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1、第五章孔口管嘴管路流动本讲稿第一页，共十六页5.1 孔口自由出流孔口自由出流在容器侧壁或底壁上在容器侧壁或底壁上开一孔口，容器中的液体自开一孔口，容器中的液体自孔口出流到大气中，称为孔孔口出流到大气中，称为孔口自由出流。如图，在容器口自由出流。如图，在容器侧壁开一孔口，侧壁开一孔口，容器中的容器中的液体自孔口出流到大气，液体自孔口出流到大气，不远处有收缩现象产生，过不远处有收缩现象产生，过流断面面积为流断面面积为Ac处面积最小，处面积最小，这个最小断面称为收缩断面这个最小断面称为收缩断面c，。，。本讲稿第二页，共十六页 令收缩系数令收缩系数 列断面列断面1和收缩断面和收缩断面c的能量方程有的能
2、量方程有 式中：式中：为孔口的总水头；为孔口的总水头；收缩断面的平均流速；收缩断面的平均流速；孔口局部损失系数。孔口局部损失系数。所以所以 取取 ，则式中流速系数，则式中流速系数 。值由实验测定，值由实验测定，大小与孔口形状、大小、位置等因素有关。孔口出流流量大小与孔口形状、大小、位置等因素有关。孔口出流流量本讲稿第三页，共十六页在容器侧壁或底壁上开一孔口，容器中的液体自孔口出在容器侧壁或底壁上开一孔口，容器中的液体自孔口出流到液体中，称为孔口淹没出流。如图为孔口淹没出流，列流到液体中，称为孔口淹没出流。如图为孔口淹没出流，列1、2两断面的能量方程有两断面的能量方程有 式中断面式中断面1到到2
3、的能量损失可看作的能量损失可看作 断面断面1至断面至断面c的能量损失与断面的能量损失与断面 c至断面至断面2的能量损失之和。前者的能量损失之和。前者 与自由出流的能量损失相同，为与自由出流的能量损失相同，为 ，后者可看着圆管突扩，后者可看着圆管突扩 的能量损失，为的能量损失，为 。5.2 孔口淹没出流孔口淹没出流本讲稿第四页，共十六页 注意到注意到 ，可整理得，可整理得 其中速度系数其中速度系数 孔口淹没出流流量孔口淹没出流流量 实验表明淹没出流流量系数实验表明淹没出流流量系数 与自由出流流量系数与自由出流流量系数 几乎没有几乎没有差别，可取差别，可取 。3、变水头孔口出流变水头孔口出流 如图
4、，柱形容器、没有流量注如图，柱形容器、没有流量注 入、孔口自由泄流。容器内自由表入、孔口自由泄流。容器内自由表 面积为面积为 ，在，在dt时段内水头的增量时段内水头的增量 为为dH，则，则dt时段内孔口的泄水量为时段内孔口的泄水量为本讲稿第五页，共十六页 ，取取 ，应应用用定定常常流流孔孔口口自自由由出出流流的的流流量量公式得公式得 即即 对上式积分可得水头从对上式积分可得水头从H1降到降到H2所需的时间所需的时间t 当当 时，上式写成时，上式写成本讲稿第六页，共十六页 如如图图为为五五种种常常见见的的管管嘴嘴形形式式：a为为圆圆柱柱形形外外管管嘴嘴，b为为圆圆柱柱形形内内管管嘴嘴，c为为圆圆
5、锥锥形形收收敛敛管管嘴嘴，d为为圆圆锥锥形形扩扩张张管管嘴嘴，e为为流流线形管嘴。线形管嘴。管管嘴嘴自自由由出出流流的的流流速速和和流流量量公公式式与与孔孔口口自自由由出出流流的的流流速速和和流流量量公公式式的的形形式式类类似似，管管嘴嘴淹淹没没出出流流的的流流速速和和流流量量公公式式与与孔孔口口淹淹没没出出流流的的流流速速和和流流量量公公式式的的形形式式也也类类似似，只只是是系系数数不不同罢了。同罢了。5.3 管嘴出流管嘴出流本讲稿第七页，共十六页5.4 5.4 简单管路简单管路 管路系统的水力计算可管路系统的水力计算可分为简单管路的水力计分为简单管路的水力计算和复杂管路的水力计算和复杂管路
6、的水力计算。等径无分支管的管算。等径无分支管的管路系统称为简单管路。路系统称为简单管路。11和和22两断面两断面间的能量方程式为间的能量方程式为将出口局部阻力系数将出口局部阻力系数 包括到局部阻力系数项中，包括到局部阻力系数项中，则则用用 带入上式带入上式本讲稿第八页，共十六页管路阻抗：Sp,SH对已给定的管路是一个定数，它综合反映了管路上的沿程阻力和局部阻力情况，称为管路阻抗对液体对液体对气体对气体本讲稿第九页，共十六页 5.5 管路的串连和并联管路的串连和并联 除除简简单单管管路路外外的的管管路路系系统统统统称称复复杂杂管管路路，如如串串联联管管 路路、并并联联管管路路等等。简简单单管管路
7、路的的水水力力计计算算正正是是前前面面所所介介绍绍方方法法的的应应用用，无无特特殊殊原原则则。这这里里以以串串联联和和并并联联管管路路为为例例讨讨论论复复杂杂管管路路的的水水力力计计算算问问题题，并并忽略管路中局部水头损失和出流速度水头。忽略管路中局部水头损失和出流速度水头。1、串联管路串联管路 串联管路特点：各管段流串联管路特点：各管段流 量相等，总水头等于各段沿程量相等，总水头等于各段沿程 损失之和。如图有损失之和。如图有本讲稿第十页，共十六页 2、并联管路并联管路 并联管路特点：各分路阻力损失相等，总流量等于各分路流量之并联管路特点：各分路阻力损失相等，总流量等于各分路流量之和。如图有和
8、。如图有 需要注意并联管路各管段上的水头损失相等，并不意味需要注意并联管路各管段上的水头损失相等，并不意味着它们的能量损失也相等。着它们的能量损失也相等。本讲稿第十一页，共十六页5.6 管网计算基础管网计算基础管网由简单回路、并联、串连管路组合而成，管网由简单回路、并联、串连管路组合而成，基本可分为枝状管网和环状管网两种。基本可分为枝状管网和环状管网两种。一一、枝状管网、枝状管网水力计算原则：管路布置已定，则管长和局部构件的型式和数量均已确水力计算原则：管路布置已定，则管长和局部构件的型式和数量均已确定，在已知用户所需流量和末端要求压头的条件下，求管径和作用压头。定，在已知用户所需流量和末端要
9、求压头的条件下，求管径和作用压头。这类问题是按流量和限定流速求管径。确定管径后，对枝状管网进行水力计算，这类问题是按流量和限定流速求管径。确定管径后，对枝状管网进行水力计算，然后按照总压力及总流量选泵和风机然后按照总压力及总流量选泵和风机已有泵和风机，即已知作用水头，并知用户所需流量及末端水头，在管路布已有泵和风机，即已知作用水头，并知用户所需流量及末端水头，在管路布置后已知管长，求管径。置后已知管长，求管径。这类问题是先求得单位长度上的允许损失水头，查手册确定当量长度，求这类问题是先求得单位长度上的允许损失水头，查手册确定当量长度，求出管径，最后校合计算。出管径，最后校合计算。本讲稿第十二页
10、，共十六页5.7 有压管中的水击有压管中的水击 水击（又名水锤）：水击（又名水锤）：在在有有压压管管道道中中的的流流速速发发生生急急剧剧变变化化时时，引引起起压压强强的的剧剧烈烈波波动，并在整个管长范围内传播的现象。动，并在整个管长范围内传播的现象。一、水击的物理过程一、水击的物理过程 1、第一过程（第一过程（），压缩波向水池传播），压缩波向水池传播 2、第二过程（第二过程（），膨胀波向阀门传播），膨胀波向阀门传播 3、第三过程（第三过程（），膨胀波向水池传播），膨胀波向水池传播 4、第四过程（第四过程（），压缩波向阀门传播），压缩波向阀门传播 其中，其中，c是水击波速，是水击波速，L是阀门与
11、水池间的管长。是阀门与水池间的管长。在在 瞬瞬时时，如如果果阀阀门门仍仍然然关关闭闭，则则水水击击波波将将重重复复上述四个传播过程。上述四个传播过程。本讲稿第十三页，共十六页 二、直接水击与间接水击二、直接水击与间接水击 水水击击的的相相：水水击击波波自自阀阀门门向向水水池池传传播播并并反反射射回回到到阀阀门门所所需需的的时时间间，以以 表示，两相为一个周期。即表示，两相为一个周期。即 直直接接水水击击：若若阀阀门门的的关关闭闭时时间间 ，则则水水击击波波还还没没有有来来得得及及自自水水池池返返回回阀阀门门，阀阀门门已已关关闭闭完完毕毕。那那么么阀阀门门处处的的水水击击增增压，不受水池反射的减
12、压波的消弱，而达到可能出现的最大值。压，不受水池反射的减压波的消弱，而达到可能出现的最大值。间间接接水水击击：若若阀阀门门的的关关闭闭时时间间 ，则则水水击击波波已已从从水水池池返返回回阀阀门门，而而关关闭闭仍仍在在进进行行。那那么么，由由于于受受水水池池反反射射的的减减压压波波的的消弱作用，阀门处的水击增压比直接水击小。消弱作用，阀门处的水击增压比直接水击小。因此，工程上应尽可能避免发生直接水击。因此，工程上应尽可能避免发生直接水击。本讲稿第十四页，共十六页 三、最大水击压强与水击波速三、最大水击压强与水击波速 直接水击最大压强：直接水击最大压强：间接水击最大压强：间接水击最大压强：式中：式
13、中：v指被改变的流速值；指被改变的流速值；c水击波速。水击波速。水击波速：水击波速：式中：式中：K液体体积模量；液体体积模量；E管壁材料的弹性模量；管壁材料的弹性模量；e管壁厚度；管壁厚度；d管道内径。管道内径。四、减少水击影响的措施四、减少水击影响的措施适当延长阀门开启时间，使适当延长阀门开启时间，使 。尽量采用管径较大的管道，减少管内流速。尽量采用管径较大的管道，减少管内流速。本讲稿第十五页，共十六页缩短管道长度，使管中水体质量减少。缩短管道长度，使管中水体质量减少。在管道适当位置上设置蓄能器，对水击压强起缓冲作用。在管道适当位置上设置蓄能器，对水击压强起缓冲作用。在管道上安装安全阀，以便出现水击时及时减弱水击压强的在管道上安装安全阀，以便出现水击时及时减弱水击压强的破坏作用。破坏作用。本讲稿第十六页，共十六页