水力学1(10)

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π 2 2g 式中 K = d1 4 (d1 d2 ) 4 − 1
仅取决于文丘里管的结构尺寸, 仅取决于文丘里管的结构尺寸,
称为文丘里管系数.对于某一文丘里流量计来讲K为一常数。 称为文丘里管系数.对于某一文丘里流量计来讲K为一常数。 考虑到实际液流存在水头损失,在上式中应再引入一个小于1 考虑到实际液流存在水头损失,在上式中应再引入一个小于1的 修正系数µ 称为文丘里管流量系数),故实际的流量计算公式 修正系数µ(称为文丘里管流量系数),故实际的流量计算公式 ), 为
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(6)建立能量方程求解 在解决了上述问题后,即可建立两个计算断面的能量方程。 在解决了上述问题后,即可建立两个计算断面的能量方程。 方程两端的动能修正系数α 一般可近似取为1.0 1.0。 方程两端的动能修正系数 1和α2一般可近似取为1.0。如果所列能 量方程中的未知量不只一个, 量方程中的未知量不只一个,则可以考虑用恒定流连续性方程和 后面将要讲到的恒定流动量方程联立求解。 后面将要讲到的恒定流动量方程联立求解。 【例3-3】如图一水泵装置,已知抽 】如图一水泵装置, 水量Q = 0.11m3/s,水泵泵轴至吸水 水量 , 池水面的高度(称水泵的安装高度) 池水面的高度(称水泵的安装高度) hs=4m,水泵吸水管直径 水泵吸水管直径d=300mm,吸 水泵吸水管直径 吸 水滤头至水泵进水口断面的水头损 失hw=0.6mH2O。试求水泵进水口 。试求水泵进水口22断面的真空度。 断面的真空度。 断面的真空度
种压强来表示。例如,同取相对压强或同取绝对压强。 种压强来表示。例如,同取相对压强或同取绝对压强。工程实 际中一般采用相对压强。注意, 际中一般采用相对压强。注意,管道出口的断面压强与出口处 周围介质的压强相等,若液流经管道出口直接流向大气,则出 周围介质的压强相等,若液流经管道出口直接流向大气, 口处的断面相对压强为零。 口处的断面相对压强为零。
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建立1 建立1-1和2-2断面的能量方程,暂不计水头损失,则有 断面的能量方程,暂不计水头损失,
2 p1 v 1 p2 v2 z1 + + = z2 + + 2 ρg 2g ρg 2g
2 p1 p2 v 2 v1 2 − (z1 + ) − (z 2 + ) = ∆h = ρg ρg 2g 2g
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测速管的前端开口正对着来流置于B 测速管的前端开口正对着来流置于B点,液体在B点处因受阻而 液体在B 流速为零,动能全部转化为压能, 流速为零,动能全部转化为压能,使得测速管中液柱的上升高 度为 pB ρg (即B点的相对压强水头)。 点的相对压强水头)。 这一由于受阻而使液体流 速为零的B 速为零的B点称为滞止点 (或驻点)。 或驻点)。
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考虑到实际液体从前端小孔流至侧面小孔的粘滞性效应, 考虑到实际液体从前端小孔流至侧面小孔的粘滞性效应,还有 毕托管放入液流后对流场的干扰, 毕托管放入液流后对流场的干扰,以及测速管和测压管测得的 压强水头值并不是一点的值,而是小孔截面上的平均值等因素, 压强水头值并不是一点的值,而是小孔截面上的平均值等因素, 使用式
第十讲
第五节
恒定流能量方程的应用
一、能量方程的应用条件 恒定流能量方程是在一定条件下推导出来的, 恒定流能量方程是在一定条件下推导出来的,因此用它来解决 实际问题时,必须受到相应的条件限制。 实际问题时,必须受到相应的条件限制。这些限制条件可归纳 为以下几点: 为以下几点: (1)液流必须是恒定流; 液流必须是恒定流; (2)液体不可压缩,其密度沿流程保持不变; 液体不可压缩,其密度沿流程保持不变; (3)建立能量方程所选取的两个计算断面,一般应为渐变流 建立能量方程所选取的两个计算断面, (或均匀流)过水断面,但两断面间可以是急变流。 或均匀流)过水断面,但两断面间可以是急变流。
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(6)建立能量方程的两计算断面间,液流除损失的机械能外, 建立能量方程的两计算断面间,液流除损失的机械能外, 没有能量的输入或输出。 没有能量的输入或输出。 两断面间有能量出入或输出的能量方程 如图, 如图,在两计算断面 间有能量的输入( 间有能量的输入(安 装有水泵),或有能 装有水泵),或有能 ), 量的输出( 量的输出(安装有水 轮机) 轮机),则根据能量守 恒的原理可以推得过 水断面1 水断面1-1、2-2的能 量方程为
p z+ ≠ C 的过水断面,如果能够算得其断面的平均单 的过水断面, 对于 ρg
位势能
z+
p ρg
和平均流速v,也可作为能量方程的计算断面
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(4)因为能量方程式是相对惯性参照系(即与地面间无相对 因为能量方程式是相对惯性参照系( 运动的固体边界)建立的,所以也可以说, 运动的固体边界)建立的,所以也可以说,能量方程式所研究 的液体受到的质量力只有重力; 的液体受到的质量力只有重力; (5)能量方程在推导的过程中,流量是沿流程不变的。但因 能量方程在推导的过程中,流量是沿流程不变的。 为能量方程讨论的是单位重量液体的能量平衡问题, 为能量方程讨论的是单位重量液体的能量平衡问题,所以一般 而论,对于沿流程有流量分出或汇入的情况, 而论,对于沿流程有流量分出或汇入的情况,仍可分别对每一 支流建立能量方程; 支流建立能量方程;
u = 2g pB − p A 时应引入一修正系数ϕ 时应引入一修正系数ϕ,故实际流 = 2ghu ρg
速的计算公式为
u = ϕ 2ghu
式中的修正系数ϕ由实验确定。 式中的修正系数ϕ由实验确定。在毕托管的出厂说明书中都给出 了该值,它通常很接近于1。 了该值,它通常很接近于1 2.文丘里流量计 文丘里流量计是以文丘里管为节流件的一种测量有压管道中液 体流量的装置。 体流量的装置。
p 2v p2 α2 v 2 1.56 2 2 =− = hs + + hw = 4 + + 0.6 = 4.72mH2O γ γ 2g 2 × 9.8

【例3-4】 【例3-5】
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三、能量方程在流速和流量测量中的应用 作为恒定元流能量方程和恒定总流能量方程的应用, 作为恒定元流能量方程和恒定总流能量方程的应用,下面分别 介绍一种测量流速和测量流量装置的测量原理。 介绍一种测量流速和测量流量装置的测量原理。 1.毕托管 毕托管是根据元流能量方程设计的一种测量液体或气体中某点 流速的装置。 流速的装置。 在恒定流动的液体中放置 一测压管和一两端开口称 为测速管的90°弯管, 为测速管的90°弯管,如图 90 (a)所示。 所示。
Q = µK ∆h
文丘里管的流量系数µ可由实验确定,一般为 文丘里管的流量系数µ可由实验确定,一般为0.95~0.98。 。 如果在断面1 如果在断面1-1和2-2处直接安装水银差压计,且被测液体为水 处直接安装水银差压计, 时,则管中的流量为
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(4)选取计算点
由于除类似上述管道出口断面的特殊情况外, 由于除类似上述管道出口断面的特殊情况外,
z+ p = C 而且能量方程中采用 ρg
渐变流过水断面上各点的
的是断面平均流速,它们都与计算点位置无关。 是断面平均流速,它们都与计算点位置无关。 因此列写能量方程时, 因此列写能量方程时,原则上可在渐变流计算断面上任意选取 计算点。但为了计算方便,管流的计算点常选在断面的形心点, 计算点。但为了计算方便,管流的计算点常选在断面的形心点, 明渠流的计算点常选在自由表面上。 明渠流的计算点常选在自由表面上。对于直接流向大气的管道 出口断面或在大气中水柱的渐变流过水断面,计算点必须选在 出口断面或在大气中水柱的渐变流过水断面, 断面的形心点上。 断面的形心点上。 (5)断面动水压强的计算 能量方程两端的压强必须采用同一
求得A点的流速 。 求得 点的流速u。 点的流速
pB − p A u = 2g = 2ghu ρg
由此可见,量得测速管和测压管中的液面高差h 由此可见,量得测速管和测压管中的液面高差hu,就可利用上式 根据这个原理, 根据这个原理,可将测速管和测压 管组合制成一种测量定点流速的装 置,称为毕托管,其构造如图(b) 称为毕托管,其构造如图( 其中与前端迎流孔相通的是测速管, 其中与前端迎流孔相通的是测速管, 与侧面顺流孔(一般有4 与侧面顺流孔(一般有4至8个)相 通的是测压管。 通的是测压管。
设管道在断面1 设管道在断面1-1和2-2处的直径分 别为d1和d2 ,则 别为d
d1 2 v 2 = v1( ) d2
2 v1 d1 4 ∆h = ( ) − 1 2g d2
v1 =
1 (d1 d2 ) 4 − 1
2g∆g ,
Q′ = v1A1 =
π 2 2g d1 ∆h = K ∆h 4 4 (d1 d2 ) − 1
另一方面, 另一方面,在B点上游同流线上相距很近的A点未受测速管的影 点上游同流线上相距很近的A 响,液体流速为u,其动水压强水头由测压管测得为 p A ρg 液体流速为u
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若忽略水头损失,沿流线建立A 若忽略水头损失,沿流线建立A、B两点的元流能量方程得
p A u2 pB + = ρg 2g ρg
2 p1 α1v1 p2 α2 v 2 2 z1 + + ± H = z2 + + + hw ρg 2g ρg 2g
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式中:+H表示液流自水泵获得的单位机械能(称为水泵的扬程);式中:+H表示液流自水泵获得的单位机械能(称为水泵的扬程);-H :+H表示液流自水泵获得的单位机械能 ); 表示液流流经水轮机时所输出的单位机械能。 表示液流流经水轮机时所输出的单位机械能。 二、应用能量方程的注意事项 应用恒定流能量方程进行有关水力学计算时,还应注意以下几点: 应用恒定流能量方程进行有关水力学计算时,还应注意以下几点: (1)分析流动 (2)选择基准面 任意选择一个水平面都可作为基准面,但在同 任意选择一个水平面都可作为基准面, 一能量方程中,两计算断面的位置水头z必须相对同一基准面计算。 一能量方程中,两计算断面的位置水头z必须相对同一基准面计算。 为计算方便,一般将基准面选择在较低的位置上,以使 为计算方便,一般将基准面选择在较低的位置上,以使z>0. (3)选择计算断面 能量方程的计算断面除应选择在渐变流( 能量方程的计算断面除应选择在渐变流(或 均匀流)过水断面上外, 均匀流)过水断面上外,同时还应考虑所选取的计算断面包含的 己知量最多,并包含所要求的未知量, 己知量最多,并包含所要求的未知量,故常取作能量方程的计算 断面。 断面。
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【解】在水泵转速和水源水面一定的情况下,水泵吸水管内水 在水泵转速和水源水面一定的情况下, 流为恒定流。以水源水面1 为基准面,取已知量较多。 流为恒定流。以水源水面1-1为基准面,取已知量较多。并 与所求量有关,符合渐变流条件的水源水面0 与所求量有关,符合渐变流条件的水源水面0-0和水泵进口 断面2-2为计算断面,建立能量方程得 断面2 为计算断面,
2 p1 α1v1 p 2 α2 v 2 2 0+ + = hs + + + hw γ 2g γ 2g
采用相对压强时,p1=0;因为水源水面相对很大,故v1≈0;hs=4m; 因为水源水面相对很大, 采用相对压强时, =0;因为水源水面相对很大
v2 = Q 4Q 4 × 0.11 = = = 1.56m/s; hຫໍສະໝຸດ Baidu=0.6mH2O, ;取α=1.0, =1.0, 2 2 A πd 3.14 × 0.3
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文丘里管由渐缩段、喉道和渐扩段三部分组成, 文丘里管由渐缩段、喉道和渐扩段三部分组成,并在渐缩段的进 口断面1 和喉道断面2 处设有测压孔, 口断面1-1和喉道断面2-2处设有测压孔,如图 测量流量时,将其安装在管道中, 测量流量时,将其安装在管道中, 并在断面1 并在断面1-1和2-2处各安装一根测 压管(或直接设置差压计)。 压管(或直接设置差压计)。 当液体流经文丘里管的喉道时, 当液体流经文丘里管的喉道时,由 于流速增大,导致势能减小,测压 于流速增大,导致势能减小, 管水头下降。通过测量设置在1 管水头下降。通过测量设置在1-1、 2-2断面处的测压管水头差(或差 断面处的测压管水头差( 压计的读值),根据能量方程就可 压计的读值),根据能量方程就可 ), 计算得到管中的流量Q 计算得到管中的流量Q值。 现讨论如下: 现讨论如下:
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