第五章有压管流与孔口.doc

第五章 有压管流与孔口、管嘴出流 前面几章所阐述的是液流运动的基本规律。从奉章开始将分类研究有关工程的水力计算专题。下面先讨论有压管流与孔口、管嘴的水力计算，它是连续性方程、能量方程、水流阻力和水头损失规律的具体应用。 水沿管道作满管流动的水力现象，称为有压管流；水经容器壁孔口流出的水力现象，称为孔口出流安装在孔口外壁处，长为(3～4)倍孔口直径的短管段，称为管嘴，水经管嘴并在其出口处满管流出的水力现象，称为管嘴出流。 有压管道又称有压管路，它是一切生产、生活输水系统的重要组成部分。交通土建工程的工地临时供水、路基涵洞的泄水能力计算、以及有关试验研究，都会遇到有压管路的水力计算问题；各种取水、泄水闸孔以及某些流量量测设备的水力计算均属孔口出流问题；消防水枪和水力机械化施工用水枪都是管嘴的应用。因此，本章内容对于交通土建及水利等工程均具很大的实际意义。 §5—1 有压管路水力计算 一、有压管路的类型 有压管流的管道，又称有压管路，其水力计算常归类分析。有压管流的基本特征是断面形状多为圆形，整个断面上被水充满，无自由表面，过水断面的周界即为湿周，管壁处处受到水压力作用，液体压强一般都不等于大气压；管中流量变化，只会引起过水断面上的压强和流速变化，总水头线及测管水头线则是这种变化的几何图示。有压管流也可有恒定流与非恒定流、均匀流与非均匀流之分；有压管路一般多为若干等直径管段所组成。按管路布设与其组成情况可分为简单管路与复杂管路两类；按水力计算方法可分为短管与长管两类。现分述如下： 1．简单管路 管径沿程不变的管路，称为简单管路，如路基中的倒虹吸涵管、水泵的吸水管、压水管、管路系统中等直径管段等均属此类。 2．复杂管路 由两根以上管道组成的管路，称为复杂管路。其中又可有： 1)串联管路——直径不同但首尾串接而成的管路系统，称为串联管路，它可以节约管材。 2)并联管路——两根以上首尾并接的管路，称为并联管路，它可增加供水的可靠性。 3)管网——由多种管路组合而成的管道系统，称为管网。其中还可有枝状管网与环状管网两种。呈树枝状布设的管系，称为枝状管网，呈封闭环形的管系，称为环状管网。这类管系可保证更多地区的用水需要。城市自来水管的布置属于管网系统。 3．长管与短管 1)短管——必须同时计算管路沿程水头损失、局部水头损失及流速水头的管路，称为短管。通常管道长度J与管径d的比值专1000时，按短管计算。交通土建工程常见的倒虹吸管及有压涵管等属于此类。 2)长管——管路流速水头及局部水头损失可忽略不计的管路，称为长管。通常言1000时，一般按长管计算。 二、短管水力计算 1．短管简单管路水力计算 1)短管自由出流 如图5—1a)所示，当管路出口为大气，即水流流入大气时，称为自由出流。设管路直径为d，长度为／，沿程有若干折弯，阀门等局部障碍。列断面1—1，2—2的能量方程，有片+o+訾＝o+o+a,,OZ十九o Ho—／／+aovg—器+A。 (5…1) 式中：Ho--作用水头： v--管道出口流速； vo--行近流速。 所谓作用水头，即出口流速水头与管路损失水头之和。它是用于克服水头损失并保证出口动能的能量。由公式(5—1)有 乙＝Xhfi十Xhfi —乳合差+舄2g 故 h。—(z+告+q)差—c：部 ，；—2a) 乙＝2凡言+2《 』 式中：21--各段管道的沿程阻力系数； 轨——局部阻力系数， (。——管系阻力系数。 当为简单管路且管道材料一致时从＝A，Ell＝J，d＝const，则 式中，／J：——短管自由出流流量系数； 0／--动能修正系数； A--过水断面面积。 公式(5—4a)，(5—4b)及(5—4c)即短管自由出流计算公式。公式(5—4a)可用于计算水塔水面高度。 2)短管淹没出流 如图5—lb)所示，当管路出口淹没在水下时，称为淹没出流。取下水池水面作基准面，列出断面1—1，2—2的能量方程。因上、下水池很大，通常取。。：qw。zbo。设管中流速为。，有 U十0+0＝0+0+0十A。 ／／o＝U＝^。＝-F,hti+2A“ 这表明，淹没出流时，作用水头完全消耗于水头损失。由此有 Ho—卜专+2c／差—cI差1 +5—5a) (，＝^专+2￡ 』 。——1二√石云 (5—5b) √乙 Q—Av——1二且√2gHo—从且√2gHo I ㈠C： [ (5—5c) “—孑1： j 式中：C：——短管淹没出流管系阻力系数‘ V--流速； Ho--以下水池水面作基准面的作用水头。 公式(5—5a)，(5—5b)，(5—5c)即短管淹没出流的计算公式。 设管系的局部阻力系数有：进口——C1，折弯——f：，阀门一一L，出口——[‘。如图5—la)所示，当为自由出流时，取o＝1，