第六章有压管流

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所以该管道按长管计算就可以了。
(三)按长管计算管道所通过的流量
根据
Q K H KACR l
C
8g
89.855.9m12/s 0.025
Q 3 .1 4 0 .1 2 5 5 .9 0 .1 2 0 0 .0 1 0 9 7 m 3/s
4
4 8 0 0
故按长管计算与短管计算所得流量相差
0.00004m3/s,相对误差为
(1) 每 根 虹 吸 管 的输水能力;
(2) 当吸虹管中 的最大允许真空 值 h v 为7m时,问 虹吸管的最高安 装高程是多少?
解:(1)本题管道出口淹没在水面以下,为淹没出流。 当不计行近流速影响时,可直接计算流量:
上下游水头差为 z 1 2 1 0 0 9 9 1 m
先确定λ值,用曼宁公式
这时可能出现下述两种情况:
(1).管道的输水能力、管长l及管道的总水头H均已确定。 若管道为长管 ,流量模数 K Q H l 由表6.1即可查出所需的管道直径。
若为短管 d
4Q
c 2gH
流量系数 c 与管径有关,需用试算法确定。
(2).管道的输水量Q,管长l已知,要求选定所需的管 径及相应的水头。 从技术和经济条件综合考虑:
例6-1 一简单管道,如图所示。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 =0.0 25,试求通过
管道的流量。
(一)先将管道作为短管,求通过管道流量。
局部损失共包括进口损失和弯头损失。
进口局部损失系数 QcA 2gH

4
流速水头 v2 1.392 0.0989m
2g 19.6
沿程损失 hfd l2 vg 20.0258 0 0 .1 00.098919.79m
局部损失 hf 2 vg 2(0 .520 .3 )0 .0 9 8 90 .1 0 9 m
故沿程水头损失占总水头的百分数为
hf 1.9 790.9899.8 9% H 20
因为流量和管径均已知各断面的平均流速即可求出, 入口到任一断面的全部水头损失也可算出。该点压强为
pgi H1zi
ivi2
2g
hwi
由此可绘出总水头线和测压管水头线。管内压强可 为正值也可为负值。当管内存在有较大负压时,可能产 生空化现象。
二、简单管道水力计算实例
1.虹吸管的水力计算
虹吸管是 一种压力输水 管道,其顶部 高程高于上游 供水水面。
z c 为110.0m,工厂所需水头 H

c
25m。若须保证工厂供水量Q为85 lm/s,求水塔高度(即
地面至水塔水面的垂直距离)。
解:给水管道常按长管计算。由表6.1查得d=300m的 新铸铁管K=1.144m3/s。 管道内流速 vQ 0.085 1.21m/s1.2m/s
A 13.140.32 4
量方程
0 p g a a 2 1 v g 0 2 z s p g B a 2 g 2 v (l d B eb ) 2 v g 2
hw12
因 v2 0
则有
z0
z1v12
2g
hw12
在淹没出流情况下,包括行近流速的上下游水位差 z 0 完全 消耗于沿程损失及局部损失。
因为 hw 12hf
hj (d l
)v2
2g
整理后可得管内平均流速
v
1
l d
2gz0
通过管道的流量为 QvAcA2g0z
式中 c
1
称为管道系统的流量系数。
给水管道中的水流,一般流速不太大,可能属于紊 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,h f 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才系数C求h f 应在右 端乘以修正系数k,即
H hf
k Q2 l K2
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。
简单管道:管道直径不变且无分支的管道。
其水力计算分为自由出流和淹没出流。
自由出流
淹没出流
简单管道:管道直径不变且无分支的管道。 实际工程中常见的有虹吸管和水泵。 虹吸管
水泵
1、串联管道:有直径不同的几段管道依次连接而成的管道。
2、并联管道:凡是两条或两条以上的管道从同一点分叉而又
在另一点汇合而成的管道.
故修正系数k=1
计算水头损失 hf kQ K 2 2l10.08 15 .1 24 4 3 250019.3m
所需水塔高度为
H z c H c h f z b 1 1 0 . 0 2 5 1 9 . 3 1 3 0 . 0 24.3m
3.管线布置已定,当要求输送一定流量时, 确定所需的断面尺寸(圆形管道即确定管道直径)
已知通过流量Q为3m3/s,倒虹吸管上下游渠中水位差z
为3m,倒虹吸管长l为50m,其中经过两个300的折角转
弯,其局部水头损失系数ξb为0.20;进口局部水头损失 系数ξe为0.5,出口局部水头损失系数ξ0为1.0,上下游 渠中流速v1 及v2为1.5m/s,管壁粗糙系数n=0.014。试 确定倒虹吸管直径d。
c
1
1
l d
根据表4.4并且不考虑行近流速水头,则
e 0.5
c
1
10.02580 00.520.3
1 0.0703 202.10
0.1
Q 0 .0 7 0 3 3 .1 4 0 .1 21 9 .6 2 0 0 .0 1 0 9 3 m 2/s 4
(二)计算沿程损失及局部损失
管中流速 vQ A30.1.041009.312 1.39m/s
C
1
1
R6
n
计算C,对混凝土管n=0.014
则 C 1R 161(1)165 6 .7m 12/s n 0 .0 1 44
故 8g89.80.024
C2 56.72
管道系统的流量系数:
cd 1e1 2 b00.02 3 1 4 1 5 0.50.7 3 1
1 0.571 3.07
每根虹吸管的输水能力:
区,其水头损失可直接按谢才公式计算,用 8 g 则
C2
HC 8g 2d l2 vg 2 C 8 2g 4Rl2Q g22A A2 Q C 22Rl
令 KACR
即得
H hf
Q2 l K2
或 QK hf
l
K J
在水力学中K称为流量模数或特性流量,它综合反映了管 道断面形状、尺寸及边壁粗糙对输水能力的影响。
特点:
顶部真空理论上不能大于10mH 2 O ,一般其真空 值小于(7 : 8m);虹吸管长度一般不大,应按短管计 算。
例6-4 有一渠道用两根直径d为1.0m的混凝土虹吸管 来跨过山丘(见图),渠道上游水面高程▽1为 100.0m,下游水面高程▽2为99.0m,虹吸管长度l1为 8m,l2为12m,l3为15m,中间有600的折角弯头两个, 每个弯头的局部水头损失系数ξb为0.365,若已知进口 水头损失系数ξc为0.5;出口水头损失系数ξ0为1.0。 试确定:
A. 管道使用要求:管中流速大产生水击,流速小泥沙淤 积。
B. 管道经济效益:管径小,造价低,但流速大,水头 损失也大,抽水耗费也增加。反之管径大,流速小,水 头损失减少,运转费用少,但管道造价高。
当根据技术要求确定流速后 管道直径即可由右式计算:
d 4Q v
例6-3 一横穿河道的钢筋混凝土倒虹吸管,如图所示。
管道根据其布Leabharlann Baidu情况可分为:简单管道与复杂管道。 复杂管道又可分为:串联管道、并联管道、分叉管道、均
匀泄流管道。
根据h f 与h j 两种水头损失在损失中所占比重的大小,将管 道分为长管及短管两类。
长管:局部水头损失+流速水头损失 < 5%*沿程水头损失
如:自来水管、喷灌引水管等 短管: 如:虹吸管、堤坝的泄洪管、放水管等
2g
管中流速
v
1
1 l
d
2gH0
通过管道流量
Q
1
1dl
A
2gH0 c
A
2gH0
式中 c
1
1
l d
称为管道系统的流量系数。
当忽略行近流速时,流量计算公式变为QcA 2gH
二、简单管道淹没出流
管道出口淹没在水下称为淹没出流。
取符合渐变流条件的
断面1-1和2-2,列能量
方程
z1v02
2g
2v22
2g
3
有压管道:管道周界上的各点均受到液体压强的作用。 1 水电站的压力引水隧洞和压力钢管 2 水库的有压泄洪洞或泄水管 3 供给工农业和生活用水水泵装置系统及给水管网 4 虹吸管以及输送石油的管道 特点:有压管道各点的压强一般不等于大气压强。
有压管中的恒定流:有压管中液体的运动要素不随时间 而变。
有压管中的非恒定流:运动要素随时间而变。
第六章 有压管流
6-1 简单管道水力计算的基本公式 6-2 简单管道、短管水力计算的类型及实例 6-3 长管水力计算 6-4 串联、分叉和并联管道水力计算 6-5 沿程均匀泄流管道水力计算 6-6 有压管中的水击
第六章 有压管道中的恒定流
有压管道: 管道周界上的各点均受到液体压强的作用。 有压管中的恒定流:有压管中液体的运动要素不随时间而变。
0.0004 0.36%
0.01093
由此可见,将上述管道按长管计算,误差很小。
6-2 简单管道、短管水力计算的类型及实例
一、水力计算的任务
对恒定流,有压管道的水力计算主要有下列几种: 1.输水能力计算 已知管道布置、断面尺寸及作用水头时,要求确定管道 通过的流量。 计算如上节例题
2.当已知管道尺寸和输水能力时,计算水头损失 即要求确定通过一定流量时所必须的水头。 计算如例6-2所示
Q c A 2 g z 0 .5 7 1 3 .1 4 4 1 2 2 9 .8 1 1 .9 8 5 m 3 /s
(1)虹吸管中最大真空一般发生在管子最高位置。本 题中最大真空发生在第二个弯头前,即B-B断面。
具体分析如下: 以上游渠道自由面为基准面,令B-B断面中心至上
游渠道水面高差为,z s 对上游断面0-0及断面B-B列能
H1v02
2g
2v2
2g
hw12

H 1v02
2g
H0
且因 hw 12hf hj

H0
2v2
2g
hf
hj
上式表明,管道的总水头将全部消耗于管道的水头损 失和保持出口的动能。
因为沿程损失
hf
l
d
v2 2g
局部水头损失
hj
v2 2g
H0(2dl
)v2
2g
取 2 1

H0
(1l
d
)v2
故 C 8g2 584.69.822 0.0263
又因
cd l e1 2 b 00 .0
1 2 5 6 0 3 0 .52 0 .2 1
0 .8
1 0.531 3.54
可求得 d
43
0.97m与假设不符。
0.5313.1429.83
故再假设d=0.95m,重新计算:
C 1 (0.95)1656.21m 12/s 0.014 4
3.管线布置已定,当要求输送一定流量时, 确定所需的断面尺寸(圆形管道即确定管道直径)
4.对一个已知管道尺寸、水头和流量的管道, 要求确定管道各断面压强的大小
例6-2 由水塔沿长度L为3500m,直径d为300mm的新铸铁
管向工厂输水(见图)。设安置水塔处的地面高程 z b 为
130.0m,厂区地面高程
89.80.0248
56.212
c
1
0.0248500.50.41
1 0.558 3.20
0.95
得 d
43
0.945m
0.5583.1429.83
因所得直径已和第二次假设值非常接近,故采用管径d 为0.95m。
4.对一个已知管道尺寸、水头和流量的管道, 要求确定管道各断面压强的大小
先分析沿管道总流测压管水头的变化情况,再计算 并绘制测压管水头线。
l d
当忽略掉行近流速时,流量计算公式为
QcA 2gz
相同条件下,淹没出流还是自由出流流量系数值是 相等的。
比较
水头
c
自由出流
H
1
l d

淹没出流
Z
l d

注: 1 自 = 淹
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。

H hf
l v2
d 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
串联管道
并联管道
3、分叉管道:分叉后不再汇合的管道。
4、沿程均匀泄流管道:沿程有流量泄出的管道.
分叉管道
沿程均匀泄流管道
6-1 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、简单管道自由出流
对1-1断面和2-2断面 建立能量方程
解:倒虹吸管一般作短管计算。
本题管道出口淹没在水下;而且上下游渠道中流 速相同,流速水头消去。
因 QcA2gzcd 42 2gz
所以 d
而 c
4Q
c 2gz
1
l d
因为沿程阻力系数λ或谢才系数C都是d 的复杂函数,
因此需用试算法。
先假设d=0.8m,计算沿程阻力系数:
C 1R 1 61(0 .8 )1 6 5 4 .6 2 m 1 2/s n 0 .0 1 44
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