工程流体力学

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1、重庆能源职业学院教案课程名称:流体力学授课时间2013年3月授课对象系另U油气储运系本次课学 时年级班次章节题目第三章压力管路和孔口、管嘴的水力计算目的要求（含技能要求）掌握压力管路的分类、水力计算，掌握薄壁小孔出流的特征本节重点压力管路的水力计算及薄壁小孔出流本节难点压力管路的水力计算及薄壁小孔出流教学方法理论教学与实例举例相结合。教学用具PPT。问题引入以实例引入。如何突出重点多次重复及字体区别。难点与重点讲 解方法实例与课程内容相结合，加深印象。内容与步骤简单长管的水力计算 复杂长管的水力计算 沿程均匀泄流管路 短管的水力计算 定水头孔口和管嘴泄流 变水头泄流 压力管路中的水击本次课小

2、节课程小结本章着重讨论运用流体运动的基本规律和水头损失的计算 方法对实际工程管路进行水力计算，总结出实用的计算方 法。教后札记讨论、思考题、 作业（含实训 作业）1、何为管路特性曲线，有何用途？2、串并联管路各有何特点？在输油管上有哪些应用？3、分支管路应如何进行水力计算？授课教师:日年 月重庆能源职业学院教案教学内容压力管路介绍压力管路在工程实际中的主要应用。（10分钟）压力管路的分类（10分钟）长管的水力计算（20分钟）复杂管路的水力计算（50分钟）复杂管路的水力计算（60分钟）短管的水力计算（30分钟）孔口出流介绍孔口出流在工程实际中的主要应用和研究方法。（10分钟）孔口出流的分类本节主

3、要讨论孔口出流的一些基本概念：薄壁孔口、厚壁孔口、大孔口、小孔口、自由出流、 淹没出流。重点介绍薄壁孔口和厚壁孔口的主要技术特征。（20分钟）薄壁小孔口自由出流分析推导薄壁小孔口自由出流时的各个特征参数计算公式。（60分钟）水击现象日常生活中，快速开关阀门、停泵或突然断电一、水击的产生1、水击现象（水锤）在有压管路内，由于流速急剧变化，引起管内压强突然变化，并在整个管长范围传播的 现象，称水击。当急剧升降的压力波波阵面通过管路时，产生一种声音，犹如冲击钻工作时产生的声音 或用锤子敲击管路时发出的噪音，称之谓水击，亦称水锤。2、水击压力：突然变化的压力称为水击压力（管路中出现水击现象时所增加或降

4、低的压力 值p）3、发生水击现象的物理原因：（1）外因：管路中流速突然变化（2）内因：液体具有惯性和压缩性。惯性：企图维持液体原来的运动状态压缩性：改变体积，缓和流体流动4、说明:（1）考虑液体的压缩性和管壁的弹性（2）水击中的液流参数随时间和位置变化，水击现象为不稳定流动。（3）水击压力以压力波的形式在管内传播。二、压力波的传播过程V阀门正常开启时的作用水头T如图表示具有固定液面的油罐、水库或水塔，沿长度为/,直径为d的等直径管路流向 大气中，管路出口装有控制阀门。现以图为例，说明压力波传递过程。当阀门开启一定大小时，管中流速为V，出口阀门前压力为p如将阀门骤然关闭，邻近阀门的一层厚度为的液

5、体于时间内首先停止流动。该段液体在后面液体惯性的作用下被压缩，压强比静压 增加了，即水击压力。同时，管壁也由于的作用而发生膨胀。当第一层液体在一个无限小的时间t内停下来以后，紧邻的第二层液体又停下来，也受 压缩，同时与之相应的这段管材也要膨胀。由于液体依序停止而形成的高低分界面，依次向 液罐方向传递，传递速度为c。它略小于液体内的声速c。 在阀门关闭后tj=l/c时，压力波传至管路入口处。这时全管内液体都已停止流动， 处于被压缩状态，管子则处于膨胀状态。而此刻管内压力高于液罐内的压力，出现不平衡， 是一种不稳定状态，于是管子入口邻近的一层液体将开始以速度v0又冲向液罐，使水击压 力消失，恢复正

6、常静压，与之相应，管壁也恢复原状。从此刻开始，管中液体高低压分界面 又将以速度c向阀门方向传播。 在阀门关闭后t=2l/c时刻，全管内压力值都已恢复到静压，特别注意，就在此瞬间， 紧邻阀门的一层液体，由于惯性作用，仍企图以速度v0向液罐方向继续流动，而此刻后面 不再有液体补充，从而管内液体产生进一步膨胀，出现压力进一步降低，即产生负的水击压 力 。同样，第二层、第三层依次膨胀，形成减压波以速度c向液罐方向传递。4 Lc管壁状态膨胀恢复收缩恢复 当阀门关闭t3=3l/c的时刻，减压波传递到管子入口处，全管内液体处于低压的静止 状态，管子由于抽吸负压处于收缩状态。此时，液罐内压力高于管子内压力，又

7、失去压力的 平衡，在压差作用下液体又以速度v。冲向管路中，使紧邻管入口的一层液体压力恢复到正 常压力。这种增压波面又依次以速度c向阀门方向传播。 直到t=4l/c时刻，增压波面传到阀门处，此时，全管又恢复到阀门关闭前的流动状 况。随后开始第二个压力传递的循环。三、水击的分类 水击的相或相长：从阀门关闭产生增压波到上游反射回来的减压波又传到阀门处为止， 所需要的时间为2/c,称之为水击的相或相长，用r o来表示。21T =0 C1、直接水击：当阀门关闭时间TT 时，最早由阀门处产生的向上游传播，而又反射回 来的减压顺行波，在阀门全部关闭前已经到达阀门处，水击压力波不能全部进一步向上游反 射，并随

8、流体泄掉一部分能量，使得在阀门处的水击压力不能达到直接水击的压力增高值， 称为间接水击。2、正水击：当阀门突然关闭时，管内流速突然减小，从而引起压强首先急剧增大，称为 0负水击：当管道末端阀门突然开启时，管中流速突然增大而压强则首先急剧降低，称 为。四、水击压力的计算当阀门突然关闭时，停下来公段液体的质量为Q ANs，这部分液体由于阀门的阻挡和 后面液体的惯性作用而被压缩，增大的总压力为ApA。由动量原理可以得出* ” pAAs (u - 0)ApA 二0AtAAsAp - puAt 0Asc水击压力传播速度 AtAp p cu产生直接水击时的水击压力计算公式。1c 2=-TT-其中,寸E+-

9、_ cc 0L D E l D E ,1 + 1 + e Ee EI00Ec =0 P五、水击压力的预防水击压力的危害很大，在管路设计时应力图避免直接水击压力的产生。但在有些情况下 仅仅依靠管路的设计达不到预防水击的目的，因此工程中采取以下方法避免和减缓水击。1、延长开关阀门的时间，避免产生直接水击。2、在阀门前加空气包，吸收水击能量。3、阀门前加安全阀，防止管路崩裂。例题：长 L = 700 m，直径 D = 100 cm,管壁厚 e = 1cm，2.06 x 10 7 N /cm 2，水的弹性系数 E = 2.06 x 10 5 N /|m 2。流，Q = 3.14 m 3/s，若完全关闭阀门的时间为0击是直接水击还是间接水击？并求阀门前断面一水电站的引水钢管， 钢管的弹性系数E =01s，处的阀门关闭前管流为稳定 试判断管中所产生的水 最大水击压强。206 x 1091000= 1015m / s，:2.06 x 105 100 1 +2.06 x 107 1解：水击压强波在该管流中的传播速度JE7-c =I D E1 + e E 甲0=1.38s 1s所以水击属于直接水击。c 1015阀门未关闭前管中水的正常流速为：V =鱼=4m/s 0 A于是所产生的最大水击压力为Ap = p cV = 1000 x 1015 x 4 = 4.06 x 106 Pa0