流體力學(xué)管流損失和水力計(jì)算

1、第六章 管流損失和水力計(jì)算,6.1 管內(nèi)流動(dòng)的能量損失,6.2 粘性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài),6.3 管道入口段中的流動(dòng),6.4 圓管中流體的層流流動(dòng),6.5 粘性流體的紊流流動(dòng),6.6 沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究,6.7 非圓形管道沿程損失的計(jì)算,6.8 局部損失,6.9 綜合應(yīng)用舉例,6.10 管道水力計(jì)算,6.11 液體的出流,6.12 水擊現(xiàn)象,6.13 氣穴和汽蝕現(xiàn)象,6.1 管內(nèi)流動(dòng)的能量損失,兩大類(lèi)流動(dòng)能量損失: 1.沿程能量損失 2.局部能量損失,一、沿程能量損失,發(fā)生在緩變流整個(gè)流程中的能量損失，由流體的粘滯力造成的損失。,單位重力流體的沿程能量損失,沿程損失系數(shù),管道長(zhǎng)度,管道內(nèi)徑,單位

2、重力流體的動(dòng)壓頭（速度水頭）。,二、局部能量損失,發(fā)生在流動(dòng)狀態(tài)急劇變化的急變流中的能量損失，即在管件附近的局部范圍內(nèi)主要由流體微團(tuán)的碰撞、流體中產(chǎn)生的漩渦等造成的損失。,單位重力流體的局部能量損失。,單位重力流體的動(dòng)壓頭（速度水頭）。,局部損失系數(shù),三、總能量損失,整個(gè)管道的能量損失是分段計(jì)算出的能量損失的疊加。,總能量損失。,6.2 粘性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài),一、雷諾實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)裝置,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,過(guò)渡狀態(tài),紊流,層流：整個(gè)流場(chǎng)呈一簇互相平行的流線(xiàn)。著色流束為一條明晰細(xì)小的直線(xiàn)。,紊流：流體質(zhì)點(diǎn)作復(fù)雜的無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。著色流束與周?chē)黧w相混，顏色擴(kuò)散至整個(gè)玻璃管。,過(guò)渡狀態(tài)：流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)處于不穩(wěn)定

3、狀態(tài)。著色流束開(kāi)始振蕩。,二、兩種流動(dòng)狀態(tài)的判定,1、實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),2、臨界流速,下臨界流速（紊層）,上臨界流速（層紊）,層 流：,不穩(wěn)定流：,紊 流：,流動(dòng)較穩(wěn)定,流動(dòng)不穩(wěn)定,圓管中恒定流動(dòng)的流態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化時(shí)對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)稱(chēng)為臨界雷諾數(shù)，又分為上臨界雷諾數(shù)和下臨界雷諾數(shù)。上臨界雷諾數(shù)表示超過(guò)此雷諾數(shù)的流動(dòng)必為紊流，它很不確定，跨越一個(gè)較大的取值范圍。有實(shí)際意義的是下臨界雷諾數(shù)，表示低于此雷諾數(shù)的流動(dòng)必為層流，有確定的取值，圓管定常流動(dòng)取為,12000-40000,3。臨界雷諾數(shù)rd4.18,實(shí)際流體的流動(dòng)之所以會(huì)呈現(xiàn)出兩種不同的型態(tài)是擾動(dòng)因素與粘性穩(wěn)定作用之間對(duì)比和抗衡的結(jié)果。即慣性擾動(dòng)和粘性穩(wěn)定之

4、間對(duì)比和抗衡的結(jié)果。,粘性穩(wěn)定,擾動(dòng)因素,d,v,利于穩(wěn)定,對(duì)比抗衡,三、流動(dòng)狀態(tài)與水頭損失的關(guān)系,實(shí)驗(yàn)裝置,實(shí)驗(yàn)結(jié)果,結(jié)論： 沿程損失與流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，故計(jì)算各種流體通道的沿程損失，必須首先判別流體的流動(dòng)狀態(tài)。,層流：,紊流：,四、流態(tài)的判斷標(biāo)準(zhǔn)雷諾數(shù),1、雷諾數(shù) 流體的流動(dòng)狀態(tài)是層流還是紊流，與流速v、管徑d和流體的黏性等物理性質(zhì)有關(guān)。雷諾根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，流體的臨界流速v與流體的動(dòng)力黏度 成正比，與管內(nèi)徑d和流體的密度 成反比。,動(dòng)力粘度,運(yùn)動(dòng)粘度,平均流速,慣性力與粘性力的比可用雷諾數(shù)Re來(lái)表示，即：,2、臨界雷諾數(shù),對(duì)于任意一種管內(nèi)液流或氣流，任何流態(tài)，都可以確定出一個(gè)雷諾值，處

5、于臨界狀態(tài)下的雷諾數(shù)稱(chēng)為臨界雷諾數(shù)，用 表示。 大量實(shí)驗(yàn)證明，不同流體通過(guò)不同管徑的管道，臨界雷諾數(shù)大致相同。 習(xí)慣上取2000，即： Re2000認(rèn)定為層流， Re2000認(rèn)定為紊流。,【例題6-1】水管徑d=100mm，流速v=0.5m/s，水的運(yùn)動(dòng)粘度 ，問(wèn)管內(nèi)水的流態(tài)？如果管中是油，流速不變，運(yùn)動(dòng)粘度 求管內(nèi)油的流態(tài)？ 解：水的雷諾數(shù) 油的雷諾數(shù)：,水在管中呈紊流狀態(tài),油在管中呈層流狀態(tài),6.3 管道入口段粘性流體的流動(dòng),一、邊界層,當(dāng)粘性流體流經(jīng)固體壁面時(shí)，在固體壁面與流體主流之間必定有一個(gè)流速變化的區(qū)域，在高速流中這個(gè)區(qū)域是個(gè)薄層，稱(chēng)為邊界層。,二、管道入口段,當(dāng)粘性流體流入圓管,

6、由于受管壁的影響,在管壁上形成邊界層,隨著流動(dòng)的深入,邊界層不斷增厚,直至邊界層在管軸處相交,邊界層相交以前的管段,稱(chēng)為管道入口段（起始段），其長(zhǎng)度用 表示。,L*,非均勻流,均勻流,入口段內(nèi)和入口段后速度分布特征,入口段內(nèi):,入口段后:,各截面速度分布不斷變化,各截面速度分布均相同,層流:,紊流:,本章所講的沿程損失系數(shù)的計(jì)算，只適用于管內(nèi)充分發(fā)展的流動(dòng)，不適合速度分布不斷變化的管道進(jìn)口段內(nèi)的流動(dòng)。,6.4 圓管中流體的層流流動(dòng),以?xún)A斜角為的圓截面直管道的不可壓縮粘性流體的定常層流流動(dòng)為例。,受力分析：,重 力:,側(cè)面的粘滯力:,兩端面總壓力:,列力平衡方程,兩邊同除 r2dl得,由于,得，

7、,一、切向應(yīng)力分布,粘性流體在圓管中作層流流動(dòng)時(shí)，同一截面上的切向應(yīng)力的大小與半徑成正比。,二、速度分布,將,代入,得，,對(duì)r積分得，,當(dāng)r= r0時(shí) vx=0，得,故：,粘性流體在圓管中作層流流動(dòng)時(shí)，流速的分布規(guī)律為旋轉(zhuǎn)拋物面。,斯托克斯公式,三、最大流速、平均流速、圓管流量、壓強(qiáng)降,1. 最大流速,管軸處:,3. 平均流速,2. 圓管流量,水平管:,哈根泊謖葉定律,即圓管中層流流動(dòng)時(shí)，平均流速為最大流速的一半。工程中應(yīng)用這一特性，可直接從管軸心測(cè)得最大流速?gòu)亩玫焦苤械牧髁?，這種測(cè)量層流的流量的方法是非常簡(jiǎn)便的。,4. 壓強(qiáng)降(流動(dòng)損失),水平管:,結(jié)論：,層流流動(dòng)的沿程損失與平均流速的

8、一次方成正比。,達(dá)西公式,【例題6 3】,四、其它公式,1. 動(dòng)能修正系數(shù),結(jié)論：,圓管層流流動(dòng)的實(shí)際動(dòng)能等于按平均流速計(jì)算的動(dòng)能的二倍,2. 壁面切應(yīng)力(水平管),自然界和工程中的大多數(shù)流動(dòng)都是紊流。工業(yè)生產(chǎn)中的許多工藝流程，如流體的運(yùn)輸、摻混、熱傳、冷卻和燃燒等過(guò)程都涉及紊流問(wèn)題，因此，紊流更具普遍性。 由于紊流的復(fù)雜性，目前只能在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析研究紊流的運(yùn)動(dòng)情況，在帶有某些假設(shè)的條件下，得出一些半經(jīng)驗(yàn)的結(jié)論。,6.5 粘性流體的紊流流動(dòng),紊流特點(diǎn)： （1）無(wú)序性、隨機(jī)性、有旋性、混摻性。 流體質(zhì)點(diǎn)不再成層流動(dòng)，而是呈現(xiàn)不規(guī)則紊動(dòng)，流層間質(zhì)點(diǎn)相互混摻，為無(wú)序的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。 （2）紊流受粘

9、性和紊動(dòng)的共同作用。 （3）運(yùn)動(dòng)要素脈動(dòng).,一、紊流流動(dòng)、時(shí)均值、脈動(dòng)值、時(shí)均定常流動(dòng),1. 紊流流動(dòng),流體質(zhì)點(diǎn)相互摻混，作無(wú)定向、無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)在時(shí)間和空間都是具有隨機(jī)性質(zhì)的運(yùn)動(dòng),屬于非定常流動(dòng)。,2.時(shí)均值、脈動(dòng)值,在時(shí)間間隔t 內(nèi)某一流動(dòng)參量的平均值稱(chēng)為該流動(dòng)參量的時(shí)均值。,瞬時(shí)值,某一流動(dòng)參量的瞬時(shí)值與時(shí)均值之差，稱(chēng)為該流動(dòng)參量的脈動(dòng)值。,時(shí)均值,脈動(dòng)值,3.時(shí)均定常流動(dòng),空間各點(diǎn)的時(shí)均值不隨時(shí)間改變的紊流流動(dòng)稱(chēng)為時(shí)均定常流動(dòng)，或定常流動(dòng)、準(zhǔn)定常流動(dòng)。,紊流中所有運(yùn)動(dòng)要素均進(jìn)行時(shí)均化處理， 紊流準(zhǔn)定常流。 定常流理論可用于分析紊流運(yùn)動(dòng)。,層流：,摩擦切向應(yīng)力,紊流：,摩擦切向應(yīng)力,

10、附加切向應(yīng)力,液體質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng)導(dǎo)致了質(zhì)量交換，形成了動(dòng)量交換和質(zhì)點(diǎn)混摻，從而在液層交界面上產(chǎn)生了紊流附加切應(yīng)力,+,1.紊流中的切向應(yīng)力,由動(dòng)量定律可知：,動(dòng)量增量等于紊流附加切應(yīng)力T產(chǎn)生的沖量,2.普朗特混合長(zhǎng)度,a,b,b,a,(1)流體微團(tuán)在從某流速的流層因脈動(dòng)vx進(jìn)入另一流速的流層時(shí)，在運(yùn)動(dòng)的距離l（普蘭特稱(chēng)此為混合長(zhǎng)度）內(nèi)，微團(tuán)保持其本來(lái)的流動(dòng)特征不變。,普朗特假設(shè):,(2)脈動(dòng)速度與時(shí)均流速差成比例,混合長(zhǎng)度,此速度差便是y處流層的縱向脈動(dòng)速度，其絕對(duì)值的時(shí)均質(zhì)為：,脈動(dòng)切向應(yīng)力與混合長(zhǎng)度l 和時(shí)均速度梯度乘積的平方成正比。,脈動(dòng)切向粘度，不是流體的屬性。,壓強(qiáng)減小,渦 體形成,升力

11、,紊流形成過(guò)程的分析,壓強(qiáng)增大,渦體是在流體從層流狀態(tài)發(fā)展到紊流狀態(tài)過(guò)程中產(chǎn)生的一種形態(tài)結(jié)構(gòu)。,渦體形成的前提: （1）流體的物理性質(zhì)，即流體具有粘性。 （2）流體的波動(dòng)。 渦體對(duì)流速的影響: 渦體形成以后，在渦體附近的流速分布將有所改變。原來(lái)流速較大流層的流動(dòng)方向與渦體旋轉(zhuǎn)的方向一致，故該流層的流速將更大，同時(shí)壓強(qiáng)減??；而原來(lái)流速較小流層的流動(dòng)方向與渦體旋轉(zhuǎn)的方向相反，故該層的流速將更小，同時(shí)壓強(qiáng)增大。結(jié)果導(dǎo)致渦體兩側(cè)有壓差產(chǎn)生，形成橫向升力（或下沉力），從而有可能推動(dòng)渦體脫離原流層摻入流速較快的流層，這就是產(chǎn)生紊流摻混的原因，但是此時(shí)還不一定就能產(chǎn)生摻混，進(jìn)而發(fā)展為紊流。 流體呈現(xiàn)什么狀態(tài)

12、，取決于擾動(dòng)的慣性作用與粘性的穩(wěn)定作用相互作用的結(jié)果。,三、圓管中紊流的速度分布和沿程損失,1.粘性底層 、圓管中紊流的區(qū)劃、水力光滑與水力粗糙,粘性底層:,粘性流體在圓管中紊流流動(dòng)時(shí)，緊貼固體壁面有一層很薄的流體，受壁面的限制，脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)幾乎完全消失，粘滯起主導(dǎo)作用，基本保持著層流狀態(tài)，這一薄層稱(chēng)為粘性底層。幾分之一毫米,圓管中紊流的區(qū)劃:,3.紊流充分發(fā)展的中心區(qū),1.粘性底層區(qū),2.由粘性底層區(qū)到紊流充分發(fā)展的中心區(qū)的過(guò)渡區(qū),水力光滑與水力粗糙,粘性底層厚度：,水力粗糙： ,紊流區(qū)域完全感受不到管壁粗糙度的影響。,管壁的粗糙凸出部分有一部分暴露在紊流區(qū)中，管壁粗糙度紊流流動(dòng)發(fā)生影響。,2.

13、圓管中紊流的速度分布,(1)光滑平壁面,假設(shè)整個(gè)區(qū)域內(nèi) = w=常數(shù),粘性底層內(nèi),粘性底層外,因,切向應(yīng)力速度(摩擦速度),(2)光滑直管,具有與平壁近似的公式,速度分布:,最大速度:,平均速度:,其它形式的速度分布:(指數(shù)形式),Re n v/vxmax,平均速度:,(3)粗糙直管,速度分布:,最大速度:,平均速度:,普蘭特卡門(mén)（德國(guó)力學(xué)家）根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料得出了圓管紊流流速分布的指數(shù)公式：,紊流過(guò)流斷面流速分布特點(diǎn),1、在層流邊界層和過(guò)渡區(qū)內(nèi)，速度仍是按拋物線(xiàn)分布，且速度梯度很大； 2、在紊流核心區(qū)，由于質(zhì)點(diǎn)相互劇烈混雜的結(jié)果，各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的速度被均勻化了，因此速度梯度較小，速度大致按對(duì)數(shù)曲線(xiàn)分布

14、。因此，紊流時(shí)均速度與斷面上的平均速度v甚為接近。,紊動(dòng)使流速分布均勻化,3.圓管中紊流的沿程損失,(1)光滑直管,(2)粗糙直管,實(shí)驗(yàn)修正后,實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?沿程損失:,層流:,紊流:,在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出某些假設(shè)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得計(jì)算紊流沿程損失系數(shù)的半經(jīng)驗(yàn)公式或經(jīng)驗(yàn)公式。,代表性實(shí)驗(yàn):,尼古拉茲實(shí)驗(yàn),莫迪實(shí)驗(yàn),6.6 沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究,一、尼古拉茲實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)對(duì)象:,不同直徑,圓管,不同流量,不同相對(duì)粗糙度,實(shí)驗(yàn)條件:,實(shí)驗(yàn)示意圖:,尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn),尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)的五個(gè)區(qū)域,層流區(qū),管壁的相對(duì)粗糙度對(duì)沿程損失系數(shù)沒(méi)有影響。,2. 過(guò)渡區(qū),不穩(wěn)定區(qū)域，可能是層流，也可能是紊流。,紊流光滑管區(qū),沿

15、程損失系數(shù)與相對(duì)粗糙度無(wú)關(guān)，而只與雷諾數(shù)有關(guān)。,勃拉休斯公式：,尼古拉茲公式：,卡門(mén)-普朗特公式：,紊流粗糙管過(guò)渡區(qū),沿程損失系數(shù)與相對(duì)粗糙度和雷諾數(shù)有關(guān)。,洛巴耶夫公式：,闊爾布魯克公式：,蘭格公式：,紊流粗糙管平方阻力區(qū),沿程損失系數(shù)只與相對(duì)粗糙度有關(guān)。,尼古拉茲公式：,此區(qū)域內(nèi)流動(dòng)的能量損失與流速的平方成正比，故稱(chēng)此區(qū)域?yàn)槠椒阶枇^(qū)。,二、莫迪實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)對(duì)象:,不同直徑,工業(yè)管道,不同流量,不同相對(duì)粗糙度,實(shí)驗(yàn)條件:,莫迪實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn),莫迪實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)的五個(gè)區(qū)域,1. 層流區(qū),層流區(qū),2. 臨界區(qū),3. 光滑管區(qū),5. 完全紊流粗糙管區(qū),4. 過(guò)渡區(qū),紊流光滑管區(qū),過(guò)渡區(qū),紊流粗糙管過(guò)渡區(qū),紊流

16、粗糙管平方阻力區(qū),6.7 非圓形管道沿程損失的計(jì)算,與圓形管道相同之處:,沿程損失計(jì)算公式,雷諾數(shù)計(jì)算公式,上面公式中的直徑d需用當(dāng)量直徑D來(lái)代替。,與圓形管道不同之處:,當(dāng)量直徑為4倍有效截面與濕周之比，即4倍水力半徑。,一、當(dāng)量直徑D,二、幾種非圓形管道的當(dāng)量直徑計(jì)算,1.充滿(mǎn)流體的矩形管道,2.充滿(mǎn)流體的圓環(huán)形管道,3.充滿(mǎn)流體的管束,6.8 局部損失,局部損失：,用分析方法求得，或由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。,局部損失產(chǎn)生的原因：,主要是由流體的相互碰撞和形成漩渦等原因造成,一、管道截面突然擴(kuò)大,流體從小直徑的管道流往大直徑的管道,取1-1、2-2截面以及它們之間的管壁為控制面。,連續(xù)方程,動(dòng)量方程,

17、能量方程,將連續(xù)方程、動(dòng)量方程代入能量方程，,以小截面流速計(jì)算的,以大截面流速計(jì)算的,當(dāng)管道和大面積水池相連時(shí),速度頭完全消散于池水中,管道出口系數(shù),二、管道截面突然縮小,流體從大直徑的管道流往小直徑的管道,流動(dòng)先收縮后擴(kuò)展，能量損失由兩部分損失組成,流束的收縮系數(shù),由實(shí)驗(yàn),等直管道,隨著直徑比由0.115線(xiàn)性減小到1,當(dāng)大面積水池和管道相連時(shí)，A1A2，A2/A1=0,管道進(jìn)口系數(shù)為0.5.,二、彎管,流體在彎管中流動(dòng)的損失由三部分組成:,2.由切向應(yīng)力產(chǎn)生的沿程損失,1.形成漩渦所產(chǎn)生的損失,3.由二次流形成的雙螺旋流動(dòng)所產(chǎn)生的損失,則,而,與長(zhǎng)度 l 成正比，則,【例】已知1,2,3及管

18、內(nèi)流速v , 求閥門(mén)（閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)）的局部阻力系數(shù)。,例如圖所示為用于測(cè)試新閥門(mén)壓強(qiáng)降的設(shè)備。21的水從一容器通過(guò)銳邊入口進(jìn)入管系，鋼管的內(nèi)徑均為50mm，絕對(duì)粗糙度為0.04mm，管路中三個(gè)彎管的管徑和曲率半徑之比d/R=0.1。用水泵保持穩(wěn)定的流量12m3h,若在給定流量下水銀差壓計(jì)的示數(shù)為150mm，(1)求水通過(guò)閥門(mén)的壓強(qiáng)降；(2)計(jì)算水通過(guò)閥門(mén)的局部損失系數(shù)；(3)計(jì)算閥門(mén)前水的計(jì)示壓強(qiáng)；(4)不計(jì)水泵損失，求通過(guò)該系統(tǒng)的總損失，并計(jì)算水泵供給水的功率。,【解】管內(nèi)的平均流速: m / s,(1)閥門(mén)流體經(jīng)過(guò)閥門(mén)的壓強(qiáng)降,Pa,（3）計(jì)算閥門(mén)前的計(jì)示壓強(qiáng)，由于要用到粘性流體的伯努里方程

19、，必須用有關(guān)已知量確定方程中的沿程損失系數(shù)。,(2)閥門(mén)的局部損失系數(shù) 由 解得,21的水密度近似取1000kg/m3，其動(dòng)力粘度為,Pa .s,26.98（d /）8/7=26.98（50/0.04）8/79.34104 由于4000Re26.98（ d / ）8/7，可按紊流光滑管的有關(guān)公式計(jì)算沿程損失系數(shù)，又由于 4000Re105，所以沿程損失系數(shù)的計(jì)算可用勃拉修斯公式，即,管內(nèi)流動(dòng)的雷諾數(shù)為,根據(jù)粘性流體的伯努里方程可解得,管道入口的局部損失系數(shù),Pa,(4) 根據(jù)已知條件d/R=0.1查表，彎管的局部阻力系數(shù),計(jì)單位重量流體經(jīng)過(guò)水泵時(shí)獲得的能量為hp，列水箱液面和水管出口的伯努里方

20、程,總損失,mH2O,由上式可解得,水泵的功率P為,mH2O,W,管道的種類(lèi):,簡(jiǎn)單管道,串聯(lián)管道,并聯(lián)管道,分支管道,一、簡(jiǎn)單管道,管道直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)。,計(jì)算基本公式,連續(xù)方程,沿程損失,能量方程,6.9 各類(lèi)管道水力計(jì)算,三類(lèi)計(jì)算問(wèn)題,（1）已知qV、l、d 、，求hf；,（2）已知hf 、 l、 d 、 、，求qV；,（3）已知hf 、 qV 、l、，求d。,簡(jiǎn)單管道的水力計(jì)算是其它復(fù)雜管道水力計(jì)算的基礎(chǔ)。,第一類(lèi)問(wèn)題的計(jì)算步驟,（1）已知qV、l、d 、，求hf；,qV、l、d,計(jì)算Re,由Re、查莫迪圖得,計(jì)算 hf,第二類(lèi)問(wèn)題的

21、計(jì)算步驟,（2）已知hf 、 l、 d 、 、，求qV；,假設(shè),由hf計(jì)算 v 、Re,由Re、查莫迪圖得New,校核 New,= New,N,Y,由hf計(jì)算 v 、 qV,第三類(lèi)問(wèn)題的計(jì)算步驟,（3）已知hf 、 qV 、l、，求d。,hf qV l ,計(jì)算 與 d的函數(shù)曲線(xiàn),由Re、查莫迪圖得New,校核 New,= New,N,Y,由hf計(jì)算 v 、 qV,二、串聯(lián)管道,由不同管道直徑和管壁粗糙度的數(shù)段根管子連接在一起的管道。,串聯(lián)管道水力特征,1.各管段的流量相等,2.總損失等于各段管 道中損失之和,串聯(lián)管路特性曲線(xiàn) 根據(jù)無(wú)分流時(shí)，先分段繪，再按同流量下水頭損失疊加得到總特性曲線(xiàn)：,兩

22、類(lèi)計(jì)算問(wèn)題,（1）已知串聯(lián)管道的流量qV，求總水頭H ；,（2）已知總水頭H，求串聯(lián)管道的流量qV 。,例6-9,6-23,三、并聯(lián)管道5.5,由幾條簡(jiǎn)單管道或串聯(lián)管道，入口端與出口端分別連接在一起的管道系統(tǒng)。,并聯(lián)管道水力特征,1.總流量是各分管段流量之和。,2.并聯(lián)管道的損失等于各分管道的損失。,并聯(lián)管路特性曲線(xiàn),同樣先分別繪制，再按同水頭損失下流量相加的方法得到總管特性曲線(xiàn)：,兩類(lèi)計(jì)算問(wèn)題,（1）已知A點(diǎn)和B點(diǎn)的靜水頭線(xiàn)高度（即z+p/g)，求總流量qV；,假設(shè),由hf計(jì)算 v 、Re,由Re、查莫迪圖得New,校核 New,= New,N,Y,由hf計(jì)算 v 、 qV,求解方法相當(dāng)于簡(jiǎn)

23、單管道的第二類(lèi)計(jì)算問(wèn)題。,（2）已知總流量qV ，求各分管道中的流量及能量損失 。,假設(shè)管1的 qV1,由qV1計(jì)算管1的hf1,由hf1求qV2和 qV3,hf1= hf2 = hf3,qV1 = qV1,N,結(jié)束計(jì)算,按qV1 、qV2 和qV3的比例計(jì)算qV1 、qV2 和qV3,計(jì)算hf1 、 hf2和hf3,Y,例題6-10,6-25,四、分支管道,分支管道特征,流入?yún)R合點(diǎn)的流量等于自匯合點(diǎn)流出的流量。,計(jì)算問(wèn)題,已知管道的尺寸、粗糙度和流體性質(zhì)，求通過(guò)各管道的流量。,假設(shè)J點(diǎn)的zJ+ pJ/g,求qV1 、qV2 和qV3,是否滿(mǎn)足連續(xù)方程,N,結(jié)束計(jì)算,調(diào)整J點(diǎn)的zJ+ pJ/g

24、,Y,五、管網(wǎng),由若干管道環(huán)路相連接、在結(jié)點(diǎn)處流出的流量來(lái)自幾個(gè)環(huán)路的管道系統(tǒng)。,管網(wǎng)特征,1.流入結(jié)點(diǎn)的流量等于流出結(jié)點(diǎn)的流量，即任一結(jié)點(diǎn)處流量的代數(shù)和等于零。,2.在任一環(huán)路中，由某一結(jié)點(diǎn)沿兩個(gè)方向到另一個(gè)結(jié)點(diǎn)的能量損失相等，即任一環(huán)路能量損失的代數(shù)和等于零。,計(jì)算問(wèn)題,已知管道的尺寸、粗糙度和流體性質(zhì)，求通過(guò)各管道的流量。,預(yù)選各管道流體的流動(dòng)方向和流量,計(jì)算各管道的能量損失,N,結(jié)束計(jì)算,引入修正流量qV，各管道修正流量,Y,6.10 幾種常用的技術(shù)裝置,一、集流器,集流器是風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量流量的裝置。,對(duì)0-0和1-1截面列總流的伯努利方程,-速度系數(shù),二、堰流,液流越過(guò)障壁漫溢的流

25、動(dòng)稱(chēng)為堰流。,堰流理想流形的簡(jiǎn)化假設(shè)：,1.堰板上游所有流體質(zhì)點(diǎn)的速度大小 均勻，方向平行。,2.液流的自由表面在堰板前保持水平，且所有流體質(zhì)點(diǎn)通過(guò)堰板平面時(shí)都作垂直平板的運(yùn)動(dòng)。,3.水舌的壓強(qiáng)為大氣壓。,4.不計(jì)粘滯力和表面張力的影響。,對(duì)1-1和2-2截面列伯努利方程,理想流量,實(shí)際流量,流量系數(shù),三、虹吸,液體由管道從較高液位的一端經(jīng)過(guò)高出液面的管段自動(dòng)流向較低液位的另一端。,對(duì)1-1、3-3列總流的伯努利方程,對(duì)1-1、2-2列總流的伯努利方程,允許吸水高度,6.11 液體出流,在裝有流體的容器壁上開(kāi)一孔口，液體從孔口外流，這種現(xiàn)象稱(chēng)為孔口出流（泄流）。如油庫(kù)、排水工程中各類(lèi)取（油）水

26、，泄水閘孔，以及某些量測(cè)流量設(shè)備均屬孔口。在孔口周邊連接一長(zhǎng)為34倍孔徑的短管，水經(jīng)過(guò)短管并在出口斷面滿(mǎn)管流出的水力現(xiàn)象，稱(chēng)為管嘴出流。如水力采煤用的水槍?zhuān)?chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的汽化器，柴油機(jī)的噴嘴,消防水槍和水力機(jī)械化施工用水槍等。,一、孔口出流的分類(lèi)： 1、定水頭出流和變水頭出流 出流過(guò)程中，若作用水頭不隨時(shí)間變化，稱(chēng)為定水頭出流。如果變化，則稱(chēng)為變水頭出流。 2、自由出流和淹沒(méi)出流 若流入大氣，稱(chēng)為自由出流。若流入充滿(mǎn)液體的空間，稱(chēng)為淹沒(méi)出流。,自由出流,淹沒(méi)出流,此處壓強(qiáng)近似為大氣壓強(qiáng),此處壓強(qiáng)近似為下游水深的靜水壓強(qiáng),3、薄壁孔出流和厚壁孔出流,如果液體具有一定的流速，能形成射流，且孔口具有尖

27、銳的邊緣，此時(shí)邊緣厚度的變化對(duì)于液體出流不產(chǎn)生影響，出流水股表面與孔壁可視為環(huán)線(xiàn)接觸，這種孔口稱(chēng)為薄壁孔口(圖a)。 特征：L/d2,如果液體具有一定的速度，能形成射流，此時(shí)雖然孔口也具有尖銳的邊緣，射流亦可以形成收縮斷面，但由于孔壁較厚，壁厚對(duì)射流影響顯著，射流收縮后又?jǐn)U散而附壁，這種孔口稱(chēng)為厚壁孔口或長(zhǎng)孔口，有時(shí)也稱(chēng)為管嘴(圖b)。 特征：2L/d4,沒(méi)有沿程水頭損失，只有收縮斷面的局部損失,不僅有沿程水頭損失，也有收縮斷面的局部損失,4、小孔口出流和大孔口出流 小孔口：以孔口斷面上流速分布的均勻性為衡量標(biāo)準(zhǔn)，如果孔口斷面上各點(diǎn)的流速是均勻分布的，則稱(chēng)為小孔口。 特征：d0.1H,不加外來(lái)

28、能源，靠自然位差獲得能量輸送或派出液體的管道，稱(chēng)為自流管路。,一、薄壁孔口定常出流,1.薄壁小孔口定常出流,孔口面積:A,縮頸面積:Ac,容器面積:A1,收縮系數(shù),圖示，設(shè)孔口為圓形，孔徑為d。當(dāng)水流從孔口出流時(shí)，由于慣性，水流在孔口后出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，且在距孔口d/2處收縮到最小面積，該處斷面稱(chēng)為收縮斷面（縮頸），此處壓強(qiáng)可近似為大氣壓。過(guò)了收縮斷面，液體靠自重下落。,對(duì)截面1-1和c-c列總流伯努利方程,縮頸處 平均流速,流速系數(shù),若容器是敞口的：,孔口流量,流量系數(shù),若容器是敞口的：,表征孔口出流性能的系數(shù):,流量系數(shù)Cq,流速系數(shù)Cv,收縮系數(shù)Cc,（1）收縮系數(shù)Cc,全部收縮,完善收縮,非完善收縮,如：孔口1,如：孔口2,部分收縮,只有部分周界收縮,如：孔口3、4,所有周界都收縮,表示出流流束收縮的程度,L:孔口各邊到側(cè)壁的距離,當(dāng)Re10 5 時(shí)Cc =0.62-0.63,Cc =0.63+0.37（A/A）2,Cc =0.63（1+kl/x),（2）流速系數(shù)Cv,實(shí)際流速與理想流速之比,理想流體,實(shí)驗(yàn)測(cè)得:,（3）流量系數(shù)Cq,實(shí)際流量與理想流量之比,理想流體,實(shí)驗(yàn)測(cè)得:,注意： 自由出流時(shí)，水頭H值系水面至孔口形心的深度； 淹沒(méi)出流時(shí)，水頭H值系孔口上、下游水面高差。流速、流量與孔口在水面下的深度無(wú)關(guān)，所以也無(wú)“大”，“小”孔口區(qū)別。,2.薄壁大孔口定常出流