管流损失与水力计算基 本 练 习
5.3 短管水力计算——学习材料
学习单元三、短管水力计算一、管流概述在水利土木工程和日常生活中，经常用管道来输送液体，如水利工程中的有压引水隧洞、有压泄洪隧洞、水电站的压力管道、灌溉工程中的虹吸管和倒虹吸管、抽水机的吸水管和压水管、建筑或城市给排水工程中的自来水管、通风热水管道、石油工程中的输油管、人体中的血管等，都是常见的有压管流。
有压管流一般都采用圆形管道输送。
水流运动的特点是：整个断面被液体所充满，没有自由液面，管道的整个边壁上都受动水压强作用，而且一般不等于大气压强。
因此，管流又称为有压流。
管道中的断面如果未被水冲满，则不能视为有压流，是无压流动（明渠流动）根据管道中水流的沿程水头损失、局部水头损失及流速水头所占的比重不同，管流可分为长管流动和短管流动。
长管即管道中水流的沿程水头损失较大，而局部水头损失和流速水头很小，此两项之和只占沿程水头损失5%以下，以致可以忽略不计。
一般自来水管可视为长管。
短管即管道中局部水头损失与流速水头两项之和占沿程水头损失的5%以上，水力计算时不能忽略，必须一起考虑在内。
虹吸管、倒虹吸管、坝内泄水管、抽水机的吸水管等，均可按短管计算。
特别需要指出的是，长管和短管并不是按管道的长度分类的，即使很长的管道，局部水头损失和流速水头不能忽略时，仍应按短管计算。
根据水流运动要素随时间是否变化，可分为有压恒定流和有压非恒定流。
当管中任一点的水流运动要素不随时间而改变时，即为有压恒定流，否则为有压非恒定流。
本课程主要研究有压恒定流的计算。
本节先介绍短管流动下图5-6表示一段短管的自由出流过程。
列1-1断面和2-2断面的能量方程，有：212222201-+=+w h gv g v H αα令0212H gv H =+α，称为作用水头。
又有∑∑+=-j f w h h h 21。
因此g v d lH 2)(220∑++=ξλα取 12=α 则g v dlH 2)1(2∑++=ξλ图5-6 短管的自由出流管中流速0211gH dl v ∑++=ξλ通过管道流量 002211gH A gH A dl Q c μξλ=++=∑式中 ∑++=ξλμdl c 11称为管道系统的流量系数。
管内流动损失和阻力计算
管壁绝对粗糙度 管道内径
二、局部能量损失
在急变流中，由于流体微团碰撞或漩涡产生的能量 损失，其大小与部件的形状和相对大小有关。
单位重力流体局部能量损失：
hj
v2 2g
m
局部损失系数 不同的管件由实验确定
整个管道的能量损失：
h w h f h j
5.2 粘性流体的流动状态
层流，紊流（湍流）
5.1 管内流动的能量损失
一、沿程能量损失
z1
p1
g
1
v12 2g
z2
p2
g
2
v22 2g
hw
在缓变流整个流程中，由于粘性耗散产生的能量损失， 其大小与流动状态密切相关。
单位质量流体沿程能量损失：
hf
l v2
d 2g
管道长度
m
单位重力流体的动压头
式中沿程损失系数：（达西—魏斯巴赫公式）
f Re,
第五章
管流损失和水力 计算
精选2021版课件
1
主要内容
5.1 管内流动的能量损失 5.2 粘性流体的流动状态 5.3 管道入口段中的流动 5.4 圆管中粘性流体的层流流动 5.5 粘性流体的紊流流动 5-6 沿程损失的实验研究 5.7 非圆形管道沿程损失的计算
5.8 局部损失 5.9 管道水力计算 5.10 几种常用的技术装置 5.11、液体出流 5.12 压力管路中的水击现象
对于水平放置的圆管，
ddplLp,qv
d4p 128L
哈根-泊肃叶定律表明：
圆管中的流量与单位长度管道的压降 成正比，与粘性系数成反比。
尤其重要的是：流量还与管道直径的
qv
d 4 p 128L
(整理)第三章给水排水管道系统水力计算基础
第三章给水排水管道系统水力计算基础本章内容：1、水头损失计算2、无压圆管的水力计算3、水力等效简化本章难点：无压圆管的水力计算第一节基本概念一、管道内水流特征进行水力计算前首先要进行流态的判别。
判别流态的标准采用临界雷诺数Re k，临界雷诺数大都稳定在2000左右，当计算出的雷诺数Re小于2000时，一般为层流，当Re大于4000时，一般为紊流，当Re介于2000到4000之间时，水流状态不稳定，属于过渡流态。
对给水排水管道进行水力计算时，管道内流体流态均按紊流考虑紊流流态又分为三个阻力特征区：紊流光滑区、紊流过渡区及紊流粗糙管区。
二、有压流与无压流水体沿流程整个周界与固体壁面接触，而无自由液面，这种流动称为有压流或压力流。
水体沿流程一部分周界与固体壁面接触，另一部分与空气接触，具有自由液面，这种流动称为无压流或重力流给水管道基本上采用有压流输水方式，而排水管道大都采用无压流输水方式。
从水流断面形式看，在给水排水管道中采用圆管最多三、恒定流与非恒定流给水排水管道中水流的运动，由于用水量和排水量的经常性变化，均处于非恒定流状态，但是，非恒定流的水力计算特别复杂，在设计时，一般也只能按恒定流(又称稳定流)计算。
四、均匀流与非均匀流液体质点流速的大小和方向沿流程不变的流动，称为均匀流；反之，液体质点流速的大小和方向沿流程变化的流动，称为非均匀流。
从总体上看，给水排水管道中的水流不但多为非恒定流，且常为非均匀流，即水流参数往往随时间和空间变化。
对于满管流动，如果管道截面在一段距离内不变且不发生转弯，则管内流动为均匀流；而当管道在局部有交汇、转弯与变截面时，管内流动为非均匀流。
均匀流的管道对水流的阻力沿程不变，水流的水头损失可以采用沿程水头损失公式进行计算；满管流的非均匀流动距离一般较短，采用局部水头损失公式进行计算。
对于非满管流或明渠流，只要长距离截面不变，也没有转弯或交汇时，也可以近似为均匀流，按沿程水头损失公式进行水力计算，对于短距离或特殊情况下的非均匀流动则运用水力学理论按缓流或急流计算。
第三章给水排水管道系统水力计算础
第三章给水排水管道系统水力计算基础本章内容：1、水头损失计算2、无压圆管的水力计算3、水力等效简化本章难点：无压圆管的水力计算第一节基本概念一、管道内水流特征进行水力计算前首先要进行流态的判别。
判别流态的标准采用临界雷诺数Re k，临界雷诺数大都稳定在2000左右，当计算出的雷诺数Re小于2000时，一般为层流，当Re大于4000时，一般为紊流，当Re介于2000到4000之间时，水流状态不稳定，属于过渡流态。
对给水排水管道进行水力计算时，管道内流体流态均按紊流考虑紊流流态又分为三个阻力特征区：紊流光滑区、紊流过渡区及紊流粗糙管区。
二、有压流与无压流水体沿流程整个周界与固体壁面接触，而无自由液面，这种流动称为有压流或压力流。
水体沿流程一部分周界与固体壁面接触，另一部分与空气接触，具有自由液面，这种流动称为无压流或重力流给水管道基本上采用有压流输水方式，而排水管道大都采用无压流输水方式。
从水流断面形式看，在给水排水管道中采用圆管最多三、恒定流与非恒定流给水排水管道中水流的运动，由于用水量和排水量的经常性变化，均处于非恒定流状态，但是，非恒定流的水力计算特别复杂，在设计时，一般也只能按恒定流(又称稳定流)计算。
四、均匀流与非均匀流液体质点流速的大小和方向沿流程不变的流动，称为均匀流；反之，液体质点流速的大小和方向沿流程变化的流动，称为非均匀流。
从总体上看，给水排水管道中的水流不但多为非恒定流，且常为非均匀流，即水流参数往往随时间和空间变化。
对于满管流动，如果管道截面在一段距离内不变且不发生转弯，则管内流动为均匀流；而当管道在局部有交汇、转弯与变截面时，管内流动为非均匀流。
均匀流的管道对水流的阻力沿程不变，水流的水头损失可以采用沿程水头损失公式进行计算；满管流的非均匀流动距离一般较短，采用局部水头损失公式进行计算。
对于非满管流或明渠流，只要长距离截面不变，也没有转弯或交汇时，也可以近似为均匀流，按沿程水头损失公式进行水力计算，对于短距离或特殊情况下的非均匀流动则运用水力学理论按缓流或急流计算。
管流损失和水力计算
管流损失和水力计算管流损失管流损失是指在一定流量条件下，由于管道长度、管道材料、弯头、三通、歧管、阀门、管道粗糙度等因素，引起的管道能量损失。
管道流动分为层流和紊流两种情况，层流通常发生在小径流道和低流速条件下，此时流体沿着中心轴线向管道轴向运动，管道内的速度分布呈现圆形对称分布，损失较小；紊流产生在大径流道和高速条件下，此时流体沿着管道中心轴线运动时会发生旋转和交错运动，管道内的速度呈现各向异性，导致能量损失较大。
管道水阻力管道水阻力也称摩擦水阻力，是管流损失中的一种主要损失。
在单一材质的管道中，摩擦应力的大小与管道直径的小数幂成反比，而与流量和管道长度成正比。
当管道直径不变时，流量越大，损失越大；当流量不变时，管道越长，损失越大。
摩擦应力和管道尺寸、流量、长度等参数有关，通过实验测定得出，通常可以使用经验公式直接计算。
管道局部阻力管道局部阻力是指管道中弯头、三通、歧管、阀门等配件引起的局部损失。
管道配件的作用是改变管道流向和流速，产生的能量损失也相应增大。
不同类型的管道配件，损失系数不同，可以通过实验测定得出。
常用的局部损失公式有经验公式和基于CFD方法的计算模型，计算结果较为精确。
管道水力坡降管道水力坡降是指单位长度管道内的能量损失。
当管道长度不变时，流量越大、管道摩擦阻力越大，水力坡降越大；流量不变时，管道摩擦阻力、局部阻力越大，水力坡降越大。
对于给定的管道系统，可以根据流量和管道长度计算出水力坡降，然后通过计算能够得出管道的水平长度。
水力计算在管道输送工程中，需要进行水力计算以确定管道效能和配管设计。
通常采用分层次方法进行计算，首先计算单元管道水力特性，然后根据单元管道结果计算多级管道的输送能力。
管道单元水力计算管道单元水力计算是指对单一管道进行水力特性计算，每个管段的计算单元长度不宜过大。
单元内的流动可以认为是一维稳定流动，假设管道粗糙度已知，通过计算单元内的水力坡降，可以得到单元内的平均流速、流量和摩擦因子等关键参数。
流体力学第四章流动阻力与管路水力计算
第四章 流动阻力与管路水力计算
3.湍流阻力与流速分布 (1)湍流阻力 在湍流中，流体内部不仅存在着因流层间的时均流 速不同而产生的粘滞切应力τ１，而且还存在着由于脉动使流体质 点之间发生动量交换而产生的惯性切应力τ２。
第四章 流动阻力与管路水力计算
(2)湍流速度分布 实验证明，流体在管道中作湍流运动时，过流 断面上的速度分布如图4-8所示。
第四章 流动阻力与管路水力计算
第四章 流动阻力与管路水力计算
3.圆管层流运动时的沿程阻力系数
第四章 流动阻力与管路水力计算
第四章 流动阻力与管路水力计算
解：v=Q/A=4Q/π=4×75×/π×m/s=0.96m/s 二、圆管湍流的沿程损失计算 实际工程中，除少数流动为层流外，绝大多数都属于湍流运动， 因此湍流的特征和运动规律在解决工程实际问题中有重要的作用。 1.湍流脉动现象与时均法
第四章 流动阻力与管路水力计算
均匀流动是指流速大小和方向均沿流程不变的流动。由于这种流 动只能发生在壁面（截面形状、大小、表面粗糙度等）不发生任 何变化的直管段上，所以在均匀流动时，只有沿程损失，没有局 部损失。为了寻找沿程损失的变化规律，需要先建立沿程损失和 沿程阻力之间的关系式，又称为均匀流动方程式。
第四章 流动阻力与管路水力计算
图4-8 湍流速度分布
第四章 流动阻力与管路水力计算
4.湍流沿程阻力系数的确定 由于湍流的复杂性，至今还不能完全通过理论推导的方法确定湍 流沿程阻力系数l，只能借助实验研究总结一些经验或半经验公式。 (1)尼古拉兹实验 为了得到l的变化规律，尼古拉兹在类似图4-2所 示的实验台上，采用人工粗糙管(管内壁上均匀敷有粒度相同的砂 粒)进行了大量实验。
水头损失及管路水力计算
圆管的计算公式： hf
l V2
d 2g
式中：λ ——沿程阻力系数
非圆管的计算公式：
hf
l V2 D 2g
式中：D——当量直径D=4R
沿程阻力系数的确定方法：
1、层流
对水 64
Re
对油
75
Re
2、紊流
对新钢管
对新铸铁管
K1K
2
0.0121 d 0.226
从能量观看，本章研究的是能量损失（水头损失）。
二、研究内容
内流（如管流、明渠流等）：研究 hw 的计算（本章重
点）；
外流（如绕流等）：研究CD的计算。（本章不讨论）
三、水头损失的两种形式
hf ：沿程水头损失(由摩擦引起)； hm ：局部水头损失（由局部干扰引起）。
总水头损失： hw hf hj
,d,l
H
2 0
2
上式说明： 全部水头消耗在沿程水头损失上和产生出口速度水头。
连续性方程
v
Q
d
2
4
3 .关于 hw的计算
hw
hf
hj
( l
d
) v2
2g
hw
[解]从1→2建立伯努利方程
H 0 0 0 0 v2
2g
l d
v2 2g
进
v2 2g
阀门
v2 2g
例题2
得流速
v
2gH
l d
进
阀门
据连续性方程得流量
Q
流体力学课程自学辅导资料
流体力学课程自学辅导资料二○○八年十月教材：工程流体力学教材编者：孔珑出版社：中国电力出版社出版时间：2007年注：期中（第10周左右）将前半部分测验作业寄给班主任，期末面授时将后半部分测验作业直接交给任课教师。
总成绩中，作业占15分。
第一章绪论一、本章的核心、重点及前后联系（一）本章的核心流体力学的研究内容和研究方法（二）本章重点流体力学的研究内容和研究方法（三）本章前后联系为本书的其它章节内容做一介绍二、本章的基本概念、难点及学习方法指导（一）本章的基本概念研究内容：是力学的一个独立分支，是一门研究流体的平衡和运动规律及其实际应用的技术科学。
研究速度分布、压强分布、能量损失及作用力。
研究方法：理论分析、实验研究、数值计算（二）本章难点及学习方法指导流体力学研究内容三、典型例题分析（略）四、思考题、习题及习题解答（一）思考题、习题（略）（二）习题解答（只解答难题）（略）第二章流体及其物理性质一、本章的核心、重点及前后联系（一）本章的核心1、流体的几个性质2、流体的几个物理模型3、作用在流体上的力（二）本章重点1、流体的压缩性、粘性2、连续介质模型、不可压缩流体模型、理想流体模型3、作用在流体上的力：表面力和质量力（三）本章前后联系为本书的其它章节建立物理模型二、本章的基本概念、难点及学习方法指导（一）本章的基本概念1、流体力学定义：受任何微小剪切力都能连续变形的物质特征：流动性2、连续介质模型：（1）宏观上无限小（2）微观上足够大（3）有确定物理量连续介质假设(continuum/continuous medium model)：把流体视为没有间隙地充满所占据的整个空间的一种连续介质，且其所有的物理量都是空间坐标和时间的连续函数的一种假设模型：f =f(t,x,y,z)。
特例：分子的自由行程和所涉及的最小有效尺寸可以相比拟时，如火箭在高空非常稀薄的空气中以及高真空技术3、压缩性：一定温度下、压强增加体积缩小的性质4、膨胀性：一定压强下、温度升高体积增大的性质5、不可压缩流体模型：通常情况下液体流速不高、压强变化小气体6、粘性：在运动的状态下，流体所产生的抵抗剪切变形的性质影响粘性的主要因素：流体种类、温度和压强7、牛顿流体：牛顿内摩擦定律和牛顿流体8、理想流体模型：粘度为09、作用在流体上的力：表面力和质量力（二）本章难点及学习方法指导1、流体的力学定义2、不可压缩流体模型3、理想流体模型三、典型例题分析1、P8. 例2-12、P14例2-4四、思考题、习题及习题解答（一）思考题、习题2-1、2-3、2-14（二）习题解答（只解答难题）（略）第三章流体静力学一、本章的核心、重点及前后联系（一）本章的核心流体静压强分布及作用在平面和曲面上的力（二）本章重点1、流体静压强特性2、流体静力学基本方程及其物理和几何意义3、液体相对平衡时压强分布及工程应用4、静止液体作用在平板上总压力大小和位置5、静止液体作用在曲面上总压力，压力体（三）本章前后联系流体静力学是力学的基础知识，最基本内容二、本章的基本概念、难点及学习方法指导（一）本章的基本概念1、流体静压强特性：方向沿作用面内法线方向，大小和作用面方位无关2、等压面：压强相等的点组成的面3、流体静力学基本方程及其物理和几何意义：水头、测压管水头、压强势能、重力势能4、帕斯卡原理、液柱式测压计5、液体相对平衡时压强分布及工程应用：离心式泵与风机、离心铸造机工作原理6、静止液体作用在平板上总压力大小和位置7、静止液体作用在曲面上总压力，压力体（二）本章难点及学习方法指导1、液体相对平衡时压强分布及工程应用：离心式泵与风机、离心铸造机工作原理2、静止液体作用在平板上总压力大小和位置3、静止液体作用在曲面上总压力，压力体三、典型例题分析1、P30. 例3-22、P37. 例3-63、P40. 例3-7四、思考题、习题及习题解答（一）思考题、习题1.相对平衡的流体的等压面是否为水平面？为什么？什么条件下的等压面是水平面？2.压力表和测压计上测得的压强是绝对压强还是相对压强 ？3、圆筒,H0=0.7m,R=0.4m, V=0.25m3, ω=10rad/s,中心开孔,顶盖m=5kg 。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
管流损失和水力计算
1.沿程损失系数λ的量纲（单位）为____ 。
(A) (B) (C) (D) 无量纲
2.圆管流动中，层流的临界雷诺数等于____ 。
(A) 2320 (B) 400 (C) 1200 (D) 50000
3.雷诺数Re表征____之比。
(A)粘性力与压力(B) 惯性力与重力
(C) 粘性力与质量力(D) 惯性力与粘性力
4.层流中，沿程水头损失与速度的____次方成正比。
(A) 1 (B) 1.5 (C) 1.75 (D) 4.2
5.圆管流动中，雷诺数Re的表达式是____ 。
(A) (B) (C) (D)
6.在管流中，如果两个截面的直径比为，则这两个截面上的雷诺数之比为。
(A) 2 (B) 4 (C) 1/2 (D) 1/4
7.湍流切应力是由于____而产生的。
(A)分子的内聚力(B) 分子间的动量交换
(C) 重力(D) 脉动速度引起的动量交换
8.湍斑出现在____ 。
(A) 层流(B)充分湍流(C) 层流到湍流的过渡(D) 任何一种流动中
9.普朗特的混合长度假说建立了____之间的关系。
(A)粘性切应力与湍流切应力(B) 脉动速度与时均速度的梯度
(C) 脉动速度与时均速度(D) 湍流切应力与压力
10.如果____，则沿程损失系数λ不受壁面粗糙度Δ的影响。
(A)Re足够大(B) 管径d足够大(C) 粘度足够大(D) 流量较大
管流损失和水力计算
11.湍流的动能修正系数____层流的动能修正系数。
(A) ＞(B) ≥(C) ＝(D) ＜
壁面切应力等于____ 。
12.
(A) (B) (C) (D)
13.局部损失产生的主要原因是____ 。
(A) 壁面切应力(B) 流态的变化(C) 流体的粘性(D) 局部漩涡和二次流
14.管道面积突然扩大的局部水头损失。
(A) (B) (C) (D)
15.长管是____的管道。
(A)管长大于100m (B) 沿程损失远大于局部损失
(C) 沿程损失系数λ较大(D) 沿程水头损失大于5m
16.____是并联管路的计算式。
(A) (B) (C) (D)
17.水从一个水池经一条管道流出大气，求出流量Q时，应对____这两个截面应用伯努力
方程。
(A)管道的入口和出口(B) 水面和管道入口
(C) 水面和管道出口(D) 管道进口和低水池液面
18.一条管道将水从高水位的水池引入低水位的水池，应用总流的伯努力方程时，应选择
的两个截面时____ 。
(A)两池水面(B) 管道的进、出口
(C) 高水池液面和管道进口(D) 管道进口和低水池液面
19.虹吸管最高处的压强____大气压。
(A) 大于(B) 等于(C) 小于(D) a和b
20.水击是____。
(A) 水流对管壁的压力(B) 水压强发生急剧升高和降低的交替变化现象(C) 水射流对阀门的冲击
21.分析水击现象时，必须考虑____的影响。
(A) 水深(B) 水的粘性(C) 流体的压缩性和管壁的弹性(D) 雷诺数
22.式____是水击压强的计算式。
(A) (B) (C) (D)。