維列夫公式的修正系數(shù)K K當(dāng)當(dāng)smv/2 . 1（粗糙區(qū)）（粗糙區(qū)） 001736. 03 . 50jdS 串聯(lián)長管的計算，如管道長度串聯(lián)長管的計算，如管道長度l已知已知H H、d d，求，求Q Q。已知已知Q Q、d d，求，求H H。已知已知H H、Q Q，求，求d d。例題：例題：5-55-5，5-65-6，5-75-7已知

13、時，利用長管計算的基本公式已知時，利用長管計算的基本公式, ,可以解決以下可以解決以下三類問題：三類問題：一定，管壁材料一定，管壁材料二二. .復(fù)復(fù) 雜雜 管管 道道1.1.串聯(lián)管道串聯(lián)管道幾段不同管徑的簡單管路依次連接幾段不同管徑的簡單管路依次連接類比電路類比電路iQQ iifilSQhH02如如20iiifiQlShHHUQI,適用于流量變化的管路適用于流量變化的管路,或或充分利用作用水頭充分利用作用水頭P111 例例5-82.2.并聯(lián)管道并聯(lián)管道兩根以上的管道，兩端都接在公共點上兩根以上的管道，兩端都接在公共點上特點：增加流量；提高供水可靠性特點：增加流量；提高供水可靠性 iQQ流體的自

14、調(diào)性，阻力平衡流體的自調(diào)性，阻力平衡ffffhhhh432244042330322202QlSQlSQlS必須滿足連續(xù)性條件必須滿足連續(xù)性條件 能量關(guān)系能量關(guān)系: :質(zhì)量關(guān)系質(zhì)量關(guān)系:P112 例例5-9，1020clQSHqlQQc55. 020031lQSH 給水工程中，有的配水管和沖洗管，要求流量沿著管子泄給水工程中，有的配水管和沖洗管，要求流量沿著管子泄出，若單位長度上泄出的流量均為出，若單位長度上泄出的流量均為q q（q q稱為途泄流量稱為途泄流量），則這），則這種管路稱為沿程均勻泄流管路。種管路稱為沿程均勻泄流管路。 Q-Q-轉(zhuǎn)輸流量轉(zhuǎn)輸流量。3、沿程均勻泄流管路、沿程均勻泄流管路

15、假設(shè)：將這種沿程均勻泄流看成是連續(xù)的假設(shè)：將這種沿程均勻泄流看成是連續(xù)的 dxQSdhMf20QM=Q+qx 312220lqQqlQlShHf近似近似當(dāng)轉(zhuǎn)輸流量當(dāng)轉(zhuǎn)輸流量Q=0Q=0時時 Q計算流量計算流量 P114 例例5-115-5 5-5 管管 網(wǎng)網(wǎng) 計計 算算兩種形式：枝狀管網(wǎng)、環(huán)狀管網(wǎng)兩種形式：枝狀管網(wǎng)、環(huán)狀管網(wǎng)枝狀管網(wǎng)枝狀管網(wǎng)常用于中、小城市或山區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)；常用于中、小城市或山區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)；環(huán)狀管網(wǎng)環(huán)狀管網(wǎng)常用于大、中城市的管網(wǎng)系統(tǒng)。常用于大、中城市的管網(wǎng)系統(tǒng)。 管網(wǎng)內(nèi)各管段的管徑是根據(jù)流量管網(wǎng)內(nèi)各管段的管徑是根據(jù)流量Q Q和速度和速度 來決定的來決定的. . .13.14vQvQ

16、d確定管徑時，應(yīng)該作綜合評價確定管徑時，應(yīng)該作綜合評價 ，采用采用經(jīng)濟(jì)流速經(jīng)濟(jì)流速.經(jīng)濟(jì)流速經(jīng)濟(jì)流速在選用時應(yīng)使得給水的總成本（包括鋪設(shè)水管的在選用時應(yīng)使得給水的總成本（包括鋪設(shè)水管的建筑費、泵站建筑費、水塔建筑費及抽水經(jīng)常運轉(zhuǎn)費之總和）建筑費、泵站建筑費、水塔建筑費及抽水經(jīng)常運轉(zhuǎn)費之總和）最小的流速。最小的流速。一般的中、小直徑的管路大致為：一般的中、小直徑的管路大致為： ,400100mmd d當(dāng)直徑當(dāng)直徑當(dāng)直徑當(dāng)直徑 400mm400mm，經(jīng)濟(jì)流速，經(jīng)濟(jì)流速v=1.01.4m/s。經(jīng)濟(jì)流速經(jīng)濟(jì)流速v v=0.61.0m/s；1.1.枝狀管網(wǎng)的水力計算（兩類）枝狀管網(wǎng)的水力計算（兩類）（1

17、 1）新建給水系統(tǒng)的設(shè)計新建給水系統(tǒng)的設(shè)計a.a.由由連續(xù)性方程確定連續(xù)性方程確定節(jié)點流量節(jié)點流量b.b.由流量確定各管段管徑由流量確定各管段管徑ve經(jīng)濟(jì)流速經(jīng)濟(jì)流速（規(guī)范要求）（規(guī)范要求）0iQeivQd4已知管網(wǎng)沿線的地形資料、各管段長度、管材、各供水點的流已知管網(wǎng)沿線的地形資料、各管段長度、管材、各供水點的流量和要求的自由水頭（各用水器具要求的最小工作壓強(qiáng)水頭），量和要求的自由水頭（各用水器具要求的最小工作壓強(qiáng)水頭），要求確定各管段管徑和水塔水面高度及水泵揚程。要求確定各管段管徑和水塔水面高度及水泵揚程。 c.c.由由控制線控制線確定作用水頭確定作用水頭d.d.阻力平衡，調(diào)整支管管徑阻力

18、平衡，調(diào)整支管管徑. . 0tzftzzHhH式中式中 H Hz z控制點的自由水頭；控制點的自由水頭； z z0 0控制點地形標(biāo)高；控制點地形標(biāo)高； z zt t水塔處的地形標(biāo)高；水塔處的地形標(biāo)高； h hf f從水塔到管網(wǎng)控制點的總水頭損失。從水塔到管網(wǎng)控制點的總水頭損失。 不是整個管網(wǎng)的總水頭損失不是整個管網(wǎng)的總水頭損失充分利用能量充分利用能量能量方程能量方程a.a.由連續(xù)性方程確定節(jié)點流量由連續(xù)性方程確定節(jié)點流量0iQb.b.由控制線確定水力坡度由控制線確定水力坡度擴(kuò)建給水系統(tǒng)的設(shè)計擴(kuò)建給水系統(tǒng)的設(shè)計已知管網(wǎng)沿線地形、各管段長度、管已知管網(wǎng)沿線地形、各管段長度、管材及各供水點需要的流量

19、與自由水頭，在水塔已建成的條件下，材及各供水點需要的流量與自由水頭，在水塔已建成的條件下，確定擴(kuò)建管段管徑的計算。確定擴(kuò)建管段管徑的計算。（2 2）擴(kuò)建給水系統(tǒng)的設(shè)計）擴(kuò)建給水系統(tǒng)的設(shè)計計算原則是：要充分利用已有的作用水頭。計算原則是：要充分利用已有的作用水頭。 )(0lHzzHJzttC.C.根據(jù)公式根據(jù)公式20QSJ 求出求出S S0 0，再查表，選擇管徑。，再查表，選擇管徑。 d.d.計算支管管徑（串聯(lián)管路），并進(jìn)行阻力平衡。計算支管管徑（串聯(lián)管路），并進(jìn)行阻力平衡。2.2.環(huán)狀管網(wǎng)的水力計算環(huán)狀管網(wǎng)的水力計算通常環(huán)狀管網(wǎng)的布置及各管段的長度通常環(huán)狀管網(wǎng)的布置及各管段的長度因此，環(huán)狀管網(wǎng)

20、水力計算的目的仍是確定各管段通過的流量因此，環(huán)狀管網(wǎng)水力計算的目的仍是確定各管段通過的流量Q Q和和管徑管徑d d，從而求出各段的水頭損失和確定水塔的高度。，從而求出各段的水頭損失和確定水塔的高度。 和各節(jié)點流出的流量為已知。和各節(jié)點流出的流量為已知。管網(wǎng)上管段管網(wǎng)上管段n ng g和環(huán)數(shù)和環(huán)數(shù)n nk k以及節(jié)點數(shù)以及節(jié)點數(shù)n np p，存在著以下關(guān)系，存在著以下關(guān)系1pkgnnn而管網(wǎng)中的每一管段均有兩個未知數(shù)，而管網(wǎng)中的每一管段均有兩個未知數(shù)，Q Q和和d d，未知數(shù)的總數(shù)為：，未知數(shù)的總數(shù)為：122pkgnnn環(huán)狀管網(wǎng)的水力計算，應(yīng)遵循以下兩條水力準(zhǔn)則進(jìn)行反復(fù)運算：環(huán)狀管網(wǎng)的水力計算，

21、應(yīng)遵循以下兩條水力準(zhǔn)則進(jìn)行反復(fù)運算： 1.1.水流的連續(xù)性原理水流的連續(xù)性原理： Q=0 2.2.能量相等原理能量相等原理： 020iiifQlSh（1 1）節(jié)點方程）節(jié)點方程（2 2）回路方程）回路方程0iQ02iiiiQlSh校正流量校正流量Q2QQShhiiii展開，略去二階微量展開，略去二階微量QQShiii2由由02QQShhhhhiiiiiiiiiiiiiiiiiQhhQQShQShQ2222水擊水擊在有壓管路中流動的液體，由于外界因素（諸如閥門在有壓管路中流動的液體，由于外界因素（諸如閥門突然關(guān)閉、水泵突然停車等）使其流速發(fā)生突然變化（即動量突然關(guān)閉、水泵突然停車等）使其流速發(fā)生

22、突然變化（即動量發(fā)生變化），從而引起壓強(qiáng)突然變化（升壓和降壓交替進(jìn)行）。發(fā)生變化），從而引起壓強(qiáng)突然變化（升壓和降壓交替進(jìn)行）。有壓管道的水擊（水錘）可壓縮、非恒定流可壓縮、非恒定流水擊具有破壞性水擊危害水擊危害水擊時所產(chǎn)生的升壓，可達(dá)原來正常壓強(qiáng)的幾倍甚水擊時所產(chǎn)生的升壓，可達(dá)原來正常壓強(qiáng)的幾倍甚至幾十倍，而且增壓和減壓的頻率很高，往往會引起管道激烈震至幾十倍，而且增壓和減壓的頻率很高，往往會引起管道激烈震動，嚴(yán)重時會造成閥門破壞、管道接頭脫落，甚至管道爆裂等重動，嚴(yán)重時會造成閥門破壞、管道接頭脫落，甚至管道爆裂等重大事故。大事故。水擊的傳播過程水擊的傳播過程第一階段第一階段00vppp00

23、水擊速度水擊速度c在在t=l/c時到達(dá)管道口時到達(dá)管道口發(fā)生水擊的原因發(fā)生水擊的原因 引起管道水流速度突然變化的因素是發(fā)生水擊的外加條件，引起管道水流速度突然變化的因素是發(fā)生水擊的外加條件，水流本身具有慣性和壓縮性則是發(fā)生水擊的內(nèi)在原因。水流本身具有慣性和壓縮性則是發(fā)生水擊的內(nèi)在原因。 減速增壓過程減速增壓過程 AAA第二階段第二階段00v00ppp在在t=2l/c時到達(dá)閥門時到達(dá)閥門第三階段第三階段00vppp00在在t=3l/c時到達(dá)管道口時到達(dá)管道口減速減壓過程減速減壓過程 增速減壓過程增速減壓過程 AAAAAA第四階段第四階段00v00ppp在在t=4l/c時到達(dá)閥門時到達(dá)閥門增速增壓過程增速增壓過程 在水擊的過程中，管道各斷面的流速和壓強(qiáng)都隨時間周期性的在水擊的過程中，管道各斷面的流速和壓強(qiáng)都隨時間周期性的升高和降低，不斷地變化。升高和降低，不斷地變化。 AAA循環(huán)、衰減循環(huán)、衰減如果關(guān)閉閥門的時間如果關(guān)閉閥門的時間T T小于一個相長，即小于一個相長，即T T cl /2 那么最早發(fā)出的水擊波的反射波在到