1、第五章第五章 孔口管嘴管路流动管路流动 5.1 5.1 孔口自由出流孔口自由出流 5.2 5.2 孔口淹没出流孔口淹没出流 5.3 5.3 管嘴出流管嘴出流 5.4 5.4 简单回路简单回路 5.5 5.5 管路的串连与并联管路的串连与并联 5.6 5.6 管网计算基础管网计算基础 5.7 5.7 有压管中的水击有压管中的水击 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，容器中的液体开一孔口，容器中的液体自孔口出流到大气中，称自孔口出流到大气中，称为孔口自由出流。如图，为孔口自由出流。如图，在容器侧壁开一孔口，在容器侧壁开一孔口， 容容器中的液体自孔口出流到器
2、中的液体自孔口出流到大气，大气， 不远处有收缩现象不远处有收缩现象产生，过流断面面积为产生，过流断面面积为Ac处面积最小，这个最小断处面积最小，这个最小断面称为收缩断面面称为收缩断面c，。，。 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02gHvc
3、AAccvgvgvhgvgvHcccwcc2220222221102112HgvH111c其其值值通通常常由由实实验验确确定定。式式中中流流量量系系数数，：000222gHAgHAAgHAvqccc在容器侧壁或底壁上开一孔口，容器中的液体自孔口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，出流到液体中，称为孔口淹没出流。如图为孔口淹没出流，列列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
4、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 。gvgvgvhgvgvzccw2222222222222211gvc22gvgvAAccc22122225.2 孔口淹没出流孔口淹没出流 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 几乎几乎没有差别，可取没有差别，可取 。 3、变水头孔口出流变水头孔口出流 如图，柱形容器、没有流量注如图，柱形容器、没有流量注
5、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gvgv22222211gzvc211gzAAgzAvqcc22 ，取，取 ，应用定常流孔口自由出流的流量，应用定常流孔口自由出流的流量公式得公式得 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21022221HHgAHdHgAdttHHtdHdtgHA2dHqdtHH 0021HHH，gHAHt22HdHgAdt2 如图为五种常见的管嘴形式：
6、如图为五种常见的管嘴形式： a为圆柱形外管嘴，为圆柱形外管嘴，b为圆柱形内管嘴，为圆柱形内管嘴，c为圆锥形收敛管嘴，为圆锥形收敛管嘴， d为圆锥形扩张管为圆锥形扩张管嘴，嘴，e为流线形管嘴。为流线形管嘴。 管嘴自由出流的流速和流量公式与孔口自由出流的流管嘴自由出流的流速和流量公式与孔口自由出流的流速和流量公式的形式类似，管嘴淹没出流的流速和流量公速和流量公式的形式类似，管嘴淹没出流的流速和流量公式与孔口淹没出流的流速和流量公式的形式也类似，只是式与孔口淹没出流的流速和流量公式的形式也类似，只是系数不同罢了。系数不同罢了。5.3 管嘴出流管嘴出流5.4 5.4 简单管路简单管路 管路系统的水力计
7、算可管路系统的水力计算可分为简单管路的水力分为简单管路的水力计算和复杂管路的水计算和复杂管路的水力计算。等径无分支力计算。等径无分支管的管路系统称为简管的管路系统称为简单管路。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gvdlH212 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包括到局部阻力系数项中，则中，则用用 带入上式带入上式1gvdlH22 2224dQvv2428vQgddlHgddlSH42822vpvHQSQgSgHp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428ddlSp对液体对液
8、体对气体对气体 5.5 管路的串连和并联管路的串连和并联 除简单管路外的管路系统统称复杂管路，如串联管除简单管路外的管路系统统称复杂管路，如串联管 路、并联管路等。简单管路的水力计算正是前面所介绍方路、并联管路等。简单管路的水力计算正是前面所介绍方法的应用，无特殊原则。这里以串联和并联管路为例讨论法的应用，无特殊原则。这里以串联和并联管路为例讨论复杂管路的水力计算问题，并忽略管路中局部水头损失和复杂管路的水力计算问题，并忽略管路中局部水头损失和出流速度水头。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
9、损失之和。如图有损失之和。如图有qqqq321321fffhhhh 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。如图有分路流量之和。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。味着它们的能量损失也相等。321qqqqABffffhhhh3215.6 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
10、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。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网进行水力计算，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
11、知管长，求管径。管路布置后已知管长，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。量长度，求出管径，最后校合计算。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）： 在有压管道中的流速发生急剧变化时，引起压强的剧在有压管道中的流速发生急剧变化时，引起压强的剧烈波动，并在整个管长范围内传播的现象。烈波动，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
12、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是阀门与水池间的管长。是阀门与水池间的管长。 在在 瞬时，如果阀门仍然关闭，则水击波将重复瞬时，如果阀门仍然关闭，则水击波将重复上述四个传播过程。上述四个传播过程。cLt 0cLtcL2cLtcL32cLtcL43cLt4 二、直接水击与间接水击二、直接水击与间接水击 水击的相：水击的相：水击波自阀门向水池传播并反射回到阀门所需水击波自阀门向水池传播并反射回到阀门所需的时间，以的时间，
13、以 表示，两相为一个周期。即表示，两相为一个周期。即 直接水击：直接水击：若阀门的关闭时间若阀门的关闭时间 ，则水击波还没有来，则水击波还没有来得及自水池返回阀门，阀门已关闭完毕。那么阀门处的水得及自水池返回阀门，阀门已关闭完毕。那么阀门处的水击增压，不受水池反射的减压波的消弱，而达到可能出现击增压，不受水池反射的减压波的消弱，而达到可能出现的最大值。的最大值。 间接水击：间接水击：若阀门的关闭时间若阀门的关闭时间 ，则水击波已从水池，则水击波已从水池返回阀门，而关闭仍在进行。那么，由于受水池反射的减返回阀门，而关闭仍在进行。那么，由于受水池反射的减压波的消弱作用，阀门处的水击增压比直接水击小
14、。压波的消弱作用，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。rstt cLtr2rtrstt 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。cvpEeKdKc1rstt srttcvp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。的破坏作用。
