《工程流体力学》-第六章-管内流动及水力计算课件.ppt

1、2023/7/91第六章 管内流动和水力计算第一节第一节 管内流动的能量损失管内流动的能量损失第二节第二节 黏性流体的两种流动状态黏性流体的两种流动状态第三节第三节 管道进口段黏性流体的流动管道进口段黏性流体的流动第四节第四节 圆管中流体的层流流动圆管中流体的层流流动第五节第五节 黏性流体的紊流流动黏性流体的紊流流动第六节第六节 沿程损失的实验研究沿程损失的实验研究第七节第七节 非圆形管道沿程损失的计算非圆形管道沿程损失的计算第八节第八节 局部损失局部损失第九节第九节 各类管流的水力计算各类管流的水力计算第十节第十节 几种常用的技术装置几种常用的技术装置第十一节第十一节 液体出流液体出流第十二

2、节第十二节 水击现象水击现象第十三节第十三节 气穴和气蚀简介气穴和气蚀简介 u管道内的流动状态；管道内的流动状态；u截面的速度分布；截面的速度分布；u流动的能量损失；流动的能量损失；u管道流动计算；管道流动计算；2023/7/92工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.1 管内流动的能量损失管内流动的能量损失一、不可压粘性流体伯努利方程一、不可压粘性流体伯努利方程u粘性应力粘性应力/阻力作用下，流体层间阻力作用下，流体层间存在速度梯度。固壁上速度为存在速度梯度。固壁上速度为0 0；u粘性阻力的存在使流体的机械能下粘性阻力的存在使流体的机械能下降，表现在静

3、压力下降。降，表现在静压力下降。程程。称称为为沿沿流流线线的的伯伯努努利利方方沿沿流流线线的的机机械械能能损损耗耗。其其中中，引引入入流流动动损损耗耗：wlwlhhgPzgVgPzgV2222211211221zgP/1gV2/21gV2/22gP/22z总压头wlh11031213.dA)vv(AA 湍湍流流时时，层层流流时时，动动能能修修正正系系数数2023/7/93工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.1 管内流动的能量损失管内流动的能量损失二、流动阻力损失二、流动阻力损失损损失失。流流动动突突变变、分分离离产产生生的的局局部部阻阻力力损损失失失

4、失。流流动动层层间间摩摩擦擦存存在在的的损损沿沿程程阻阻力力损损失失类类：流流动动时时机机械械能能损损失失有有两两jfwhhh流流态态取取决决于于数数达达西西公公式式，沿沿程程阻阻力力系系其其中中：dgVdlhf/Re22闸门、管件等。闸门、管件等。局部阻力系数，弯管、局部阻力系数，弯管、其中：其中：gVhj222023/7/942200Hh1h2a已知：；7m.09m21hh m/s4；a13mwh求：Hwaahggphgp)hH20022221（位位势势）面面为为解解：由由伯伯努努利利方方程程（地地(m)52597013806924221222.hhhgHw得得0.1紊流流动:工程流体力学

5、工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.1 管内流动的能量损失管内流动的能量损失二、流动阻力损失二、流动阻力损失2023/7/95工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.2 黏性流体的两种流动状态黏性流体的两种流动状态一、雷诺实验一、雷诺实验u雷诺实验观察流体的流态；雷诺实验观察流体的流态；层流、湍流层流、湍流u主因是流动层间有粘性及阻力；主因是流动层间有粘性及阻力；u实验与观测手段：实验与观测手段：速度速度/流量可调流量可调/测量；测量；保持稳定流动；保持稳定流动；加入细微染色流体；加入细微染色流体；(a)(b)(c)过渡状

6、态紊流状态层流状态2023/7/96工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.2 黏性流体的两种流动状态黏性流体的两种流动状态u适当调整染色流量；适当调整染色流量；u水流阀门从最小慢慢变大；水流阀门从最小慢慢变大；观测染色液体由曲线变为细直观测染色液体由曲线变为细直线，再变混乱和消失；线，再变混乱和消失；u水流阀门从最大慢慢变小；水流阀门从最大慢慢变小；观测染色液体由混乱变为细直观测染色液体由混乱变为细直线。线。u在上临界、下临界之间，流在上临界、下临界之间，流体处于过渡状态。体处于过渡状态。上临界上临界下临界下临界一、雷诺实验一、雷诺实验crvcrvcr

7、crvv2023/7/97二、流动状态的判别二、流动状态的判别工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.2 黏性流体的两种流动状态黏性流体的两种流动状态u记录流动损失、流速关系；记录流动损失、流速关系；u由层流到紊流：实验点沿由层流到紊流：实验点沿OABCDOABCD线移动。线移动。u由紊流到层流：实验点沿由紊流到层流：实验点沿DCAODCAO线移动。线移动。mffkvhvmkh亦即，亦即，损失、流速对数方程损失、流速对数方程lglglg 2023/7/98二、流动状态的判别二、流动状态的判别工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流

8、动和水力计算6.2 黏性流体的两种流动状态黏性流体的两种流动状态过渡状态过渡状态湍流湍流，层流层流，,275.1,1crcrcrcrvvvmvvmvv，过过渡渡，湍湍流流，层层流流特特征征长长度度。对对于于圆圆管管式式中中，诺诺数数作作为为指指标标考考虑虑多多种种因因素素，采采用用雷雷138002000138002000ReReRedvdvdRe 2023/7/99已知：mmd001求：水在管道中的流动状态？如果输送 的石油，保持前种情况下的流速不变，流动又为何状态？解：（1）（2），输送水的流量 scm/14.12smqV/01.03sm/1012620001027.11011.027.1R

9、e56vds/m.dqAqvVV271100104422200011141014.11.027.1Re4vd所以水为紊流状态。所以水为紊流状态。所以石油为层流状态。所以石油为层流状态。工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.2 黏性流体的两种流动状态黏性流体的两种流动状态二、流动状态的判别二、流动状态的判别2023/7/910工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.3 管道进口段中粘性流体的流动管道进口段中粘性流体的流动u充分发展充分发展沿流动方向速度不再变化；沿流动方向速度不再变化；u管道进口段各截面上的速度分布

10、不断变化，未充分发展；管道进口段各截面上的速度分布不断变化，未充分发展；ddLL层流边界层紊流边界层充分发展的流动粘性底层4025Re06.0*dLdLLee湍流：湍流：层流：层流：uLLe时，不计；u入口段阻力较大；u湍流入口段较短。2023/7/911工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.4 圆管中的层流流动圆管中的层流流动ghmgld0rprwllppdll dlv一、圆管横截面上的切应力分布一、圆管横截面上的切应力分布u倾斜倾斜圆管；圆管；u不可压粘性流体，重力场；不可压粘性流体，重力场；u取微圆柱体，受力分析；取微圆柱体，受力分析；0sin2

11、222dllrrdldl)lp(prpr由由牛牛顿顿第第二二定定理理lh/sin其中，其中，)(dd2ghplr得得)(22ghplrdlr，得得式式子子两两面面同同除除0)(ghpr又又因因u粘性流体在圆管中作层流流动时，同一截面粘性流体在圆管中作层流流动时，同一截面上的切向应力的大小与半径成正比。上的切向应力的大小与半径成正比。2023/7/912工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.4 圆管中的层流流动圆管中的层流流动二、圆管横截面上的速度分布二、圆管横截面上的速度分布ghmgld0rprwllppdll dlv代代入入由由牛牛顿顿内内摩摩擦擦定

12、定律律：,dd rvl)(dd2ghplrdrdvl得得Crghplvl2)(dd41积分得积分得)(dd40200ghplrCvrrl，得得由由)(dd422oghplrrvl所所以以，u粘性流体在圆管中作层粘性流体在圆管中作层流流动时，流速的分布为流流动时，流速的分布为一旋转抛物面。一旋转抛物面。)(dd42o0maxghplrvvrll2023/7/913工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.4 圆管中的层流流动圆管中的层流流动三、平均速度和流量三、平均速度和流量AvAvrvrdrrrvrdrghplrrdAvqallrlArlVmax20max

13、0202max020221422)1(2)(dd400)(dd82120maxghplrvvla平平均均速速度度lpdqV1284u对于水平圆管，由于对于水平圆管，由于h不变，不变，d(p+gh)/dl=dp/dx=-p/l，上，上式简化为：式简化为：dlp2023/7/914工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.4 圆管中的层流流动圆管中的层流流动四、沿程损失系数四、沿程损失系数gvdlgvdlRegvdldvdglqgphaaaaVf22642641282224Re64其其中中，u层流流动的沿程损失系数仅与雷诺数有关，而与管道层流流动的沿程损失系数

14、仅与雷诺数有关，而与管道壁面的粗糙度无关。这一结论已为实验所证实。壁面的粗糙度无关。这一结论已为实验所证实。42128dlqpqPVV层流流动功耗率：层流流动功耗率：2023/7/915工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.4 圆管中的层流流动圆管中的层流流动五、动能修正系数、动量修正系数和壁面阻力五、动能修正系数、动量修正系数和壁面阻力2d)(16221)1(1d)(100r032208030max202max20A3rrrrrrdrvrrvrAvvArllal动动能能修修正正系系数数：圆管中的层流流动圆管中的层流流动的实际动能等于按的实际动能等于按

15、平均流速计算的动平均流速计算的动能的两倍。能的两倍。34d)(8d)(1002220602rrrrrAvvArAal动动量量修修正正系系数数20820arrwvlpr壁面应力壁面应力此式对于圆管中粘性流体的此式对于圆管中粘性流体的层流层流和和紊流紊流流动都适用。流动都适用。2023/7/916工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.4 圆管中的层流流动圆管中的层流流动圆管层流流动微分方程u圆管内层流；圆管内层流；u选取单元体选取单元体/控制体；控制体；u充分发展充分发展时，沿流线速度无变化。时，沿流线速度无变化。ppprlrprp12222102其其中中

16、，：沿沿水水平平轴轴向向列列动动量量方方程程drdu-根根据据牛牛顿顿内内摩摩擦擦定定理理：rlpdrdu2代代入入简简化化得得：R2ulr22p1p线性关系线性关系代入得：代入得：rlpdrdu2，积积分分得得：Crlpu24240RlpCuRr，得得由由边边界界条条件件二二次次曲曲线线所所以以得得：)rR(lpu2242023/7/917lpdlpRrdr)rR(lpudAQRV12882444022圆圆管管层层流流体体积积流流量量剪应力、速度分布R2u22max164dlpRlpu)Rr(uumax221有有时时，工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计

17、算6.4 圆管中的层流流动圆管中的层流流动2322maxVulpdAQV那那么么，平平均均速速度度22max1642dlpRlpuVRegVdlgVdlRegdVlgp,dVlp64226432322222其其中中，或或者者，2023/7/918工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.5 粘性流体的紊流流动粘性流体的紊流流动 一、紊流流动的时均速度和脉一、紊流流动的时均速度和脉动速度动速度 ttxvxvxivxvou湍流湍流/混杂混杂/随机脉动；随机脉动；u基于层流的方程不再满足；基于层流的方程不再满足；u统计法描述；统计法描述；t0dtxixvtv1时

18、时均均速速度度脉脉动动速速度度。其其中中，瞬瞬时时速速度度xxvvvvxxi2023/7/919工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.5 粘性流体的紊流流动粘性流体的紊流流动 二、紊流切应力，普朗特混合长度二、紊流切应力，普朗特混合长度 紊流切应力由两部分构成：紊流切应力由两部分构成：一是流体层间相对滑移引起的一是流体层间相对滑移引起的摩擦切向应力摩擦切向应力v，与层流同。，与层流同。二是流体质点的横向脉动产生二是流体质点的横向脉动产生附加切向应力或雷诺应力附加切向应力或雷诺应力t。流流体体的的脉脉动动粘粘度度；流流体体的的动动力力粘粘度度；其其中中，

19、于于湍湍流流：根根据据粘粘性性应应力力定定义义，对对txttvdydv)(2023/7/920工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.5 粘性流体的紊流流动粘性流体的紊流流动 xvy)ly(vx)ly(vx-lyl)y(vx21dydvl)y(v)ly(vvdydvl)ly(v)y(vvxxxxxxxx21向向下下，向向上上，速速度度差差为为湍湍流流发发生生碰碰撞撞层层间间微微团团普朗特（普朗特（Prandtl）混合长度理论）混合长度理论 假设假设1 一个质点和其它质点发生碰撞之前都一个质点和其它质点发生碰撞之前都要经过一段路程要经过一段路程l，l被称作

20、普朗特混合长度。被称作普朗特混合长度。dydvlvvvxxxx）（纵纵向向脉脉动动速速度度是是可可以以认认为为，层层间间速速度度差差2121xvxvyvyvdydvlCvCvxxy11，量量级级一一样样。横横向向脉脉动动速速度度产产生生，分分开开来来自自上上下下层层的的微微团团碰碰撞撞dA湍流湍流2023/7/921工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.5 粘性流体的紊流流动粘性流体的紊流流动 普朗特（普朗特（Prandtl）混合长理论）混合长理论 xvy)ly(vx)ly(vx-lyl)y(vx21xvxvyvyvdAyxtxyvvvdAvFdA则则

21、，脉脉动动应应力力：。受受到到的的相相互互作作用用力力。因因为为动动量量变变化化，在在两两个个流流层层间间取取微微元元面面22222212dydvldydvdydvldydvlCCvvCvvxxxtxyxyx得得，代代入入上上式式，取取yvlxtdd2得得yvxttdd又因又因由此可见，由此可见，t与与不同，它不是不同，它不是流体的属性，它只决定于流体的流体的属性，它只决定于流体的密度、时均速度梯度和混合长度。密度、时均速度梯度和混合长度。2023/7/922工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.5 粘性流体的紊流流动粘性流体的紊流流动 三、圆管中湍流

22、的速度分布、沿程损失三、圆管中湍流的速度分布、沿程损失2000Re 410Re 610Re 1 1、圆管中湍流的区划、粘性底层、水力光、圆管中湍流的区划、粘性底层、水力光滑、水力粗糙滑、水力粗糙u湍流速度分布比较饱满，壁面附近速度梯湍流速度分布比较饱满，壁面附近速度梯度较大；度较大；u在壁面临近湍流脉动消失，粘滞力增强，在壁面临近湍流脉动消失，粘滞力增强，称为称为粘性底层粘性底层,很薄的一层；很薄的一层；u湍流的三个区域：湍流核心区、过渡区、湍流的三个区域：湍流核心区、过渡区、粘性底层区；粘性底层区；)mm(Red.8750234粘粘性性底底层层厚厚度度2023/7/923工程流体力学工程流体

23、力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.5 粘性流体的紊流流动粘性流体的紊流流动 三、圆管中湍流的速度分布、沿程损失三、圆管中湍流的速度分布、沿程损失1 1、圆管中湍流的区划、粘性底层、水力光、圆管中湍流的区划、粘性底层、水力光滑、水力粗糙滑、水力粗糙水力光滑壁面水力光滑壁面过渡粗糙壁面过渡粗糙壁面水力粗糙壁面水力粗糙壁面u层流底层对阻力影响很大；层流底层对阻力影响很大；u也受管道的粗糙度也受管道的粗糙度影响；影响；u与与的相对大小，对管道定义。的相对大小，对管道定义。水力光滑（水力光滑（）：粘性底层完全淹没了管：粘性底层完全淹没了管壁的粗糙突出部分，壁的粗糙突出部分，流体

24、像在完全光滑的管流体像在完全光滑的管道中流动一样。道中流动一样。水力粗糙（水力粗糙（粘性切向应力粘性切向应力v。ldydv)dydv(lxxt122，得得由由切切应应力力速速度度。引引入入*v普朗特假设：对于光滑壁面，假设普朗特假设：对于光滑壁面，假设 l=ky，其中，其中k为常数；同时假为常数；同时假设设k与与y无关无关。yykvvxd1d*代入得代入得Cykvvxln1*积分得积分得水力光滑壁面水力光滑壁面2023/7/925工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.5 粘性流体的紊流流动粘性流体的紊流流动 三、圆管中湍流的速度分布、沿程损失三、圆管中

25、湍流的速度分布、沿程损失2 2、圆管中湍流的速度分布、圆管中湍流的速度分布在在粘性底层粘性底层中，速度可近似认为是直线分布：中，速度可近似认为是直线分布：yvdydvxxyvdydvxx所所以以yvyyvx2*所以所以*yvvvx或者或者假设粘性底层与紊流分界处的流速用假设粘性底层与紊流分界处的流速用vxb表示，表示，xbyxvv即即*vvvxb代代入入得得ln1kvvCxb得得Cykvvxln1*由公式由公式vvkvvyvkvvxbxbxln1ln1得得1ln1Cyvkvvx或或2023/7/9265.55.75lgyvvvx尼尼古古拉拉兹兹实实验验得得到到：工程流体力学工程流体力学 第六章

26、第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.5 粘性流体的紊流流动粘性流体的紊流流动 三、圆管中湍流的速度分布、沿程损失三、圆管中湍流的速度分布、沿程损失2 2、圆管中湍流的速度分布、圆管中湍流的速度分布nxxryvv)(0max也也可可采采用用，Re 4.0103 2.3104 1.1105 1.1106(2.03.2)106 n1/6.01/6.61/7.01/8.81/100.79120.80730.81670.84970.8658max/xvv2)1)(n(n2maxxvv平平均均速速度度切切应应力力速速度度。式式中中*v2023/7/927工程流体力学工程流体力学 第六章第六章

27、管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.5 粘性流体的紊流流动粘性流体的紊流流动 三、圆管中湍流的速度分布、沿程损失三、圆管中湍流的速度分布、沿程损失2 2、圆管中湍流的速度分布、圆管中湍流的速度分布)ln(1kvvCvvyxbxbx，得得处处，有有在在ln1ln1kvvykvvxbx代代入入得得，2ln1Cykvvx或者，或者，8.485.75lgyvvx尼尼古古拉拉兹兹实实验验得得到到：水力粗糙壁面水力粗糙壁面Cylnkvv*x1由前式，由前式，2023/7/928尼古拉兹曲线可分为五个区域：尼古拉兹曲线可分为五个区域：I.层流区，层流区，Re2320。II.过渡区，过渡区，2320Re4

28、000III.紊流光滑管区，紊流光滑管区，4000Re26.98(d/)8/7IV.紊流粗糙管过渡区，紊流粗糙管过渡区，26.98(d/)8/7Re 2308(d/)8/7V.紊流粗糙管平方阻力区，紊流粗糙管平方阻力区，2308(d/)8/7Re工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.6 沿程损失的实验研究沿程损失的实验研究 一、尼古拉兹实验一、尼古拉兹实验(德德.1933).1933)尼古拉兹用黄沙由细到粗分为尼古拉兹用黄沙由细到粗分为六种，用人工方法将颗粒大小均六种，用人工方法将颗粒大小均匀的沙粒分别粘贴在管壁上。匀的沙粒分别粘贴在管壁上。雷诺数雷诺

29、数Re500106 相对粗糙度相对粗糙度/d=1/10141/30 将不同管道、不同流速下的数据将不同管道、不同流速下的数据绘制在对数坐标纸上。绘制在对数坐标纸上。2023/7/929工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.6 沿程损失的实验研究沿程损失的实验研究 一、尼古拉兹实验一、尼古拉兹实验 I.层流区层流区(Re105时，可以忽略时，可以忽略Re的影响，上述系数主要和边界条件有关。的影响，上述系数主要和边界条件有关。m式中，流量系数式中，流量系数2023/7/961工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.1

30、0 孔口管嘴出流孔口管嘴出流 二、薄壁大孔的定常出流二、薄壁大孔的定常出流大孔口：大孔口：10/dH或或1.0/Hdu可以利用小孔出流的公式作近似处可以利用小孔出流的公式作近似处理。大孔出流流量系数较小孔大。理。大孔出流流量系数较小孔大。u孔板流量计常常用于热能动力工程孔板流量计常常用于热能动力工程领域中水和蒸汽的流量测量。领域中水和蒸汽的流量测量。u孔板的圆孔与管道同心，经孔板的孔板的圆孔与管道同心，经孔板的流动属于薄壁大孔口的淹没出流。流动属于薄壁大孔口的淹没出流。u流束的最小截面为流束的最小截面为c-c面。孔板前后面。孔板前后的压强差为的压强差为p=p1-p2。/2 pvc/2 pAqV

31、速速率率取取决决于于雷雷诺诺数数、孔孔口口收收流流量量系系数数Re),(mf2023/7/962工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.10 孔口管嘴出流孔口管嘴出流 三、孔口的非定常出流三、孔口的非定常出流VHapap水箱Ddhdh例题：例题：圆筒水箱圆筒水箱D内液面高内液面高H，底部，底部有一小孔有一小孔d流出液体。不计系数。流出液体。不计系数。求，液面高度求，液面高度h与与t的关系。的关系。VddtdhDghV2424)2(2 )1(由连续方程，由连续方程，由小孔出流伯努利方程由小孔出流伯努利方程解：解：hHtdhhgdDdtt21)1(020积积

32、分分，联联立立，从从 )(2 2ghHdDt得得到到，htH2023/7/963工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.10 水击现象水击现象 u水击水击压力管道中，由于流体速度突然发压力管道中，由于流体速度突然发生变化而引起压强突变的现象。生变化而引起压强突变的现象。u后果后果管道轰轰的振动声；管道破裂。生物管道轰轰的振动声；管道破裂。生物力学中的血液循环系统有时也会发生水击现象，力学中的血液循环系统有时也会发生水击现象，称为重力性休克。称为重力性休克。u假定是理想流体，管壁不变形。假定是理想流体，管壁不变形。u(1)t=0时，管道末端的时，管道末端的

33、A阀门突然关闭，该阀门突然关闭，该处的压强升高了处的压强升高了ph，称为水击压强。静水头由，称为水击压强。静水头由H0变为变为H0+H。这种压缩一层层向上游传播，。这种压缩一层层向上游传播，形成压缩波，其传播速度为形成压缩波，其传播速度为c。2023/7/964(2)t=l/c时，压缩波至时，压缩波至B点，整个管道内流体点，整个管道内流体静止，压强为静止，压强为p+ph，但，但B点上游压强为点上游压强为p，流，流体在压强差作用下向池内倒流，使管内流体体在压强差作用下向池内倒流，使管内流体的压强降为的压强降为p，被压缩的流体得到膨胀，流体，被压缩的流体得到膨胀，流体恢复到开始时的状态，膨胀波在管

34、道内向下恢复到开始时的状态，膨胀波在管道内向下游传播，传播速度为游传播，传播速度为c。工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.10 水击现象水击现象(3)t=2l/c时，膨胀波至时，膨胀波至A点，点，A点压强为点压强为p，由于惯性作用，向池内倒流的流体继续倒流，由于惯性作用，向池内倒流的流体继续倒流，致使致使A点左侧的流体压强进一步降低，直到点左侧的流体压强进一步降低，直到A点处流体压强降低至点处流体压强降低至p-ph时流体停止倒流。低时流体停止倒流。低压使流体膨胀，膨胀波又以速度压使流体膨胀，膨胀波又以速度c从从A点向点向B点点传播，所到之处倒流停止。

35、传播，所到之处倒流停止。2023/7/965(4)t=3l/c时，膨胀波至时，膨胀波至B点，整个管道内流点，整个管道内流体再次静止，压强为体再次静止，压强为p-ph，由于，由于B点左端流点左端流体压强为体压强为p，在压差作用下流体从，在压差作用下流体从B点开始点开始以速度以速度v再次流向管内，同时压强上升到再次流向管内，同时压强上升到p，膨胀状态的流体得到压缩，压缩波以速度膨胀状态的流体得到压缩，压缩波以速度c向向A点传播。当点传播。当t=4l/c时，传播到时，传播到A点，整个点，整个管道内的流体状态又恢复到阀门关闭前的管道内的流体状态又恢复到阀门关闭前的状态，完成一个循环。状态，完成一个循环

36、。工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.10 水击现象水击现象 理想情况理想情况：循环不止，振荡无穷。clT4周期2023/7/966实际管道的情况实际管道的情况 流体有粘性，管道有弹性。当压强较高时管径会略变粗，流体有粘性，管道有弹性。当压强较高时管径会略变粗，压强较低时管径略变细。由于流体间的摩擦，管道会不断压强较低时管径略变细。由于流体间的摩擦，管道会不断变形而消耗能量，所以振荡会很快衰减而停止。变形而消耗能量，所以振荡会很快衰减而停止。工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.10 水击现象水击现象 202

37、3/7/967工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.10 水击现象水击现象 cvph水击压强水击压强EsKdcc10水击波的传播速度水击波的传播速度举例：若管道内的流速为举例：若管道内的流速为1m/s1m/s，压缩波的传播速度为，压缩波的传播速度为1000m/s1000m/s，当，当阀门突然关闭时产生的阀门突然关闭时产生的水击压强约为水击压强约为10106 6PaPa。K式中式中：流体介质的弹性模量，Pa Ed 管道直径，m s 管道壁厚，m0c水中的声速，m/s管材的弹性模量，Pa2023/7/968水击现象的扬长避短水击现象的扬长避短水击压强很大，

38、会影响管道系统中流体的正常流动和水泵的正常水击压强很大，会影响管道系统中流体的正常流动和水泵的正常工作，甚至会造成管道破裂。工作，甚至会造成管道破裂。预防措施预防措施可以可以缓慢关闭阀门缓慢关闭阀门，必要，必要时时在管路上加装安全阀在管路上加装安全阀等。等。任何事物都有两面性，利用水击现象可以制成水锤扬水机，进行任何事物都有两面性，利用水击现象可以制成水锤扬水机，进行提水灌溉。提水灌溉。工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.10 水击现象水击现象 2023/7/969u利用流动中的水被突然制动时所产生的能利用流动中的水被突然制动时所产生的能量，使一部分

39、水压升到一定高度的一种泵。量，使一部分水压升到一定高度的一种泵。u沿进水管向下流动的水流至单向阀沿进水管向下流动的水流至单向阀A(静重静重负载阀负载阀)冲力使阀迅速关闭。冲力使阀迅速关闭。u水流的动能即转换成压力能，将单向阀水流的动能即转换成压力能，将单向阀B 冲开，一部分水进入空气室中并沿出水管上冲开，一部分水进入空气室中并沿出水管上升到一定的高度。升到一定的高度。u此后，由于进水管中压力降低，阀此后，由于进水管中压力降低，阀A在静重在静重作用下回复到开启状态。同时空气室中的压作用下回复到开启状态。同时空气室中的压缩空气促使阀缩空气促使阀 B关闭，过程又重复进行。关闭，过程又重复进行。u水锤

40、泵可以使进水管中流动的水大约水锤泵可以使进水管中流动的水大约15%压升到相当于压升到相当于5倍进水管落差的高度。倍进水管落差的高度。u水锤泵没有运动的工作元件，结构简单，水锤泵没有运动的工作元件，结构简单，不需要外部动力源，也无须专人看管。不需要外部动力源，也无须专人看管。工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.10 水击现象水击现象 2023/7/970空化现象空化现象工程实际中，在管道和其它流体机械中，常有负压效应，工程实际中，在管道和其它流体机械中，常有负压效应，会形成一定真空，而且随着流速的增高，压强将进一步降会形成一定真空，而且随着流速的增高，

41、压强将进一步降低。当压强降低到相应温度下饱和蒸气压强以下时，将出低。当压强降低到相应温度下饱和蒸气压强以下时，将出现空化现象。此时出现的气泡称为空穴或者空泡现空化现象。此时出现的气泡称为空穴或者空泡。后果后果空化现象会造成空化噪声；产生的压强脉动会造成部件的空化现象会造成空化噪声；产生的压强脉动会造成部件的振动；空泡溃灭时会造成材料表面剥蚀的空蚀现象振动；空泡溃灭时会造成材料表面剥蚀的空蚀现象。工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.11 空化、气蚀现象空化、气蚀现象 2023/7/971空化系数空化系数22vppsp式中式中：流体的绝对压强，Pa 流体

42、在其温度下的饱和压强，Pa 流体的密度，kg/m3空化系数，是一无量纲量。spv截面上的平均流速，m/s 空化系数越大，越不容易产生空化，其数值越小越容易产生空化系数越大，越不容易产生空化，其数值越小越容易产生空化。空化。工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.11 空化、气蚀现象空化、气蚀现象 2023/7/972工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算6.11 空化、气蚀现象空化、气蚀现象 作业：作业：6-26-86-196-336-412023/7/973工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算

43、管内流动和水力计算习题课习题课。求求：送送水水流流速速。，局局部部损损失失系系数数为为，管管道道的的沿沿程程阻阻力力系系数数，管管道道长长度度为为为为，送送水水管管道道直直径径例例题题：水水塔塔水水面面高高度度为为ldHgvgvdlhw22 22解：由管道损失公式：解：由管道损失公式：waahgvgpHgp2 2：由实际流动伯努利方程由实际流动伯努利方程 211gHdlv联立得到，联立得到，HldvsmvmdmlmH/19.203.0600401.050，得到，得到，若若主主要要是是沿沿程程损损失失很很大大。不不计计阻阻力力理理想想时时smv/3.312023/7/97442222822dqd

44、lvdlpgvdlhvw）（）（或者，或者，）（解：由流动阻力损失：解：由流动阻力损失：水银密度。水银密度。其中，其中，由压力测量：由压力测量：11ghp。求求弯弯管管的的局局部部损损失失系系数数。压压差差计计水水银银面面高高度度差差。截截面面间间距距离离，粘粘度度。水水流流量量，管管壁壁绝绝对对粗粗糙糙度度弯弯管管，管管径径mmhm.ls/m.h/mqmm.mmdv2080210000015101520509023-o702670000015100501416336001544./dqvdRev雷诺数雷诺数02704212.dRelg.618082142.dlqghdv代入：代入：工程流体力

45、学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算习题课习题课2023/7/975 gvgplgvgplHgpaa223222方方程程为为位位势势基基准准，由由伯伯努努利利解解：取取)lH(gdq)lH(gvgpgplvsa2422，得，得，s/m.qm.ls/m.qm.lvv335100438605410111020，时，时，水温水温，时，时，水温水温代入数据：代入数据：CCoo。，注注：时时最最长长的的管管长长、流流量量。、求求：水水温温在在出出现现气气穴穴，为为了了不不使使直直管管进进口口处处。，排排水水管管径径已已知知水水池池深深度度管管排排水水。敞敞口口水水池池通通过

46、过底底部部的的直直PapPapcmdmHss200002340602022056020oo工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算习题课习题课2023/7/976工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算习题课习题课2/)2(/)2(2/2/)2(/)2(2/2/)(/)(2/2/2/2/2/02213212322212122022121222221122021211vdhhhvghvpvdhhvvpvdhhvghvpvdhvvpvvghppaa位位势势。设设水水面面是是损损失失）由由伯伯努努利利方方程程（含含流流体体dhh

47、hghv/)2(2123212132得：得：压压力力。虹虹吸吸管管，分分析析各各截截面面的的)2()21()(2)1(321212121322hhhdhhdghghppa得，得，2023/7/977工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算习题课习题课2/)/()(2/)(-2/2/3-211232222222323222dlvhhgppvdhhvghvpghvpa得得，得得，失失）截截面面伯伯努努利利方方程程（含含损损由由)/1/(23-03dlghv得得损损失失）截截面面的的伯伯努努利利方方程程（含含分分析析：由由)/11(2)(3322dlghhhgpp

48、a处处理理。虹虹吸吸管管上上下下各各按按一一半半为为，总总的的局局部部损损失失系系数数其其中中，管管总总长长压压力力。虹虹吸吸管管，分分析析各各截截面面的的l2023/7/978。求求各各管管路路的的速速度度、流流量量总总流流量量已已知知。系系数数、局局部部阻阻力力系系数数、何何尺尺寸寸、沿沿程程阻阻力力已已知知两两路路并并联联管管路路，几几2222111121222222211111222121222441d/ld/lvvgv)dl(gv)dl(vdvdqv即即亦亦：）由由阻阻力力方方程程：（）由由连连续续方方程程：分分析析：（)d/ldd/ld(d/lqv)d/ldd/ld(d/lqvvv

49、222222111121222222222221111211111144代代入入得得，工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算习题课习题课2023/7/979。计计算算各各管管道道的的水水流流速速度度。不不计计局局部部损损失失。系系数数，沿沿程程阻阻力力管管道道直直径径一一样样，。，送送水水。、向向较较低低的的水水池池较较高高水水池池04.0mm300150015001500153060CBA321dmlmlmlmHmHmHCBA302.102.1022222212222221111vvgvdlgvdlHHBA代代入入数数据据：）由由伯伯努努利利方方程程（3

50、21323222121444 1vvvvdvdvdqv，即即亦亦：）由由连连续续方方程程：分分析析：（452.102.102223212323321111vvgvdlgvdlHHCA代代入入数数据据：由由伯伯努努利利方方程程工程流体力学工程流体力学 第六章第六章 管内流动和水力计算管内流动和水力计算习题课习题课；解得，解得，m/s278.1m/s393.0m/s669.1321vvv2023/7/9801v2v如图所示，流速由 变为 的突然扩大管中，如果中间加一中等粗细管段使形成两次突然扩大，略去局部阻力的相互干扰，用叠加方法，试求：（1）中间管中流速为何值时，总的局部损失最小；（2）计算总的