4第四章有压管中的恒定流 ppt课件
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《水力学》第四章 有压管中的恒定流.
2
4-1 简单管道水力计算的基本公式
简单管道：指管道直径不变且无分支的管道。
简单管道的水力计算可分为自由出流和淹没出流。
一、自由出流
对1-1断面和2-2断面 建立能量方程
v0 称为行近流速
H
1v02
2g
2v2
2g
hw12
令 H 1v02
2g
H0
且因
hw12 hf hj
流的粗糙区或过渡粗糙区。可近似认为当v＜1.2m/s时，
管流属于过渡粗糙区，hf约与流速v的1.8次方成正比。故
当按常用的经验公式计算谢齐系数C求hf应在右端乘以修
正系数k，即
H
hf
k
Q2 K2
l
管道的流量模数K，以及修正系数k可根据相关手册资料
得到。
11
12
13
例4-1 一简单管道，如图4-3所示。长为800m，管径 为0.1m，水头为20m，管道中间有二个弯头，每个弯头的 局部水头损失系数为0.3，已知沿程阻力系数λ＝0.025，试 求通过管道的流量。
Z
l d
淹
注：1 自＝淹 8
以上是按短管计算的情况。如按长管的情况，忽略
局部水头损失及流速水头损失。有
H
hf
l
d
v2 2g
水利工程的有压输水管道水流一般属于紊流的水力粗糙
区，其水头损失可直接按谢齐公式计算，用 8g 则
C2
H
8g C2
l d
v2 2g
8gl C 2 4R
Q 0.0703 3.14 0.12 19.6 20 0.01093 m2 / s
4-1 简单管道水力计算的基本公式
简单管道：指管道直径不变且无分支的管道。
简单管道的水力计算可分为自由出流和淹没出流。
一、自由出流
对1-1断面和2-2断面 建立能量方程
v0 称为行近流速
H
1v02
2g
2v2
2g
hw12
令 H 1v02
2g
H0
且因
hw12 hf hj
流的粗糙区或过渡粗糙区。可近似认为当v＜1.2m/s时，
管流属于过渡粗糙区，hf约与流速v的1.8次方成正比。故
当按常用的经验公式计算谢齐系数C求hf应在右端乘以修
正系数k，即
H
hf
k
Q2 K2
l
管道的流量模数K，以及修正系数k可根据相关手册资料
得到。
11
12
13
例4-1 一简单管道，如图4-3所示。长为800m，管径 为0.1m，水头为20m，管道中间有二个弯头，每个弯头的 局部水头损失系数为0.3，已知沿程阻力系数λ＝0.025，试 求通过管道的流量。
Z
l d
淹
注：1 自＝淹 8
以上是按短管计算的情况。如按长管的情况，忽略
局部水头损失及流速水头损失。有
H
hf
l
d
v2 2g
水利工程的有压输水管道水流一般属于紊流的水力粗糙
区，其水头损失可直接按谢齐公式计算，用 8g 则
C2
H
8g C2
l d
v2 2g
8gl C 2 4R
Q 0.0703 3.14 0.12 19.6 20 0.01093 m2 / s
工程流体力学课件5孔口、管嘴出流及有压管流
H
0v02 2g
v2 2g
hw
忽略管嘴沿程损失，且令
H0
H
0v02
2g
则管嘴出口速度
v 1
2gH0 n 2gH0
Q vA n A 2gH0 n A 2gH0
其中ζ为管嘴的局部阻力系数，取0.5；则
流速系数 流量系数
n
1
1 0.82 ＜孔口 0.97 ~ 0.98 1 0.5
说明管嘴过流能力更强
l1, l2 ,1, 2 , n, 1, 2 , 3
求 泄流量Q， 画出水头线
3
Rd 4
R, n
C
1 n
1
R6
8g C2
1, 3 H
1
2 l1
2
l2
v
1
2gH
1
l d
1
2
1
出口断面由A缩小为A2
出口流速
v2
管内流速
v2
A2 A
3
新增出口局部损失 3
v2
2gH
13
(
l d
1
2
)
A2 A
2
= =
H+h 0
h
v2
l v2
v2
( )
2g
d 2g
2g
1
用3-3断面作 下游断面
O1
H
v
23
h O 出口水头损失
按突扩计算 23
( z1
p1
1v12
2g
) (z3
p3 )
3v32
2g
h f 12
h j12 h j23
= = = = =
H+h
流体力学ppt课件-流体动力学
g
g
2g
水头
，
z
p
g
v2
2g
总水头， hw 水头损失
第二节 热力学第一定律——能量方程
水头线的绘制
总水头线
hw
对于理想流体，总水
1
v12 2g
2
v22 2g
头线是沿程不变的，
测压管水头线
p2
为一水平直线，对于
g
实际流体，总水头沿 程降低，但测压管水
p1 g
头线沿程有可能降低、
z2
不变或者升高。
z1
v2 A2 e2
u22 2
gz2
p2
v1A1 e1
u12 2
gz1
p1
微元流管即为流线，如果不 可压缩理想流体与外界无热 交换，热力学能为常数，则
u2 gz p 常数
2
这个方程是伯努利于1738年首先提出来的，命名为伯努利 方程。伯努利方程的物理意义是沿流线机械能守恒。
第二节 热力学第一定律——能量方程
皮托在1773年用一根弯成直角的玻璃管，测量了法国塞纳河 的流速。原理如图所示，在液体管道某截面装一个测压管和 一个两端开口弯成直角的玻璃管（皮托管），皮托管一端正 对来流，一端垂直向上，此时皮托管内液柱比测压管内液柱 高h，这是因为流体流到皮托管入口A点受到阻滞，速度降为 零，流体的动能变化为压强势能，形成驻点A，A处的压强称 为总压，与A位于同一流线且在A上游的B点未受测压管的影 响，其压强与A点测压管测得的压强相等，称为静压。
第四章 流体动力学
基本内容
• 雷诺输运公式 • 能量方程 • 动量方程 • 流体力学方程应用
第一节 雷诺输运方程
• 前面解决了流体运动的表示方法,但要在流 体上应用物理定律还有困难.
孔口、管嘴出流和有压管流_图文_图文
为Q=10×10-3m3/s。试求该孔口的收缩系数ε，流速系数φ，流
量系数μ和阻力系数ζ。
解①
②求μ 因为
所以 则得
（大气压），及
③ 也可由下式求出
④ 由公式知
所以
例2 一大水池的侧壁开有一直径d=10mm的小圆孔，水池 水面比孔口中心高H=5m，求：出口流速及流量。
假设：①若池壁厚度δ=40mm；②若池壁厚度δ=3mm。
孔口、管嘴出流和有压管流_图文_图文.ppt
管嘴出流的特点：
水流进入管嘴以前的流动情况与孔口出流相同，进入 管嘴后，先形成收缩断面c-c，在收缩断面附近水流与管壁 分离，并形成旋涡区 ，之后 水流逐渐扩大，直至完全充 满整个断面 ，管嘴出口断面 上水流为满管流动。
管嘴出流流段的水头损失包 括经孔口的局部水头损失和 由于水流扩大所引起的局部 损失(略去沿程水头损失）， 即：
解 首先分析壁厚δ对出流的影响： 若δ=l=(3-4)d=(30-40)mm ，则为管嘴出流，若δ=<l
便为孔口出流，当δ=3mm时为薄壁孔口出流，当δ=40mm 时为圆柱形外管嘴出流。
（2）圆柱形外管嘴的恒定出流
以图示的水箱外接圆柱形管嘴为例。设水箱的水面压强 为大气压强，管嘴为自由出流，同样也仅考虑局部阻力。 以过管轴线的水平面为基准面， 写出水箱中过水断面1-1至管嘴 出口断面2-2的能量方程：
式中 其中ζn称为管嘴出流的阻力系数，根据实验资料其值约为0.5
令
将以上两式代入能量方程，可解 得管嘴出口断面平均流速：
所以，圆柱形外管嘴的正常工作的条件是：
（1）作用水头
（2）管嘴长度
其他形式的管嘴，如扩散管嘴、收缩管嘴和流线形管嘴 等，不再一一讨论。
量系数μ和阻力系数ζ。
解①
②求μ 因为
所以 则得
（大气压），及
③ 也可由下式求出
④ 由公式知
所以
例2 一大水池的侧壁开有一直径d=10mm的小圆孔，水池 水面比孔口中心高H=5m，求：出口流速及流量。
假设：①若池壁厚度δ=40mm；②若池壁厚度δ=3mm。
孔口、管嘴出流和有压管流_图文_图文.ppt
管嘴出流的特点：
水流进入管嘴以前的流动情况与孔口出流相同，进入 管嘴后，先形成收缩断面c-c，在收缩断面附近水流与管壁 分离，并形成旋涡区 ，之后 水流逐渐扩大，直至完全充 满整个断面 ，管嘴出口断面 上水流为满管流动。
管嘴出流流段的水头损失包 括经孔口的局部水头损失和 由于水流扩大所引起的局部 损失(略去沿程水头损失）， 即：
解 首先分析壁厚δ对出流的影响： 若δ=l=(3-4)d=(30-40)mm ，则为管嘴出流，若δ=<l
便为孔口出流，当δ=3mm时为薄壁孔口出流，当δ=40mm 时为圆柱形外管嘴出流。
（2）圆柱形外管嘴的恒定出流
以图示的水箱外接圆柱形管嘴为例。设水箱的水面压强 为大气压强，管嘴为自由出流，同样也仅考虑局部阻力。 以过管轴线的水平面为基准面， 写出水箱中过水断面1-1至管嘴 出口断面2-2的能量方程：
式中 其中ζn称为管嘴出流的阻力系数，根据实验资料其值约为0.5
令
将以上两式代入能量方程，可解 得管嘴出口断面平均流速：
所以，圆柱形外管嘴的正常工作的条件是：
（1）作用水头
（2）管嘴长度
其他形式的管嘴，如扩散管嘴、收缩管嘴和流线形管嘴 等，不再一一讨论。
流体力学第四章ppt课件
对于定常无旋运动，式（4－3）括弧内的函数
不随空间坐标ｘ，ｙ，ｚ和时间ｔ变化，因此
它在整个流场为常数。精选课件
10
U p V2 C
2
(通用常数)
对于理想、不可压缩流体、在重力作用下的 定常无、旋运动，因Ｕ＝－ｇｚ，上式可写成
p V2
z
C
(通用常数)
2g
上式为上述条件下的拉格朗日积分式，Ｃ在
整个流场都适用的通用常数，因此它在整个流场
建立了速度和压力之间精的选课件关系。
11
若能求出了流场的速度分布（理论或实验的 方法），就能用拉格朗日积分式求流场的压力分 布，再将压力分布沿固体表面积分，就可求出流 体与固体之间的相互作用力。
应用拉格朗日积分式，可解释许多重要的物
理现象：如机翼产生升力的原因；两艘并排行
U 2
2
g
近似代替 20
适用于有限大流束的伯努利方成为：
z p U2 const
2g
或
z1p1U 21g2 z2p2
U22 2g
方程适用条件：
（13） （14）
（１）理想流体，定常流动；
（２）只有重力的作用；
（３）流体是不可压缩的；
（4）１.２截面处流动须是渐变流。但1.2两断
面间不必要求为渐变流精动选课件。
驶而又靠得很近的船舶为什么会产生互相吸引
的“船吸现象”；以及在浅水航道行驶的船舶为
什么会产生“吸底现象”等等。
精选课件
12
讨论： 1. 如果理想、不可压缩流体作定常、无旋流
动且只有重力作用时，同一水平面上的两 点，其速度和压力的关系如何？ 2. 两艘并排行驶而又靠得很近的船舶为什么会产 生互相吸引的“船吸现象”。
流体力学 第四章 (2)讲解
沿AB流线写元流能量方程：
zA
+
pA γ
+
uA2 2g
=
zB
+
pB γ
+
uB2 2g
zA = zB , uB = 0
uA
2g pB - pA
2gh
毕托管
四、粘性流体元流的伯努利方程
Z1
P1 r
1v12
2g
Z2
P2 r
2v22
2g
hw '
第三节 恒定总流的伯努利方程
称为为 总水头，表明单位重量流体具有的总能量，称为 单位总能量。
方程含义
能量方程式说明，理想不可压缩流 体恒定元流中，各断面总水头相等， 单位重量的总能量保持不变。
三、元流能量方程的应用——毕托管
毕托管
用于测量水流 和气流点流速 的仪器。
测压管：两端开口并与流向正交；
测速管：两端开口并成直角弯曲，下端 开口正对来流。
一定从高处向低处流动；（2）水一定从压强大的地 方向压强小的地方流动；（3）水总是从流速大的地 方向流速小的地方流动？
3-5什么是水头线和水力坡度？总水头线、测压管水 头线和位置水头线三者有什么关系？沿程变化特征是 什么？
作业
P105-4.8、4.10、4.11 ，P1064.17、4.19
vy z
fy
1
p y
2 y
x2
2y
y 2
2y
z 2
vz t
vx
vz x
vy
vz y
vz
vz z
有压管道恒定流
第四章 有压管道恒定流第一节 概述前面我们讨论了水流运动的基本原理,介绍了水流运动的三大方程,水流形态和水头损失,从第五章开始,我们进入实用水利学的学习,本章研究有压管道的恒定流.一. 管流的概念1.管流是指液体质点完全充满输水管道横断面的流动，没有自由水面存在。
2.管流的特点.①断面周界就是湿周，过水断面面积等于横断面面积；②断面上各点的压强一般不等于大气压强，因此，常称为有压管道。
③一般在压力作用而流动.1.根据出流情况分自由出流和淹没出流管道出口水流流入大气，水股四周都受大气压强作用，称为自由出流管道。
管道出口淹没在水面以下，则称为淹没出流。
2.根据局部水头损失占沿程水头损失比重的大小，可将管道分为长管和短管。
在管道系统中，如果管道的水头损失以沿程水头损失为主，局部水头损失和流速水头所占比重很小（占沿程水头损失的5%～10%以下），在计算中可以忽略，这样的管道称为长管。
否则，称为短管。
必须注意，长管和短管不是简单地从管道长度来区分的，而是按局部水头损失和流速水头所占比重大小来划分的。
实际计算中，水泵装置、水轮机装置、虹吸管、倒虹吸管、坝内泄水管等均应按短管计算；一般的复杂管道可以按长管计算。
3. 根据管道的平面布置情况，可将管道系统分为简单管道和复杂管道两大类。
简单管道是指管径不变且无分支的管道。
水泵的吸水管、虹吸管等都是简单管道的例子。
由两根以上管道组成的管道系统称为复杂管道。
各种不同直径管道组成的串联管道、并联管道、枝状和环状管网等都是复杂管道的例子。
工程实践中为了输送流体，常常要设置各种有压管道。
例如，水电站的压力引水隧洞和压力钢管，水库的有压泄洪洞和泄洪管，供给城镇工业和居民生活用水的各种输水管网系统，灌溉工程中的喷灌、滴灌管道系统，供热、供气及通风工程中输送流体的管道等都是有压管道。
研究有压管道的问题具有重要的工程实际意义。
有压管道水力计算的主要内容包括：①确定管道的输水能力；②确定管道直径；③确定管道系统所需的总水头；④计算沿管线各断面的压强。
孔口管嘴出流与有压管流课件
有压管
模拟有压管流，通常由透明塑料 或玻璃制成，以便观察水流状态 。
压力表
用于测量管道内的压力。
实验步骤与操作
4. 使用流量计和压力表测量流量 和压力，记录数据。
2. 将水泵连接到供水管道，确保 水源充足。
05
04
03
02
01
5. 调整水泵的流量和压力，重复 实验，以获取更多数据。
3. 开启水泵，观察孔口管嘴出流 和有压管流的流动状态，记录实 验现象。
管嘴出流
管嘴出流定义
液体通过管口流出，出口侧有自由液面。
管嘴出流特点
管内压力逐渐降低，出口侧有自由液面，流动过程中有能量损失。
管嘴出流公式
流量与管径、液位高度、重力加速度有关，可用公式Q=π*D^2*v/4计算，其中D为管径，v为液 位高度。
02 有压管流
有压管流的定义
总结词
有压管流是指流体在管道中受到压力作用，具有确定的流动域，有压管流被用于将水源输送到用户家中，提供生活用水和消防用水。在供 热领域，有压管流被用于将热能传输到用户家中，提供暖气和热水等服务。在化工和石 油领域，有压管流被用于输送各种流体，如酸、碱、油等，实现原料的传输和产品的生
产。此外，有压管流还被应用于城市排水系统、农田灌溉等领域。
03
详细描述
有压管流通常发生在具有一定压力差的管道中，流体在压力作用下沿着管道方向 流动。由于管道的约束作用，流体在流动过程中会受到摩擦阻力，导致流速逐渐 减小。同时，随着管道直径的增加，流速也会相应减小。
有压管流的特性
总结词
有压管流的特性包括压力传递、连续流动、不可压缩性和粘性。这些特性使得有压管流在工业和日常生活中得到 广泛应用。
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2020/11/29
14
（2）计算水池与水井的水位差Z 按短管淹没出流计算
QcA 2gZ
c
1
d l
1
0.378
0.032021
0.15
Z
Q2
0.82m
(cA)22g
2020/11/29
15
4-4 钢管输水，流量Q为52.5 L/s，管径d为200mm， 管长L为300m，局部水头损失按沿程水头损失的5％计。
Q cA2gH6.25m 3/s
V Q 6 .2 5 7 .9 6 m /s 1 .2 m /s属 于 阻 力 平 方 区 A 0 .7 8 5
2020/11/29
9
4-2 倒虹吸管采用500mm直径的铸铁管，长 L为125m，进出口水位高程差为5m，根据 地形，两转弯角各为60°和50°，上下游 渠道流速相等。问能通过多大流量？
2020/11/29
12
4-3 水泵自吸水井抽水，吸水井与蓄水池用自流管相接，其 水长位L为均2不0m变，，直如径图d所为示15。0m水m泵；安水装泵高吸度水zs管为长4.L51m为；1自2m流，管 直径d1为150mm；自流管与吸水管的沿程阻力系数 λ=0.03；自流管滤网的局部水头损失系数ζ=2.0；水泵底 阀的局部水头损失系数 ζ=9.0；90°弯头的局部水头损失 系数ζ＝0.3；若水泵进口真空值不超过6m水柱，求水泵的 最大流量是多少？在这种流量下，水池与水井的水位差z 将为若干？
2020/11/29
10
4-2
解：本题按短管淹没出流计算
铸铁管糙率n＝0.0125
R d 0.125m 4
C 1 R 1 /6 1 0 .1 2 5 1 /65 6 .5 7 n 0 .0 1 2 5
C2
0.0245
进口＝0.5 出口＝1.0
2020/11/29
11
0 .9 4 6 sin 26 0 2 .0 5 sin 46 0 0 .3 6 5
2020/11/29
13
4-3 解：（1）计算水泵最大流量
ZS hv(dl11
)v2
2g
v (hvZS)2g (64.5)29.81.52m/s
d l11
10.03129.3 0.15
Q vA
A 4d 1 23 .4 1 4 0 .1 5 20 .0 1 7 7 m 2
Q m a x 1 .5 2 0 .0 1 7 7 0 .0 2 6 8 m 3 /s
2020/11/29
6
第四章习题解答
4-1 坝下埋设一预制混凝土引水管，直径D为lm， 长40m，进口处有一道平板闸门控制流量，引水 管出口底部高程 V62.0m，当上游水位为V70.0m， 下游水位为 V60.5m，闸门全开时能引多大流量？
2020/11/29
7
4-1 解：本题按短管自由出流计算
第四章习题解答
4-1 管道中整个过水断面均被液体充满，断
面的周界就是湿周，管道过水断面上各点 的压强可以大于大气压，也可以小于大气 压，周界上的各点均受到液体压强的作用， 无自由表面，这种流动称为有压管流。
其主要水力特征就是没有自由表面。
2020/11/29
1
4-2
长管是指水头损失以沿程水头损失为主，其 局部水头损失和流速水头在总损失中所占的比重 很小，计算时可以忽略不计的管道。
4
4-3
（1）两管中通过的流量相同。见课本 P169~P170
（2）两管中各对应点的压强是不同的，通过 定性画总水头线和测压管水头线可以明显 地看出来。
2020/11/29
5
4-4
三条泄水管的泄流量相同。因为三条管 均为淹没出流，根据淹没出流的流量公式， 在流量系数、面积及上下游水位差均相等 的情况下，泄流量应相等。
短管是指局部水头损失及流速水头在总损失 中占有相当比重，计算实不能忽略的管道。
长管和短管的判别是以局部水头损失和流速 水头小于沿程水头损失的5%则为短管，否则为长 管，不是简单地以管道的长短而论。
如果是短管，想按长管计算，可将局部阻力
系数 按关系式 入到管长中即可。
li d
换算成某一当量长度 l i
混凝土糙率n＝0.014
作用水头H＝70.0-（62.0+D/2）＝7.5m 不 计 行 进 流 速 水 头 ， 则 H 0 H 7 .5 m
R D 0.25m 4
C1R 1/6 1 0.251/656.6
n
0.014
8g C2
0.0245
2020/11/29
8
取 0.5
c1d l1 10.0241 54 1 00.50.64
6 0
2
2
0 .9 4 6 sin 25 0 2 .0 5 sin 45 0 0 .2 3 6
5 0
2
2
cd l1 0 .0 2 4 5 1 0 2 .5 5 0 .3 1 6 5 0 .2 3 6 0 .5 1 0 .3 5
Q cA2gZ0.68m 3/s
V Q 3 .4 6 m /s 1 .2 m /s属 于 阻 力 平 方 区 A
加
2020/11/29
2
精品资料
• 你怎么称呼老师？ • 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你
是否会认为老师的教学方法需要改进？ • 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭 • “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我
笨，没有学问无颜见爹娘 ……” • “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
hj0.055.510.276m
H 2 V g 2 h f h j 1 2 1 .9 6 .7 8 2 5 .4 7 0 .2 7 6 5 .9 m
2020/11/29
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4-5 用水泵提水灌溉，水池水面高程▽179.5m，河 面水位▽155.0m；吸水管为长4m、直径200mm 的钢管，设有带底阀的莲蓬头及45°弯头一个。 压力水管为长50m，直径150mm的钢管，设有逆 止阀（ζ=1.7）、闸阀（ζ=0.1），45°的弯头各 一个，机组效率为80%；已知流量为50000cm3/s， 问要求水泵有多大扬程？
问水塔水面要比管道出口高多少？
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4-4 解：钢管取n=0.011
R d 0.05 4
C1R1 6
1
1
0.05655.18
n 0.011
VQ 0.05251.67m/s A 3.140.22 4
C 8g2 585.19.882 0.0258
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hf d lV 2g 20.02583 0 0 .2 02 1 .6 9 7 .2 85.51 m