管內(nèi)流動和水力計算演示文稿

管內(nèi)流動和水力計算演示文稿當(dāng)前第1頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)（優(yōu)選）管內(nèi)流動和水力計算當(dāng)前第2頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)第一節(jié)管內(nèi)流動的能量損失理想流體：一部分機(jī)械能不可逆地?fù)p失掉黏性在流動中所造成的阻力問題,即討論阻力的性質(zhì)、產(chǎn)生阻力的原因和計算阻力的方法。黏性流體流動的重點(diǎn)：黏性流體：在管道內(nèi)無能量損失當(dāng)前第3頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)沿程損失：發(fā)生在緩變流整個流程中的能量損失，是由流體的粘滯力造成的損失。一.沿程能量損失達(dá)西—魏斯巴赫公式：式中：——沿程阻力系數(shù)(無量綱)——管子有效截面上的平均流速L——管子的長度d——管子的直徑☆這種損失的大小與流體的流動狀態(tài)有密切的關(guān)系。當(dāng)前第4頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)局部損失：發(fā)生在流動狀態(tài)急劇變化的急變流中的能量損失，是管件附近的局部范圍內(nèi)由流體微團(tuán)的碰撞、流體中產(chǎn)生的旋渦等造成的損失。計算公式：—局部損失系數(shù)(無量綱)一般由實(shí)驗(yàn)測定總能量損失：能量損失的量綱為長度，工程中也稱其為水頭損失二.局部能量損失當(dāng)前第5頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)第二節(jié)粘性流體的兩種流動狀態(tài)黏性流體兩種流動狀態(tài)：紊流狀態(tài)

層流狀態(tài)雷諾通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)1883年提出當(dāng)前第6頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)小流量中流量大流量當(dāng)前第7頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)幾種狀態(tài)

過渡狀態(tài)紊流狀態(tài)（湍流）層流狀態(tài)（片流）流體質(zhì)點(diǎn)不相互混雜，流體作有序的成層流動速度、壓力等物理量在時間和空間中發(fā)生不規(guī)則脈動的流體運(yùn)動。當(dāng)前第8頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)a.b.c.d.層流=>過渡狀態(tài)過渡狀態(tài)=>紊流過渡狀態(tài)層流實(shí)驗(yàn)說明：—上臨界速度—下臨界速度紊流分界點(diǎn)層流分界點(diǎn)當(dāng)前第9頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)式中k為系數(shù)，m為指數(shù)，均由實(shí)驗(yàn)確定

當(dāng)前第10頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)沿程損失和平均流速的關(guān)系

列截面1-1和2-2的伯努利方程測壓管中的水柱高差即為有效截面1-1和2-2間的壓頭損失。當(dāng)前第11頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)層流狀態(tài)紊流狀態(tài)m=1m=1.75～2可能是層流，也可能是紊流沿程損失與流動狀態(tài)有關(guān)，在計算流體通道的沿程損失時，先判斷流體的流動狀態(tài)。表明層流時沿程損失與平均流速的一次方成正比表明紊流時沿程損失與平均流速的1.75～2次方成正比當(dāng)前第12頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)雷諾數(shù)在相同的玻璃管徑下用不同的液體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所測得的臨界流速也不同，黏性大的液體臨界流速也大；若用相同的液體在不同玻璃管徑下進(jìn)行試驗(yàn)，所測得的臨界流速也不同，管徑大的臨界流速反而小。臨界雷諾數(shù)雷諾數(shù)是判別流體流動狀態(tài)的準(zhǔn)則數(shù)當(dāng)前第13頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)對于圓管流動：工程上取當(dāng)Re≤2000時，流動為層流；當(dāng)Re＞2000時，即認(rèn)為流動是紊流。對于非圓形截面管道：雷諾數(shù)—當(dāng)量直徑根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)前第14頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)解：對于水紊流對于油層流當(dāng)前第15頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)第三節(jié)管道進(jìn)口段黏性流體的流動邊界層：黏性流體流經(jīng)固體壁面時，在固體壁面和流體之間存在一個流速突變的區(qū)域，稱為邊界層。當(dāng)前第16頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)層流:

希累爾入口段(邊界層相交之前的管段L*)

L*＝0.2875dRe

布西內(nèi)斯克

L*＝0.065dRe

蘭哈爾

L*＝0.058dRe

紊流:

L*≈（25～40）d

L*(層流)>L*（紊流）L*經(jīng)驗(yàn)公式當(dāng)前第17頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)第四節(jié)圓管中流體的層流流動取如圖所示的微元體：半徑,長中心線和軸重合。一、圓管有效截面上的切應(yīng)力分布同一截面上，所有點(diǎn)大小相同，可將流動視為二維軸對稱流動。當(dāng)前第18頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)受力分析重力，無慣性力

端面的切向力和側(cè)面的法向力在流動方向投影為零。端面總壓力：側(cè)面切向力在方向上的平衡方程.當(dāng)前第19頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)由：不隨r變化方程兩邊同除

得：黏性流體在圓管中作層流流動時，同一截面上的切向應(yīng)力與半徑成正比注：此式同樣適用于圓管中的紊流流動當(dāng)前第20頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律：對r積分當(dāng)r=r0時，vl=0

邊界條件旋轉(zhuǎn)拋物面二、速度分布.當(dāng)前第21頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)最大流速:旋轉(zhuǎn)拋物體的體積等于它的外切圓柱體體積的一半平均流速:圓管中的流量：

當(dāng)前第22頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)上節(jié)小結(jié)沿程損失：局部損失：黏性流體兩種流動狀態(tài)：紊流狀態(tài)、層流狀態(tài)當(dāng)Re≤2000(2320)時，流動為層流；當(dāng)Re＞2000時，即認(rèn)為流動是紊流。當(dāng)前第23頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)紊流:

L*≈（25～40）d

入口段長度：圓管中流體的層流流動管內(nèi)速度分布呈旋轉(zhuǎn)拋物面形狀；

平均流速為管子軸心流速的一半。

圓管中的流量：

當(dāng)前第24頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)對于水平圓管，h不變哈根一泊肅葉公式管流法測黏度流體的壓強(qiáng)降當(dāng)前第25頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)由前述沿程損失公式：及三、達(dá)西公式:得：可見，層流流動的沿程損失與平均流速的一次方成正比當(dāng)前第26頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)動能修正系數(shù)：動量修正系數(shù)：四、其它系數(shù):在圓管中黏性流體的層流運(yùn)動的實(shí)際動能等于按平均流速計算動能的兩倍。當(dāng)前第27頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)對水平放置的圓管此式對于圓管中粘性流體的層流和紊流流動都適用在管壁上由前所述當(dāng)前第28頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)解：假定流動為充分發(fā)展的層流，則：為層流，表明假定正確當(dāng)前第29頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)解：截面1、2的動能相等，則其機(jī)械能可表示為：截面2截面1流體從截面2流向截面1當(dāng)前第30頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)假定管內(nèi)為層流平均流速當(dāng)前第31頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)第五節(jié)黏性流體的紊流流動紊流流動運(yùn)動規(guī)律難以尋找，所用的都是一些經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)的公式。層流：流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動互不混雜、有規(guī)則。紊流：流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動彼此混雜、互相碰撞和穿插、無規(guī)則運(yùn)動，并有渦體產(chǎn)生。運(yùn)動要素隨時間變化、無規(guī)律。牛頓內(nèi)摩擦定律不能適用。當(dāng)前第32頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)瞬時軸向速度與時均速度圖時均速度和脈動速度紊流中，流體質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過空間某一固定點(diǎn)時，速度、壓力等總是隨時間變化的，而且毫無規(guī)律，這種現(xiàn)象稱為脈動現(xiàn)象。當(dāng)前第33頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)對某點(diǎn)的長時間觀察發(fā)現(xiàn)，盡管每一時刻速度等參數(shù)的大小和方向都在變化，但它都是圍繞某一個平均值上下波動。于是流體質(zhì)點(diǎn)的瞬時值就可以看成是這個平均值與脈動值之和。瞬時軸向速度與時均速度圖當(dāng)前第34頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)時均速度脈動速度瞬時速度脈動速度的時均值等于零垂直于管軸的截面也有脈動，其脈動速度隨時間變化規(guī)律與軸向的類似，其時均值等于零。同理當(dāng)前第35頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)空間各點(diǎn)時均速度不隨時間改變的紊流流動稱為準(zhǔn)定常流動或時均定常流。

工程中，關(guān)心的是主流的速度、壓強(qiáng)分布，對應(yīng)的正是時均速度和時均壓強(qiáng)。測速管、普通測壓計測得的是速度和壓強(qiáng)的時間的平均值；伯努利方程仍成立一般情況下，采用流動參數(shù)的時均值來研究流體的紊流流動。時均速度和截面平均速度不同當(dāng)前第36頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)二、紊流中的切向應(yīng)力層流：內(nèi)摩擦引起的的摩擦切應(yīng)力。紊流：時均切應(yīng)力可以看成是兩部分之和：●第一部分：流層間相對滑移引起的切向應(yīng)力●第二部分：由脈動速度所產(chǎn)生的附加切應(yīng)力當(dāng)前第37頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)普朗特的混合長假說：流體微團(tuán)在和其他流體微團(tuán)碰撞前要經(jīng)過一段路程：當(dāng)速度為流層中的微團(tuán)向上脈動到速度為的流層時，它們的速度差為：脈動速度示意圖其它計算方法當(dāng)前第38頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)當(dāng)速度為流層中微團(tuán)向下脈動到速度為的流層時，它們的速度差為：上述速度差即為y處流層的縱向脈動速度橫向脈動速度與縱向脈動速度應(yīng)為同一數(shù)量級當(dāng)前第39頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)由于橫向脈動，單位時間經(jīng)過dA進(jìn)入中間流層的流體引起的動量變化值為根據(jù)動量定理，兩流層在dA上的相互作用力為：由此可得：取：當(dāng)前第40頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)與μ不同，它不是流體的屬性，它只決定于流體的密度、時均速度梯度和混合長度?！旌祥L度脈動切向應(yīng)力與混合長度和時均速度梯度乘積的平方成正比。湍流粘性系數(shù)當(dāng)前第41頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)三、圓管中紊流的速度分布和沿程損失1.圓管中的紊流區(qū)劃紊流運(yùn)動中，由于流體渦團(tuán)相互摻混，互相碰撞，因而產(chǎn)生了流體內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)間的動量傳遞；動量大的流體質(zhì)點(diǎn)將動量傳遞給動量小的質(zhì)點(diǎn)，動量小的流體質(zhì)點(diǎn)牽制動量大的質(zhì)點(diǎn)，結(jié)果造成斷面流速分布的均勻化。當(dāng)前第42頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)黏性底層：在緊貼管壁很薄的流層中紊流脈動消失，粘滯力的阻滯作用使流速急劇下降，速度分布比較陡峭，速度梯度大。過渡部分很薄，一般不單獨(dú)考慮，將其和中間部分合在一起統(tǒng)稱為紊流部分。黏性底層的厚度很薄，但對紊流流動的能量損失及換熱有重要的影響。當(dāng)前第43頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)水力光滑與水力粗糙絕對粗糙度(ε)：管壁粗糙凸出部分的平均高度相對粗糙度：ε/d（P104，表6-1）水力光滑水力粗糙δ＞ε光滑管δ<ε粗糙管水力光滑和水力粗糙是由黏性底層和絕對粗糙度的相對大小來確定。當(dāng)前第44頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)或黏性底層計算經(jīng)驗(yàn)式—管徑—沿程損失系數(shù)黏性底層的厚度隨雷諾數(shù)的改變而變化，其計算的半經(jīng)驗(yàn)公式為：管壁粗糙度對流動能量損失的影響只有流動處于水力粗糙狀態(tài)時才能體現(xiàn)出來。當(dāng)前第45頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)2.圓管中紊流的速度分布

為什么？怎么得到？假定整個區(qū)域內(nèi)光滑平壁光滑圓管粗糙圓管在黏性底層，普蘭特假說當(dāng)前第46頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)1）紊流流經(jīng)光滑平壁切向應(yīng)力速度（摩擦速度）摩擦速度為常數(shù)在高雷諾數(shù)時，與觀察結(jié)果十分吻合，也可作為光滑圓管中紊流速度分布的近似公式。當(dāng)前第47頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)

紊流光滑管尼古拉茲由實(shí)驗(yàn)得出當(dāng)時，最大流速為在y處的流速為平均流速當(dāng)前第48頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)簡化的指數(shù)方程：平均流速：當(dāng)前第49頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)2)紊流粗糙管假定紊流流過粗糙壁面時，速度分布為為由管壁粗糙性質(zhì)確定的形狀系數(shù)。當(dāng)前第50頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)尼古拉茲由實(shí)驗(yàn)得出最大流速平均流速當(dāng)前第51頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)3.圓管中紊流的沿程損失經(jīng)試驗(yàn)修正：紊流光滑管：紊流粗糙管：經(jīng)試驗(yàn)修正：當(dāng)前第52頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)第七節(jié)沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究沿程損失層流：紊流：紊流光滑管：紊流粗糙管：當(dāng)前第53頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)一、尼古拉茲實(shí)驗(yàn)1.目的：原理和裝置：用不同粗糙度的人工粗糙管，測出不同雷諾數(shù)下的，然后由

算出.當(dāng)前第54頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)3.結(jié)果分析：尼古拉茲圖可分為五個區(qū)域：1.層流區(qū)2.過渡區(qū)3.紊流光滑區(qū)4.紊流過渡粗糙區(qū)5.紊流完全粗糙區(qū)尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線當(dāng)前第55頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)1.層流區(qū)(Re<2320)管壁的相對粗糙度對沿程損失系數(shù)沒有影響，對數(shù)圖中為一斜直線ab.2.過渡區(qū)(2320＜Re＜4000)在曲線bc上,只與雷諾數(shù)有關(guān)，為圖中的Ⅱ區(qū)域。當(dāng)前第56頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)3.紊流光滑區(qū)不同相對粗糙度管流的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)都落在傾斜線cd上，沿程阻力系數(shù)與相對粗糙度無關(guān)，只與雷諾數(shù)有關(guān)。勃拉休斯公式通用卡門一普朗特公式尼古拉茲公式λ=0.0032+0.221Re-0.237帶入沿程損失計算公式，與次方成正比，因此也稱1.75次方阻力區(qū)。當(dāng)前第57頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)4.紊流粗糙管過渡區(qū)洛巴耶夫公式這一區(qū)域的沿程損失系數(shù)與相對粗糙度和雷諾數(shù)有關(guān)，在圖中為區(qū)域Ⅳ。相對粗糙度大的管子首先離開cd線，并隨雷諾數(shù)增大沿程損失系數(shù)也增大。當(dāng)前第58頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)上節(jié)小結(jié)圓管層流時動能修正系數(shù)：動量修正系數(shù)：圓管紊流時用時均值研究紊流運(yùn)動伯努利方程適應(yīng)牛頓內(nèi)摩擦定律不能適用流速分布的均勻化當(dāng)前第59頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)紊流切應(yīng)力計算：根據(jù)黏性底層厚度和絕對粗糙度相對大小判斷水力光滑和水力粗糙兩種狀態(tài)。尼古拉茲實(shí)驗(yàn)沿程損失與速度的一次方成正比，沿程損失系數(shù)只與雷諾數(shù)有關(guān)。1.層流區(qū)(Re<2320)當(dāng)前第60頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)不穩(wěn)定區(qū)域2.過渡區(qū)(2320＜Re＜4000)3.紊流光滑區(qū)沿程損失與速度的1.75次方成正比，沿程損失系數(shù)只與雷諾數(shù)有關(guān)。4.紊流粗糙管過渡區(qū)沿程損失系數(shù)與相對粗糙度和雷諾數(shù)有關(guān)當(dāng)前第61頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)5.紊流粗糙管平方阻力區(qū)這一區(qū)域的沿程損失系數(shù)與雷諾數(shù)無關(guān)，只與相對粗糙度有關(guān)，能量損失與速度平方成正比，在圖中為區(qū)域Ⅴ。尼古拉茲公式分界線ef的雷諾數(shù)：當(dāng)前第62頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)二、莫迪圖莫迪圖主要用于計算新的工業(yè)管道的沿程損失系數(shù)。尼古拉茲實(shí)驗(yàn)采用的是人工粗糙管，與工業(yè)上所用管道的粗糙度不同。紊流過渡區(qū)的計算公式：完全紊流分界線ef的雷諾數(shù)：當(dāng)前第63頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)當(dāng)前第64頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)當(dāng)前第65頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)當(dāng)前第66頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)當(dāng)前第67頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)●

第一類問題計算方式：根據(jù)雷諾數(shù)和相對粗糙度，查莫迪圖得沿程損失系數(shù)，帶入公式可得所要結(jié)果。已知假定求得查得●第二類問題●第三類問題假定求得查得當(dāng)前第68頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)第七節(jié)非圓形管道沿程損失的計算非圓形管道的當(dāng)量直徑：

對充滿流體的圓形管道:當(dāng)前第69頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)對邊長為a的正方形管道:長方形管道：圓環(huán)形管道：管束：當(dāng)前第70頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)為避免計算時誤差過大，長方形截面的長邊最大不超過短邊的8倍，圓環(huán)形截面的大直徑至少要大于小直徑3倍。非圓形截面管道的沿程阻力損失及雷諾數(shù)當(dāng)前第71頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)解：矩形風(fēng)道的當(dāng)量直徑查得34℃空氣的運(yùn)動黏度為1.63×10-5m2/s，則當(dāng)前第72頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)鍍鋅鋼板的絕對粗糙度為0.15mm相對粗糙度：查莫迪圖得：根據(jù)伯努利方程：當(dāng)前第73頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)第八節(jié)局部損失流體經(jīng)過這些局部件時，由于通流截面、流動方向的急劇變化，引起速度場的迅速改變，增大流體間的摩擦、碰憧以及形成旋渦等原因,從而產(chǎn)生局部損失。流體經(jīng)過閥門、彎管、突擴(kuò)和突縮等管件。當(dāng)前第74頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)一、管道截面突然擴(kuò)大1.損失機(jī)理a.速度分布變化附加摩擦；b.流體微團(tuán)的碰撞；c.管壁拐角處的漩渦。p2.的描述

根據(jù)連續(xù)方程:根據(jù)動量方程:當(dāng)前第75頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，p=p1對截面1-1、2-2列伯努利方程（取動能修正系數(shù)α=1）當(dāng)前第76頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)由于特例A2>>A1

ζ1≈1即：p當(dāng)前第77頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)二、管道截面突然縮小收縮系數(shù)：連續(xù)性方程：損失機(jī)理a.速度分布變化附加的摩擦；b.流體微團(tuán)的碰撞；c.管壁拐角處的漩渦。根據(jù)前面的分析：當(dāng)前第78頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)實(shí)驗(yàn)表明：時，時，假定變化為線性的，則可得不同突縮管道的局部損失系數(shù)。當(dāng)時，當(dāng)前第79頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)三、彎管損失機(jī)理a.速度分布變化附加的摩擦損失；b.漩渦產(chǎn)生的損失；c.雙螺旋流動產(chǎn)生的損失。

ef和gh處的流體因黏滯力作用而流速降低，則上下壁面至中心線的流速將逐漸增大。流速大，則所受的離心慣性力也大，因此b處的壓強(qiáng)大于f和g處的壓強(qiáng)，流體流向f和g。當(dāng)前第80頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)阻力計算公式：●隨彎管的總彎角θ、彎管的管徑與彎管中心線的曲率半徑之比d/R有關(guān)。●當(dāng)兩個管件非?？拷鼤r，它們相互影響，如將兩個管件的局部損失相疊加，則比實(shí)際損失大。

●在管道系統(tǒng)的設(shè)計中，常將管件的局部損失換算為等值長度的沿程損失。當(dāng)前第81頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)當(dāng)前第82頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)解：縫隙為環(huán)形通道，其當(dāng)量直徑為對縫隙進(jìn)出口列伯努利方程，得：則：當(dāng)前第83頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)無擴(kuò)大溝槽這一裝置時，漏流的速度為漏損流量為因此，增加擴(kuò)大溝槽裝置能大幅減少漏損流量。當(dāng)前第84頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)第九節(jié)各類管流的水力計算(1)根據(jù)給定的管道直徑、管道布置和流量來驗(yàn)算壓強(qiáng)損失；（第一類問題）(2)根據(jù)給定的管道直徑、管道布置和允許的壓強(qiáng)損失，校核流量；（第二類問題）(3)根據(jù)給定的流量和允許的壓強(qiáng)損失確定管道直徑和管道布置。（第三類問題）管道水力計算的主要任務(wù)：當(dāng)前第85頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)管道水力計算的基本公式：能量損失hp為外界（泵、風(fēng)機(jī)等）加給單位重量流體的機(jī)械能。伯努利方程連續(xù)性方程當(dāng)前第86頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)一、簡單管道定義：管徑和管壁粗糙度均相同的一根管子或這樣的數(shù)根管子串聯(lián)在一起的管道系統(tǒng)。烏得公式：其中：對于和范圍內(nèi)的計算公式的精度較高，便于編寫程序。柯列布茹克公式當(dāng)前第87頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)●

第一類問題計算方式：根據(jù)雷諾數(shù)和相對粗糙度，查莫迪圖得沿程損失系數(shù)，帶入公式可得所要結(jié)果。已知假定求得查得●第二類問題●第三類問題假定求得查得當(dāng)前第88頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)二、串聯(lián)管道定義：由不同管徑或粗糙度的數(shù)段管子聯(lián)在一起的管道。管道損失等于各段損失之和。對A、B截面應(yīng)用伯努利方程連續(xù)性方程：當(dāng)前第89頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)●

第一類問題已知●第二類問題求解過程同簡單管道當(dāng)前第90頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)當(dāng)前第91頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)根據(jù)假定某一雷諾數(shù)，取同理，求得由莫迪圖查得：求得當(dāng)前第92頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)三、并聯(lián)管道定義：由不同管徑或粗糙度的數(shù)段管子并聯(lián)在一起的管道。并聯(lián)管道的損失等于各分管道的損失，總流量等于各分管路流量的總和。當(dāng)前第93頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)并聯(lián)管道各之路中流體的損失相等，是指各支路的單位重量流體的機(jī)械能損失相等，但由于各支路流量不一定相等，因此各支路全部流體的總機(jī)械能損失不一定相等。兩類計算問題：1、已知A、B兩點(diǎn)的靜水頭線，求總流量已知靜水頭線即已知AB管段的能量損失，可按串聯(lián)管道的第二類問題進(jìn)行計算。當(dāng)前第94頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)上節(jié)小結(jié)非圓形管道的當(dāng)量直徑：局部阻力損失：突擴(kuò)：突縮：當(dāng)前第95頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)●

第一類問題計算方式：根據(jù)雷諾數(shù)和相對粗糙度，查莫迪圖得沿程損失系數(shù)，帶入公式可得所要結(jié)果。已知假定求得查得●第二類問題●第三類問題假定求得查得當(dāng)前第96頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)簡單管道管徑和管壁粗糙度均相同由不同管徑或粗糙度的數(shù)段管子組成串聯(lián)管道并聯(lián)管道各分管道單位質(zhì)量流體的能量損失相等當(dāng)前第97頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)2、已知總流量，求各分管段的流量及能量損失。假定求得求得求得相差小YN令當(dāng)前第98頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)解：由于管道很長，忽略管道的局部阻力損失。采用烏得公式計算沿程阻力系數(shù)。當(dāng)前第99頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)對于管段1：為紊流過渡區(qū)在烏得公式中：求得：當(dāng)前第100頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)對于管段2：求得求得試取求得得當(dāng)前第101頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)對于管段3：查得求得試取求得查得當(dāng)前第102頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)各分支管道的流量為當(dāng)前第103頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)根據(jù)伯努利方程當(dāng)前第104頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)四、分支管路根據(jù)流量平衡原則假定得各段得各段判斷是否連續(xù)YN得到新的靜水頭高度當(dāng)前第105頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)分支管道中裝有泵假設(shè)通過泵的流量求吸入邊靜水頭高求出水邊靜水頭高求匯合處靜水頭高求分支流量判斷是否連續(xù)Y當(dāng)前第106頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)當(dāng)前第107頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)解：泵的壓頭—流量曲線近似表示為根據(jù)泵的特性數(shù)據(jù)可得：試取流經(jīng)泵的流量為則當(dāng)前第108頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)對于管段1：求得：由此可求得當(dāng)前第109頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)對于管段2：經(jīng)同樣過程，可得試取：求得：由此可求得再取開始新一輪計算當(dāng)前第110頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)五、管網(wǎng)由若干管道環(huán)路相連結(jié)，在節(jié)點(diǎn)處流出的流量來自幾個環(huán)路的管道系統(tǒng)稱為管網(wǎng)。水力計算原則：1）流入結(jié)點(diǎn)的流量應(yīng)等于流出結(jié)點(diǎn)的流量。取流出流量為正，流入的流量為負(fù)，則對任一結(jié)點(diǎn)：當(dāng)前第111頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)2）在任意環(huán)路中，由某一結(jié)點(diǎn)沿兩個方向到另一個結(jié)點(diǎn)的能量損失相等。以逆時針方向流動的損失為正，順時針方向的損失為負(fù)，則任一環(huán)路能量損失的代數(shù)和為零。各管道沿程損失以體積流量來表示，可寫為當(dāng)前第112頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)計算步驟初選各管道流向和流量求各管道能量損失YNY當(dāng)前第113頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)第十節(jié)幾種常用的技術(shù)裝置一、集流器測風(fēng)裝置它是風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)中常用的測流量的裝置。集流器減小進(jìn)口阻力損失使進(jìn)口速度分布均勻當(dāng)前第114頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)對0-0和1-1截面列總流伯努利方程：集流器速度系數(shù)錐頂角為60°的圓錐形集流器，圓弧形集流器，當(dāng)前第115頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)二、虹吸管液體由較高液位的一端經(jīng)高出液面的管段自動流向較低液位的另一端，這一現(xiàn)象稱為虹吸現(xiàn)象。

吸水虹吸管的吸水高度h一般不超過7m。對上下游液面列伯努利方程當(dāng)前第116頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)對1、2截面列伯努利方程液體在所處溫度下的飽和壓強(qiáng)為，則允許的吸水高度為：當(dāng)前第117頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)當(dāng)前第118頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)當(dāng)前第119頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)三、薄壁堰液體越過障壁漫溢的流動稱為堰流，在水利工程中廣泛應(yīng)用。按障壁缺口形式分為矩形堰和三角形堰縮流堰平流堰三角形堰堰頂厚度除以堰前水頭小于0.67當(dāng)前第120頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)第十一節(jié)液體出流孔口分類：第一類：薄壁孔口：厚壁孔口：S為容器壁厚或孔口銳緣厚度當(dāng)前第121頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)第二類：小孔口：大孔口：可忽略孔口截面上各點(diǎn)速度的差異滿足的條件——不能忽略孔口截面上各點(diǎn)速度的差異當(dāng)前第122頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)第三類：自由出流：淹沒出流：液體通過孔口流入大氣液體通過孔口流入液體空間當(dāng)前第123頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)一、薄壁孔口定常出流1、薄壁小孔口定常自由出流對截面1-1和c-c截面列總流伯努利方程出流流束的截面在離孔口d/2的地方收縮到最小，這里可視為緩變流。截面收縮的程度用當(dāng)前第124頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)流速系數(shù)流量系數(shù)若容器上面為敞口，則有：表征孔口出流性能的主要是孔口出流系數(shù)，包括收縮系數(shù)，流速系數(shù)和流量系數(shù)。當(dāng)前第125頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)1）收縮系數(shù)表示出流流束收縮的程度實(shí)驗(yàn)表明：側(cè)壁離孔口的距離在一定范圍內(nèi)將影響流束的收縮和出流流量。全部收縮出流流束的全部周界都發(fā)生收縮。部分收縮出流流束只有部分發(fā)生收縮孔口有一邊或兩邊位于壁面上。條件：當(dāng)前第126頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)完善收縮側(cè)壁對流束的收縮沒有影響各邊離側(cè)壁的距離均大于孔口邊長的3倍以上。條件：當(dāng)前第127頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)孔口所在壁面的濕潤面積非完善收縮：有的邊離側(cè)壁的距離小于孔口邊長的3倍。2）流速系數(shù)對理想流體，不存在阻力損失，因此流速系數(shù)是實(shí)際流速與理想流速的比值當(dāng)前第128頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)流速系數(shù)的測定：假定容器為敞口，流束射入大氣時流體微團(tuán)的運(yùn)動方程為：當(dāng)時，，局部損失系數(shù)為當(dāng)前第129頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)3）流量系數(shù)根據(jù)對流速系數(shù)的分析可知，流量系數(shù)是實(shí)際流量和理想流量的比值。通過實(shí)驗(yàn)測得H、A和流量，便可求得流量系數(shù)。當(dāng)時，當(dāng)前第130頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)當(dāng)液體出流為薄壁小孔淹沒出流時，流速與流量的計算公式相同，流速系數(shù)和流量系數(shù)數(shù)值也相同，但H為兩液面的高度差。薄壁小孔淹沒出流當(dāng)前第131頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)2、薄壁大孔定常出流對大孔口定常自由出流，應(yīng)保持不變。對截面1-1和c-c截面列總流伯努利方程引入收縮系數(shù)面積比當(dāng)前第132頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)流速系數(shù)流量系數(shù)因此，大孔口和小孔口出流流速和流量的計算公式形式完全相同，差別在于出流系數(shù)不同對于大孔口的淹沒出流，流速和流量計算公式同上，但H為兩液面的高度。當(dāng)前第133頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)上節(jié)小結(jié)幾種常用的技術(shù)裝置集流器可大幅降低入口的局部阻力損失虹吸管的吸收高度一般不超過7m液體出流不同形式孔口出流的計算公式相同，差別在于出流系數(shù)不同；對于淹沒出流，但H為兩液面的高度差。當(dāng)前第134頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)孔板流量計孔板流量計是電廠中測量水和蒸汽流量常用的節(jié)流裝置，此外還廣泛應(yīng)用于石化、冶金、制藥等領(lǐng)域的液體、氣體、蒸汽流量的測定。經(jīng)孔板的流動屬于薄壁大孔口淹沒出流當(dāng)前第135頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)考慮不同因素的影響，并根據(jù)前面的計算公式當(dāng)前第136頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)對給定的m，隨增大而減小，當(dāng)時，對，查得的應(yīng)乘以黏度修正系數(shù)注意：和是幾何尺寸系數(shù)m和雷諾數(shù)的函數(shù)，為極限雷諾數(shù)。對非表內(nèi)的管徑或m值對應(yīng)的，可按內(nèi)插法求得。當(dāng)前第137頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)二、外伸管嘴定常出流對截面1-1和2-2截面列總流伯努利方程能量損失分為三部分：●進(jìn)口損失，損失系數(shù)●縮頸后的擴(kuò)大損失，●后半段的沿程損失，當(dāng)前第138頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)由此可聯(lián)立求得流速系數(shù)流量系數(shù)當(dāng)前第139頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)對厚壁小孔口，則進(jìn)口局部損失系數(shù)：突然擴(kuò)大局部損失系數(shù)：沿程損失系數(shù)換算為局部損失系數(shù)（?。┊?dāng)前第140頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)則，根據(jù)實(shí)測結(jié)果由此，可計算厚壁小孔口出流的流速系數(shù)：能量損失流量薄壁小孔口?。?.06）?。?.61）厚壁小孔口大（0.5）大（0.82）近似于突縮管的局部阻力系數(shù)。當(dāng)前第141頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)縮頸處的壓強(qiáng)低于大氣壓強(qiáng)，該處真空的抽吸作用使流量增大。保持管嘴內(nèi)真空的條件：噴嘴長度不能太短縮頸處壓強(qiáng)應(yīng)不低于液體的飽和壓強(qiáng)當(dāng)當(dāng)前第142頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)三、各種管嘴的出流系數(shù)薄壁孔口外伸內(nèi)伸收縮擴(kuò)張流線形當(dāng)前第143頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)當(dāng)前第144頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)當(dāng)前第145頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)解：當(dāng)前第146頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)由此可得：當(dāng)前第147頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)按表6-5取可求得：當(dāng)前第148頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)四、薄壁孔口非定常出流某一瞬時t，容器內(nèi)的液位為z孔口的出流量為：根據(jù)質(zhì)量守恒：對上式進(jìn)行積分，即可求得液位從H1降至H2所需的時間：當(dāng)前第149頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)對于等截面容器，，完成積分可得：令，，則放空時間為：可見，等截面容器中液體放空時間等于在恒定水頭作用下放空同樣體積流體所需時間的兩倍。該公式可適用于其他類型管嘴或短管，只需改變流量系數(shù)；對于液體灌注容器，該公式同樣適用。當(dāng)前第150頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)當(dāng)前第151頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)當(dāng)前第152頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)第十二節(jié)水擊現(xiàn)象水擊現(xiàn)象：以一定壓強(qiáng)流動的水由于受阻,流速突然降低，壓強(qiáng)突然升高。突然升高的壓強(qiáng)迅速向上游傳播，并在一定條件下反射回來，產(chǎn)生往復(fù)波動而引起管道振動，甚至形成轟轟的振動聲。一、水擊現(xiàn)象的全過程的描述（見下圖）當(dāng)前第153頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)閥門突然關(guān)閉時水擊現(xiàn)象的全過程當(dāng)前第154頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)由于液體的壓縮膨脹和管道的變形要消耗能量，故波動振蕩衰減直到消失。當(dāng)前第155頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)二、水擊壓強(qiáng)如圖，當(dāng)水擊開始后，壓縮波傳遞距離為該段內(nèi)的流體質(zhì)量=原來的質(zhì)量+補(bǔ)充進(jìn)來的質(zhì)量，即有：假定新增環(huán)面上的受力平衡則該段的軸向受力：當(dāng)前第156頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)

由動量方程：?。嚎伤愕卯?dāng)前第157頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)四、直接水擊和間接水擊以及減弱水擊的措施直接水擊閥門關(guān)閉時間，即第一道反射的膨脹波還沒達(dá)到閥門時，閥門已經(jīng)完全關(guān)閉。陸續(xù)到達(dá)閥門時，閥門還沒有完全關(guān)閉。間接水擊閥門關(guān)閉時間，即反射的膨脹波（二）減弱措施

1）避免直接水擊,盡量延長作用時間。

2）采取過載保護(hù)——蓄能器、緩沖閥等。

3）形成間接水擊，使用彈性好的管子。直接水擊時，閥門處產(chǎn)生最大的水擊壓強(qiáng)。間接水擊時，閥門處產(chǎn)生水擊壓強(qiáng)將小于。當(dāng)前第158頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)水錘泵原理圖當(dāng)前第159頁\共有175頁\編于星期五\11點(diǎn)第十三節(jié)氣穴和氣蝕簡介一、氣穴由于壓強(qiáng)降低而產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象稱為氣穴（空泡）現(xiàn)象。分離壓強(qiáng)低于時，溶解在液體中的氣體游離出來形成氣泡飽和壓強(qiáng)低于時