第五章压力管路和孔口、管嘴水力计算2016.pptVIP

工程流体力学第五章 压力管路和孔口、管嘴水力计算 第一节 概述 管道—管路—管线 在工程流体力学中可以认为是同义词。 压力管道：液流充满整个有效截面，并在一定压差下流动。 管内压力可以高于大气压，也可以低于大气压（例如泵的吸入管道） 一、管路的规格 主要参数是直径。见表5-1 如果同一种外径管路，有几种不同的壁厚，规格用外径乘以壁厚来表示。 二、管路的分类 长管和短管—根据沿程阻力损失和局部阻力损失在总水头损失中所占份额来划分. 长管：输送距离较远，两段压差大，局部阻力损失和速度头之和，与沿程阻力损失比较而言可以忽略。或按照沿程阻力损失的5%-10%来折算。 短管：又称水力短管。局部阻力损失和速度水头不可忽略。分支较多，压差较小，并有大量管道联接部件的管路系统常属于短管。 简单管道和复杂管道：等径无分支的管道称为简单管道，除此之外都可以称为复杂管道。 三、管路特性曲线 管道中，在不同流量情况下流速不同，水头损失也不同。 绘制二维图形Q-hL图，或Hm-hL图，称为管路特性曲线。 第二节 简单长管的水力计算 简单长管是工程中常见的一种管路。短途无中继泵站的输油管线、长途两泵站间管路都属于简单长管。 简单长管的能量方程 对1-1截面到2-2截面建立伯努利方程 续前 设2-2截面与大气相通，则p2=0 能量方程可以简化为： 即长管中，提供的 能量主要用于克服 沿程阻力损失。 二、沿程水头损失的基本计算公式 将达西公式进行整理： 将雷诺数计算公式也划成关于流量的函数 再根据不同区域 值不同，使用经验公式。最终推出： 达西综合式： 水力坡度为： 流量表示为： 三、简单长管水力计算 根据能量方程、达西公式综合式和管路特性曲线，可以解决以下三方面的问题： 已知管径、管长和纵断面图，已知流量，求管道中的压力降，或确定所需的供液水头； 已知管径、管长和纵断面图，已知压力降，求最大输送能力； 已知管长、地形及输送的流量，要求设计最经济的管道直径。（优化算法） 例5-1 某长输油管直径为260mm，长度50km，起点高度45m，终点高度84m，油的相对密度0.8，粘度系数27.6*10-6m2/s，设计输油量200t/h，管壁绝对粗糙度 。 确定管路的压降。 解题思路：根据雷诺数判断流态。根据管壁粗糙度决定的紊流划分判据划分区域，再根据达西公式综合式计算： 第五节 短管的水力计算 室内管路、泵的吸入管路等，由于局部装置较多，均属于短管 本节介绍使用简化的经验公式计算短管系统的流量、阻力损失等参数。 短管的实用计算公式 图示管段，由两种不同直径的直管、各种管件组成。 为便于计算，将各个截面处的速度，都整合成出口处流速v2 将阻力损失进行折算，简化： 例5-7 第六节 定水头孔口和管嘴泄流 本节主要研究液体自孔口和管嘴出流的问题。 出流过程中，若作用水头不随时间变化，称为定水头出流。如果变化，则称为变水头出流。 若流入大气，称为自由出流。若流入充满液体的空间，称为淹没出流。 不加外来能源，靠自然位差获得能量输送或派出液体的管道，称为自流管路。 一、定水头孔口泄流 小孔口和大孔口划分依据： 薄壁孔口和厚壁孔口 薄壁孔口出流，不计算沿程损失。只有局部能量损失。 断面收缩系数： 取液面和截面c，列伯努利方程，并化简： 二、定水头喷嘴出流 长度L=（3-4）d，称为标准圆柱管嘴。管嘴内先收缩，再扩大充满管道，均匀流出。 液流通过管嘴的阻力包括收缩阻力、扩大阻力和微小段沿程阻力。将其全部折算为总的阻力系数 总结 管嘴出流的流量比孔口出流的流量增大约1/3。 淹没出流的水力计算公式，与自由出流公式类似。只不过出口处的相对压力不再是0 淹没出流的各个系数，与自由出流的相等 注意两者间微小的区别 其余形式的管嘴 第八节 压力管路中的水击 当某些原因引起管路中流速突然变化时，会引起管内压力突然变化，造成水击。急剧变化的压力波波面通过管路时，会产生一种声音，犹如锤子敲击管路。因此又称为水锤效应。 一、水击产生和水击波的传递 发生水击现象的物理原因，是由于液体具有惯性的压缩性。 二、水击的分类 直接水击与间接水击 若阀门关闭时间 ，阀门处的水击压力不会受降压波的影响，可能产生的水击压力很大，称为直接水击。否则为间接水击 正水击与负水击 管路上的阀门突然关闭，或流速突然减小的情况，称为正水击。阀门突然打开，或流速突然增大的情况称为负水击。 三、水击压力的计算 阀门附近一段液体，直径为D，密度已知，在无限小时间 内，靠近阀门处的液体流速由v0变为0.根据动量方程，有： 液体内压力波传递的速度 防止水击现象的一般方法 减慢换向阀的关闭速度，即延长