水力學(xué)第6章管道-2013

第6章有壓管流本章研究內(nèi)容：1.有壓管道恒定流：

短管水力計算:流量，測壓管線繪制長管水力計算：并聯(lián)，串聯(lián)2.有壓管道非恒定流：

水擊現(xiàn)象及簡單水力計算

6.1概述1.有壓管道：整個斷面均被液體充滿沒有自由液面、管壁處處受到水壓力作用、管中液體的動水相對壓強(qiáng)不為零的管道。

管中水流稱為有壓管流。2.管流:

無壓管流→明渠有壓管流→滿管液流，無自由液面3.短管、長管短管:

hj和

與hf

相比不能忽略，

須同時考慮的管道。長管：

hf

起主要作用，hj和可以忽

略的管道,(<5%hf).4.自由出流、淹沒出流

自由出流:液流出口流入大氣的出流。淹沒出流：液流出口淹沒在下游水面以下的出流。

自由出流淹沒出流5.孔口、管嘴出流孔口出流：在盛有液體的容器側(cè)壁或底部

開一孔口，液體經(jīng)孔口流出，

稱為孔口出流。

管嘴出流：在孔口上裝一段長度為3～4倍孔徑的短管，稱為管嘴。液體經(jīng)過管嘴并在出口斷面滿管流出，稱管嘴出流。

孔口、管嘴出流的特點：局部水頭損失起主要作用，沿程水頭損失可以忽略不計。6.2.1

總水頭線和測管水頭線的繪制6.2短管的水力計算總水頭線和測管水頭線的繪制測壓管水頭線總水頭線原則：總水頭線總是沿程下降的，而測壓管水頭線沿程可升可降。局部水頭損失:集中圖示在邊界突然變化的斷面上。

在繪制總水頭線和測管水頭線時，有以下幾種情況可以作為控制條件：

(1)上、下游水面線是測管水頭線的起始、終止線。

(2)進(jìn)口處有局部損失，集中繪在進(jìn)口處，即總

水頭線在此降落

(3)出口為自由出流時，管道出口斷面的壓強(qiáng)為

零，測管水頭線終止于出口斷面中心

(4)出口若為淹沒出流，下游水面是測管水頭線

的終止線

自由出流

淹沒出流淹沒出流淹沒出流v02

不為零測壓管線的位置分析列X方向的動量方程式(參見第四章)化簡整理得：測壓管線不變測壓管線上升淹沒出流

若繪制虹吸管的總水頭線和測管水頭線，其測管水頭線位于管軸線以下的區(qū)域，為真空發(fā)生區(qū)。6.2.2出流公式–流量1.自由出流

總水頭H0則其中，為管道流量系數(shù)，（管徑不變）2.淹沒出流則其中，為管道流量系數(shù)6.2.3短管的水力計算舉例

1

.虹吸管的水力計算

虹吸管是指有一段管道高出上游液面，而出口低于上游液面的管道。虹吸管的水力計算主要是：確定虹吸管的流量以及確定虹吸管頂部的允許安裝高度。

例6.1某渠道用直徑d=0．5m的鋼筋混凝土虹吸管從河道引水灌溉，如圖所示。河道水位為120.0m，渠道水位為119.0m。虹吸管各段長度為10m，6m，12m。沿程水頭損失系數(shù)均為0.027.進(jìn)口裝濾水網(wǎng)，無底閥，ζ=2．5，管的頂部有60度的折角轉(zhuǎn)彎兩個，每個彎頭ζ=0.55。求：(1)虹吸管的流量；(2)當(dāng)虹吸管內(nèi)最大允許真空值為7.0m時，虹吸管的最大安裝高度.

(1)計算虹吸管的流量。列斷面1，3的能量方程或采用淹沒出流(2)最大安裝高度

列斷面1，2的能量方程：為確保虹吸管正常工作，工程上常限制管中的最大真空高度，不超過7m水柱。

2.水泵的水力計算水泵的作用是增加水流能量，把水從低處引向高處，圖所示為裝有水泵的供水系統(tǒng)。

例6.2水泵的水力計算

有一水泵將水抽至水塔，如圖所示。已知，水泵的流量為Q=0.03,z=20m,吸水管長=12m，管徑d1=15cm，壓水管長=100m，管徑d2=15cm，管的沿程水頭損失系數(shù)λ=0.024，水泵允許真空值為6.0m水柱高，局部水頭損失系數(shù)分別為：ζ進(jìn)口=6.0，ζ彎頭=0.8,ζ閥=0.1。求（1）水泵的揚(yáng)程hp；(2

）水泵的最大安裝高度hs。解：解：解：6.3長管的水力計算6.3.1簡單管道的水力計算

直徑不變沒有分支的管道稱為簡單管道。是（長管）中最基本的情形。長管的水頭H全部消耗于沿程水頭損失hf上。謝才公式簡單管道的水力計算給水工程中，α稱為比阻。比阻的物理意義是：單位流量(Q=1)，通過單位管長(l=1)所需要的水頭。S稱為水管摩阻6.3.2串聯(lián)管道串聯(lián)管道:由直徑不同的簡單管道串聯(lián)而成的管道。

水頭等于各段水頭損失之和

6.3.3并聯(lián)管道并聯(lián)管道:由直徑不同的簡單管道并聯(lián)而成的管道。

每段管道的水頭差是相等

6.3.4沿程泄流管道

在工程中常有這樣的情況，水在沿管軸方向流動的同時，還從管側(cè)壁上連續(xù)地有流量泄出，這種管道稱為沿程泄流管道。如灌溉工程中的人工降雨管道或給水工程中的濾池沖洗管滴灌節(jié)水技術(shù)C點流量QD點流量CD段泄流量dx距離內(nèi)水頭降落值為

若QT

=0，則可見，在連續(xù)均勻泄流時，所需水頭只有管道末端通過相同流量時所需水頭的三分之一

6.4有壓管道非恒定流簡介水擊（水錘）：在有壓管路中，由于某種外界原因使得流速發(fā)生突然變化，從而引起壓強(qiáng)急劇升高和降低的交替變化，這種水力現(xiàn)象成為水擊（水錘）。需要考慮：水的壓縮性、管壁的彈性產(chǎn)生原因：（輸水、輸氣管道）1閥門突然關(guān)閉2水泵突然啟閉蝸殼軸流式水力發(fā)電機(jī)研究內(nèi)容：6.4.1水擊現(xiàn)象傳播過程6.4.2水擊分類6.4.1水擊現(xiàn)象傳播過程增壓逆波，減壓順波，減壓逆波，增壓順波Δp

以閥門突然關(guān)閉為例，將有一個增壓、增密度、增管道斷面積、減流速的過程從閥門向上游傳播，壓強(qiáng)、流速、密度、管道斷面積的間斷面在管道中運動，這就是水擊波。6.4.1水擊現(xiàn)象傳播過程階段時段速度變化流速方向壓強(qiáng)變化水擊波傳播方向運動狀態(tài)液體狀態(tài)0<t<L/cv0→0水庫→閥門增高p閥門→水庫增壓逆波壓縮(a)BALv0cHH全管原壓強(qiáng)水頭Hv=01、增壓逆波BALHHv=0

由于B點壓強(qiáng)水頭保持為常數(shù)H，水擊波到達(dá)B點后無法再向上游傳播，壓差H轉(zhuǎn)化為流向水庫的流速v0而形成一個減速（速度以水庫流向閥門為正）減壓的過程，由B傳向A，水擊波反向，并由增壓波變?yōu)闇p壓波。在減壓波傳播過程中，管壁和液體密度復(fù)原，提供流向水庫的水量。時刻t=L/c階段時段速度變化流速方向壓強(qiáng)變化水擊波傳播方向運動狀態(tài)液體狀態(tài)BALv0cHHv=0L/c<t<2L/c0→-v0閥門→水庫恢復(fù)原狀水庫→閥門減速順波恢復(fù)原狀(b)2、減壓順波BALh0

由于閥門已經(jīng)關(guān)閉，減速減壓的水擊波到達(dá)A點后無法再繼續(xù)向前傳播。因為根據(jù)連續(xù)方程，A點流速必須為零，若A點處也要形成流向水庫的流速，則液體沒有補(bǔ)充的來源。而此時管中其它斷面上的流速卻是-v0，于是在t=2L/c

時刻，在A點形成增速、減壓、減密度、減斷面面積的水擊波，由A傳向B，水擊波反向，但減壓波仍轉(zhuǎn)為減壓逆波。時刻t=2L/cv0階段時段速度變化流速方向壓強(qiáng)變化水擊波傳播方向運動狀態(tài)液體狀態(tài)BALv0cHHv=02L/c<t<3L/c-v0→0閥門→水庫減低p閥門→水庫減壓逆波膨脹(c)3、減壓逆波BALh=cv0/gh0v=0時刻t=3L/c

由于B點壓強(qiáng)水頭保持為常數(shù)h0，水擊波到達(dá)B點后無法再向上游傳播，壓差-h轉(zhuǎn)化為流向閥門的流速v0而形成一個增速（速度以水庫流向閥門為正）增壓的過程，由B傳向A，水擊波反向，并由減壓波變?yōu)樵鰤翰?。在增壓波傳播過程中，管壁和液體密度復(fù)原，吸納從水庫進(jìn)入的水量。階段時段速度變化流速方向壓強(qiáng)變化水擊波傳播方向運動狀態(tài)液體狀態(tài)BALv0cHHv=03L/c<t<4L/c0→v0水庫→閥門恢復(fù)原狀水庫→閥門增壓順波恢復(fù)原狀(d)4、增壓順波BALh0時刻全管速度全管壓強(qiáng)水頭水擊波到達(dá)液體狀態(tài)t=4L/cv=v0

h0A點復(fù)原v0等同于閥門突然關(guān)閉瞬時狀態(tài)階段時段速度變化流速方向壓強(qiáng)變化水擊波傳播方向運動狀態(tài)液體狀態(tài)0<t<L/cL/c<t<2L/c2L/c<t<3L/c3L/c<t<4L/cv0→00→-v0-v0→00→v0水庫→閥門閥門→水庫水庫→閥門閥門→水庫增高p恢復(fù)原狀減低p恢復(fù)原狀閥門→水庫水庫→閥門閥門→水庫水庫→閥門增壓逆波減壓順波減壓逆波增壓順波壓縮膨脹恢復(fù)原狀恢復(fù)原狀(a)(b)(c)(d)60（1）閥門A斷面

管道各特征斷面的壓強(qiáng)變化

（2）進(jìn)口B斷面

（3）任意斷面

6.4.2水擊分類閥門關(guān)閉的時間Ts水擊壓強(qiáng)的計算依動量定理可推得：或當(dāng)閥門突然完全關(guān)閉時，V=0，則有或例如：某壓力引水鋼管內(nèi)水擊波傳播的速度c=1000m/s，設(shè)流速由6m/s減少到零時，閥門突然關(guān)閉時的壓強(qiáng)水頭增量為3.間接水擊壓強(qiáng)計算2.直接水擊壓強(qiáng)的計算時段內(nèi),水流方向的動量變化為時段內(nèi),外力在管軸方向的沖量為由動量定理可得忽略高階微量可得可得

例6.5已知一壓力管道自水庫引水，長度為l=300m，管徑d=2m。閥門全開時，管中初始流速v0=1.83m/s。水擊波波速c=1000m/s，試分別計算閥門完全關(guān)閉時間TS1=2.5s和TS2=8.0s時，在閥門處產(chǎn)生的最大水擊壓強(qiáng)值。解：水擊波的相長

為直接水擊由直接水擊壓強(qiáng)公式為間接水擊由間接水擊壓強(qiáng)公式水錘應(yīng)用水錘泵（）水錘泵工作原理

水錘泵工作原理水錘泵工作前，排水閥在磁隙彈簧作用下處于開啟狀態(tài)，輸水閥在磁隙彈簧和自身重量作用下處于關(guān)閉狀態(tài)。開機(jī)時人為控制排水閥進(jìn)行開啟→關(guān)閉→開啟→關(guān)閉往復(fù)運作幾次后，水泵就能自動運行。開機(jī)后，有一定落差的水通過進(jìn)水管經(jīng)打開的排水閥向外流出，當(dāng)排水閥內(nèi)側(cè)的壓力增加至大于排水閥磁隙彈簧壓力時，流動著的水就推動排水閥迅速關(guān)閉，即發(fā)生水錘現(xiàn)象。此時泵內(nèi)的水壓力急劇上升，迫使輸水閥開，部分水被壓入緩沖筒。排水閥內(nèi)側(cè)壓力迅速下降，排水閥在磁隙彈簧和負(fù)壓作用下重新打開，輸水閥在自身重量、磁隙彈簧壓力及緩沖筒空氣室內(nèi)水壓力的作用下重新關(guān)閉。在水流的作用下，上述動作周而復(fù)始地自動運行。當(dāng)緩沖筒內(nèi)的水壓強(qiáng)增加到大于揚(yáng)水管內(nèi)的壓力時，水就從出水口流出來。

孔口、管嘴出流的特點：

局部水頭損失起主要作用，沿程水頭損失可以忽略不計。

薄壁小孔口的自由出流

收縮系數(shù)流量系數(shù)