管内流动损失和阻力计算课件.ppt

《管内流动损失和阻力计算课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《管内流动损失和阻力计算课件.ppt（124页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、第 五 章 管 流 损 失 和 水 力计 算 主 要 内 容5.2 粘 性 流 体 的 流 动 状 态 5.1 管 内 流 动 的 能 量 损 失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 式 中 沿 程 损 失 系 数 ： （

2、达 西 魏 斯 巴 赫 公 式 ）22f l vh md g df Re, 管 道 长 度管 道 内 径管 壁 绝 对 粗 糙 度单 位 重 力 流 体 的 动 压 头5.1 管 内 流 动 的 能 量 损 失一 、 沿 程 能 量 损 失在 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 ： whgvgpzgvgpz 22 2222221111 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

3、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 ： mgvhj 22 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 ： jfw hhh 二 、 局 部 能 量 损 失 5.2 粘 性 流 体 的 流 动 状 态 层 流 ， 紊 流 （ 湍 流 ） 2vvhf v平 均 流 速 雷诺实验 层流管流 湍流管流层 流 vhf 紊 流 （ 湍 流 ） 275.1 vhf 2320Re dvcc临界雷诺数（直圆管）上临界雷诺数 ？ 下临界雷诺数上临界雷诺数与扰动的幅度和频率有关临 界 速 度 vc并

4、不 是 定 值 dvc mf kvh 层流 m=1湍流 m=1.752.0能量损失与平均流速的关系fhgvgpzgvgpz 22 2222221111 雷诺试验装置的能量损失判别流态（层流，湍流）！m=1.752m=1 由 实 验 所 得 的 可 知 ， 当 v 水 力 光 滑 管（ 图 a) 水 力 粗 糙 管 (图 b）（ 管 道 粗 糙 度 对 沿 程 能 量 损失 的 影 响 只 有 在 水 力 粗 糙 状态 时 才 会 显 现 出 来 ） 875.0Re2.34 dd计 算 粘 性 底 层 厚 度 的 半经 验 公 式 ： 四 、 圆 管 中 紊 流 的 速 度 分 布一 、 水 力

5、 光 滑 管 的 速 度 分 布1. 粘 性 底 层 的 速 度 分 布在 粘 性 底 层 中 yxx vvdydv dydv x 实 验 证 明 ， 在 粘 性 底 层 中 切 应 力 变 化 不 大 ， 所 以dydvxw w - 壁 面 切 应 力边 界 条 件 ： y=0 时 0 xv yv wx 定 义 wv - 摩 擦 速 度 yvyyv wwx 2 yvvv x 5yv 2. 湍 流 核 心 区 的 速 度 分 布在 湍 流 核 心 区 yxx vvdydv lvldydv wx 1 假 设 l=ky实 验 证 明 ， 湍 流 核 心 区 切 应 力 变化 也 不 大 。 yxw

6、 vv 混 合 长 公 式 22 dydvl xw kyvdydvx Cykvvx ln积 分 Cyvkvvx ln1或 者yvvvx 在 粘 性 底 层 Cyvkvvx ln1在 湍 流 核 心 区在 y=d 处 ， 两 式 相 等Cvkv dd ln1 dd vkvC ln1 1ln1 Cyvk dd vkvyvkvvx ln1ln1 k - 卡 门 常 数 尼 古 拉 兹 由 水 力 光 滑 管 实 验 得 出 ， 并换 算 成 以 10为 底 的 对 数 ， 得 5.5,40.0 1 Ck5.5lg75.5 * * vyvvx 30yv 计 算 光 滑 管 紊 流 速 度 还 可 以

7、用 一 个 更 方 便 的 指 数方 程 )2)(1( 2,)( max0max nnvvryvv xnx x 平 均 流 速 最 大 流 速 假 设 2* *1 1 1ln ln lnx xbv vy y Cv k v k k x xby v v 处 由 管 壁 粗 糙 性 质 确定 的 形 状 系 数 48.8,40.0 2 Ck尼 古 拉 兹 由 水 力 粗 糙 管 实 验 得 出48.8lg75.5* yvvx得 二 、 水 力 粗 糙 管 的 速 度 分 布 五 、 圆 管 中 紊 流 的 沿 程 损 失一 、 水 力 光 滑 管 的 沿 程 阻 力 系 数平 均 速 度 00 0

8、0002020 221 r xr xV rydryvrdrvrrqv 由 于 粘 性 底 层 的 流 量 很 小 ， 只 在 湍 流 核 心 区 积 分 5.5lg75.5 * vyvvx75.1lg75.5 0 rvvv 02Re vr75.12Relg75.5 vvvv rlrpp 2)( 221 2221 rlprl pp 2/dr w 4dlpw gvdLgvgpzgvgpz 222 22222221111 gvdlgpgpp 2221 28 vw wv 82 vv 75.12Relg75.5 vvvv比 较 9129.0)lg(Re035.21 根 据 实 验 数 据 对 系 数 进

9、 行 修 正 后 ， 得 到 64 103105Re 8.0)lg(Re0.21 普 朗 特 施 里 希 廷 公 式由 于 它 是 的 隐 式 公 式 ， 使 用 并 不 方 便 。运 用 量 纲 分 析 方 法 和 实 验 数 据 53 10103Re 4/1Re3164.0 布 拉 修 斯 公 式 二 、 水 力 粗 糙 管 的 沿 程 阻 力 系 数 75.4lg75.5 0 rvv平 均 速 度 67.1)2lg(03.21 d沿 程 损 失 系 数 74.1)2lg(21 d实 验 修 正 后 得 理 论 (theory) 实 验 (experiment) 应 用 (applicat

10、ion)预 测 与 设 计 8.0)lg(Re0.21 : 用对 实 验 起 了 很 重 要 的 作普 朗 特 推 出 的 下 列 公 式 尼 古 拉 兹 实 验尼 古 拉 兹 实 验普 朗 特 混 合 长度 模 型 (湍 流边 界 层 )相 似 理 论 雷 诺 沿 程 损 失 实 验层 流 模 型 莫 迪 图经 验 公 式上 述 线 路 是 在 对 湍 流 机 理 并 不 完 全 了 解 的 基 础 上 , 因而 应 用 时 有 一 定 误 差 , 预 测 误 差 一 般 在 1020%左 右 尼 古 拉 兹 对 不 同 直 径 不 同 流 量 的 管 流 （ 人 工 粗 糙 管 ） 进 行

11、 了 实验 ， 实 验 范 围 ： df Re,5-6 沿 程 损 失 的 实 验 研 究 30/11014/1,10500Re 6 d I： 层 流 区II： 过 渡 区III： 紊 流 光 滑 管 区IV： 紊 流 粗 糙 管 过 渡区V： 紊 流 粗 糙 管 平 方阻 力 区 1.层 流 区 （ Re 2320） (一 次 方 阻 力 区 ， 管 壁 的 相 对粗 糙 度 对 沿 程 损 失 系 数 没 有 影 响 ) Re64 )R 51.271.3lg(21 e d )R 7.182lg(274.1 e d2.层 流 向 紊 流 过 渡 的 不 稳 定 区 （ 2320Re4000）

12、 层 流 vhf 3. 紊 流 光 滑 管 区 25.0Re3164.0 2Relg42.1 d 237.0Re221.00032.0 4. 紊 流 粗 糙 管 过 渡 区 8/74000 Re 26.98 /d 其 中 对 于 的 范 围54000 Re 10 代 入 hf 的 计 算 式 中 ， 得 到 hf与 v1.75成 正 比 ， 故 称 1.75次 方 阻 力 区 )对 于 的 范 围 5 610 Re 3 10 8/7 0.8526.98 / Re 2308 /d d 75.1vhf 5. 紊 流 粗 糙 管 区 274.12lg2 d 0.85Re 2308 /d 流 动 进

13、入 完 全 紊 流 粗 糙 管 区 ， 能 量 损 失 主 要决 定 于 脉 动 运 动 ， 粘 性 影 响 可 以 忽 略 。 沿 程 损 失系 数 与 Re无 关 ， 只 与 相 对 粗 糙 度 有 关 ， 沿 程 损 失与 流 速 的 平 方 成 正 比 ， 故 称 为 平 方 阻 力 区 。 /d尼 古 拉 兹 实 验 给 出 了 沿 程 损 失 系 数 以 相 对 粗 糙度 为 参 变 量 而 随 雷 诺 数 Re变 化 的 规 律 。2vhf 莫 迪 图 （ Moody） 利 用 Moody图 进 行 管 内 水 力 计 算三 种 类 型 的 问 题 :1. 给 定 管 路 参 数

14、 (管 径 , 粗 糙 度 等 )和 流 速 ,求 沿 程 损 失 ? 正 问 题2.给 定 管 路 参 数 (管 径 , 粗 糙 度 等 )和 水 头 损 失 ,求 流 量 或 流 速 ? 反 问 题 一3.给 定 流 量 和 一 部 分 管 路 参 数 (粗 糙 度 等 )以 及 水 头 损 失 ,设 计 管 径 ? 反 问 题 二 1.先 求 出 Re数 , 判 断 管 内 流 动 状 态 ;2.若 是 层 流 , 则 根 据 层 流 公 式 计 算 沿 程 损 失 系 数 ; 若 是 湍 流 , 由 Re数 和 相 对 粗 糙 度 ,根 据Moody 图 或 湍 流 公 式 计 算 沿

15、 程 损 失 系 数 ;3.最 后 计 算 沿 程 损 失 和 压 力 损 失 ; 1.因 流 速 未 知 ,所 以 无 法 事 先 求 出 Re数 ,不 能直 接 求 解 ,宜 采 用 试 凑 法 ;2.试 凑 时 ,可 以 先 在 湍 流 粗 糙 区 取 值 (一 般 是趋 于 平 缓 时 的 最 小 值 ,然 后 根 据 下 式 计 算 速 度 : 212)2( 2lgdhv gvdlh ff 3.根 据 流 速 即 可 求 得 试 凑 的 Re数 ,然 后 再 由 相对 粗 糙 度 ,查 Moody图 可 得 新 的 值 ;如 果 两 沿程 损 失 系 数 不 一 致 ,那 么 以 新

16、 值 进 行 迭 代 计算 ,收 敛 一 般 比 较 快 . 1.因 管 径 D未 知 , Re数 和 相 对 粗 糙 度 /D都 是 未 知的 ,不 能 直 接 求 解 ,宜 采 用 试 凑 法 ;2.试 凑 时 ,可 以 先 取 值 变 化 范 围 的 中 间 值 (0.03),作为 良 好 的 开 端 ,然 后 根 据 : 24dqv V fV Vff Vhglqd dqghlgvhld dqvd 2 25 2228 )4(224Re 51: kd 因 此 这 样 假 设 一 个 值 可 求 得 一管 径 值 ,不 断 迭 代 可 求 得 真正 的 设 计 管 径 . 例 5-2 已 知

17、 通 过 直 径 200mm、 长 300m、 绝 对 粗 糙 度0.4mm的 铸 铁 管 的 油 的 体 积 流 量 为 1000m3/h， 运 动粘 度 ， 试 求 能 量 损 失 。解 ： 6 22.5 10 /m s fh2 24 4 1000/3600 8.842 /0.2Vqv m sd 68.842 0.2Re 7073552.5 10vd 0.85 0.852308 / 2308 200/0.4 454318 Red 平 方 阻 力 区 2 22002lg 1.74 2lg 1.74 0.02342 2 0.4d 2 2300 8.8420.0234 1402 0.2 2 9.

18、80665f l vh md g 沿 程 损 失 问 题 ： 已 知 沿 程 损 失 和 流 量 求 管 径已 知 : l 400m 的 无 缝 钢 管 (=0.2 mm), 输 送 比 重 0.9, v =10 -5 m2/s 的 油 , qV= 0.0319 m3/s ,p=800kPa求 ： 管 径 d 应 选 多 大 解 ： 22 04.040318.0 ddAqv V 由 沿 程 损 失 公 式 )(7.90 油 柱油 mgphf 52222 1086.0)4(212 dlqdqgdlgvdlh VVf 4225 1069.37.900318.04000826.00826.0 fVh

19、lqd dd.d d.vd 400010040040Re 52 选 1=0.03 md 102.0)03.01069.3( 5/141 39215102.04000Re1 由 / d = 0.2 / 102 = 0.00196， 查 穆 迪 图 得 2 0.024 md 097.0)024.01069.3( 5/142 41237097.04000Re 1 由 / d = 0.2 / 97 = 0.0021， 查 穆 迪 图 得 2 0.024 最 后 取 d =0.1m 能 满 足 要 求关 键 是 寻 求 d与 (沿 程 损 失 系 数 )的 关 系 关 键 是 当 量 直 径 的 计 算

20、当 量 直 径 ： 4倍 过 水 截 面 A与 湿 周 x之 比 。充 满 流 体 的 矩 形 管 道 ：充 满 流 体 的 圆 环 形 管 道 ：充 满 流 体 的 管 束 ： ddSSd dSSD 21221 4)4(4hRxAD 44 水 力 半 径 bhhbbhhbD 2)(2 4 5.7 非 圆 形 管 道 沿 程 损 失 的 计 算 1221 2122 )44(4 dddd ddD 典型非圆形管道的截面 流 体 在 非 圆 形 管 道 中 流 动 的 雷 诺 数流 体 在 非 圆 形 管 道 中 的 沿 程 损 失 gvDlh vDf 2Re 2（ 1） 只 有 规 则 形 状 的

21、 截 面 可 以 应 用 当 量 直 径 的 计 算 式 ，不 规 则 形 状 的 截 面 不 可 以 应 用 当 量 直 径 进 行 计 算 ；（ 2） 截 面 形 状 越 接 近 圆 形 ， 计 算 误 差 越 小 。 例 5-3 用 镀 锌 钢 板 制 成 的 矩 形 风 道 ， 截 面 积 A=0.3 0.5m2， 长 30m， 风 速 14m/s， 风 温 34 ， 试 求 沿 程 损失 。 风 道 入 口 风 压 980.7Pa， 出 口 比 进 口 高 10m， 求出 口 截 面 风 压 。 （ 镀 锌 钢 板 绝 对 粗 糙 度 0.15mm)。解 ： 风 道 当 量 直 径

22、2 2 0.3 0.5 0.3750.3 0.5hbD mh b 查 表 得 空 气 运 动 粘 度 ： 5 21.63 10 /m s 514 0.375Re 3220861.63 10vD 0.15 / 0.15/375 0.0004mm D 由 Re和 查 莫 迪 图 5-13： 0.0176 2 230 140.0176 14.12 0.375 2 9.80665f l vh md g /D34 空 气 密 度 为 1.14kg/m3， 等 截 面 管 道 的 进 出 口动 能 不 变 ， 由 伯 努 利 方 程 得 出 口 截 面 风 压 ： 2 1 2 1980.7 1.14 9.

23、80665 10 14.1 711e e fp p g z z gh Pa 5.8 局 部 损 失 产 生 原 因 微 团 碰 撞 摩 擦形 成 涡 旋速 度 重 新 分 布 计 算 公 式局 部 损 失 阀 门弯 管 与 分 叉 管扩 大 与 缩 小入 口 与 出 口 v 除 指 定 外 均指 入 口 管 速 度hj 局 部 损 失 水 头 局 部 损 失 因 子典 型 部 件 gvhj 22 jhgvgpzgvgpz 22 2222221111 由 此 可 推 得 : gvvgpzgpzhj 2)()( 22212211 1p 2v1v 2p 2A1A对 控 制 体 列动 量 方 程 :

24、1212221212211 122211 )( )( AvAvAApApAp vvqFApAp v 对 于 湍 流 流 动 ,1,2, 都 近 似等 于 1.0一 、 突 扩 管 道 的 局 部 阻 力 损 失 1212222221 AvAvApAp 化 简 可 得 :gvvhj 2 )( 221 此 式 即 为 圆 管 突 然 扩 大 局部 水 头 损 失 的 表 达 式gvgvAAh j 22)1( 22222212 局 部 水 头 损 失 可 表 示 为 :或 者 : gvgvAAhj 22)1( 21121221 由 于 : 212211 zzvAvA 按 大 截 面 流 速 计 算

25、的 局 部 损 失 系 数按 小 截 面 流 速 计 算 的 局 部 损 失 系 数 实 验 证 明 ， gvvgvgvh cccj 2 )(22 22222 222 )11(, ccccc CCAAC 令 01 115.0,617.05.001212 cc cccCAA CCAA 时 ，当 ，时 ，当流 束 的 收 缩 系 数二 、 管 道截 面 突然 缩 小局 部 能 量 损 失 截 面 AA和 DD的 压 强 分 别 是 均 匀 的 ， 在 AB和 CD这两 段 增 压 过 程 中 ， 有 可 能 因 为 边 界 层 能 量 被 粘 滞 力消 耗 而 出 现 边 界 层 分 离 ， 形

26、成 旋 涡 ， 造 成 损 失 。在 管 道 系 统 的 设 计 计 算 中 ， 常 常 按 损 失 能 量 相 等 的 观点 把 管 件 的 局 部 损 失 换 算 成 等 值 长 度 的 沿 程 损 失 。dle DCA DBA pp pp (min)(max) 三 、 弯 管 例 5-4 如 图 上 下 两 个 贮 水 池 由 直 径 d =10cm， 长 l = 50 m的 铁 管 连 接 （ = 0.046 mm） 中 间 连 有 球 形 阀 一 个 （ 全 开时 v= 5.7） ， 90 弯 管 两 个 （ 每 个 b= 0.64） ， 为 保 证管 中 流 量 qV = 0.04

27、m3/s , 求 ： 两 贮 水 池 的 水 位 差 H解 ： 管 内 平 均 速 度 为 管 内 流 动 损 失 由 两 部 分 组 成 ： 局 部 损 失 和 沿 程 损 失 。局 部 损 失 除 阀 门 和 弯 头 损 失 外 ， 还 有 入 口 （ in= 0.5）和 出 口 （ out=1.0） 损 失 : smdqv V /09.5)1.0( 04.044 22 gvh outbVinj 2)2( 2 沿 程 损 失 为 : 由 穆 迪 图 确 定 。 设 =106 m2/s查 Moody图 , 可 得 = 0.0173 对 两 贮 水 池 液 面 （ 1） 和 （ 2） ,由 定

28、 常 流 动 能 量 方 程 : 对 液 面 v 1=v2=0， p1=p2=0， 由 上 式 可 得 gvdlhf 2200046.01.0 10046.0 1009.510 1.009.5Re 3 56 d vd whgpzgvgpzgv 22221121 22 讨 论 ： （ 1） 本 例 中 在 单 管 中 包 括 入 口 和 出 口 ， 有 多 个 局 部 损 失 成 分 ，只 要 正 确 确 定 每 个 部 件 的 局 部 损 失 因 子 ， 将 其 累 加 起 来 ， 按 一个 总 的 局 部 损 失 处 理 。 （ 2） 计 算 结 果 表 明 ， 本 例 中 管 路 局 部

29、损 失 与 沿 程 损 失 大 小 相 当 ，两 者 必 须 同 时 考 虑 。 （ 3） 本 例 若 改 为 第 三 类 问 题 ： 给 定 流 量 和 水 头 损 失 计 算 管 径 ，由 于 许 多 部 件 的 局 部 损 失 因 子 与 管 径 有 关 ， 除 了 沿 程 损 失 系 数需 要 迭 代 计 算 外 ， 局 部 损 失 因 子 也 要 迭 代 ， 计 算 的 复 杂 性 比 不计 局 部 损 失 时 大 大 提 高 了 。 工 程 上 通 常 将 局 部 损 失 折 算 成 等 效长 度 管 子 的 沿 程 损 失 ， 使 计 算 和 迭 代 简 化 。 gvdlhhhz

30、zH outeVinfjw 2)2( 221 m6.22 8.92 )09.5()1.0500173.00.164.027.55.0( 2 例 5-5 图 为 水 轮 机 工 作 轮 与 蜗 壳 间 的 密 封 装 置 ， 其 中 线处 的 直 径 d=4m， 径 向 间 隙 b=2mm， 缝 隙 纵 长 均 为l2=50mm， 各 缝 隙 之 间 有 等 长 扩 大 槽 沟 ， 密 封 装 置 进 出口 压 差 p1-p2=294.2kPa， 密 封 油 的 密 度 =896kg/m3， 取进 口 局 部 损 失 系 数 ， 出 口 局 部 损 失 系 数 ， 沿程 损 失 系 数 =0.0

31、3， 试 求 密 封 装 置 的 漏 损 流 量 。 如 不 设扩 大 槽 沟 ， 其 漏 损 流 量 又 为 多 少 ？0.5i 1o 解 ： 环 形 通 道 当 量 直 径 2 21 2 1 21 24 2 0.004d dAD d d b mx d d 221 2 4 2i ol vp p D 1/21 22 1/22 / 264200 8.867 /2 896 0.03 0.05/0.004 0.5 1i op pv l D m s 34 0.002 8.867 0.223 /vq dbv m s 对 于 有 扩 大 沟 槽 的 装 置 ， 对 缝 隙 的 入 口 和 出 口 列 伯努

32、 利 方 程 无 扩 展 沟 槽 时 ， 缝 隙 轴 向 长 度 ： 211 2 2i ol vp p D 1/21 2 1 1/22/ 2 264200 11.957 /896 0.03 0.35/0.004 0.5 1i op pv l D m s 1 27 7 0.05 0.35l l m 34 0.002 11.957 0.301 /vq dbv m s 利 用 扩 展 槽 的 局 部 阻 力 可 以 减 小 漏 损 流 量 5.9 管 道 水 力 计 算 mV ffV qvdq vdvd gvdlh dfdlhqf 2 2, 4Re 2/Re,0, （ 莫 迪 图 ） dkkckb

33、kkaba c ,62.1,88 ,53.0094.0,Re 134.044.0 225.0 管 径 和 管 壁 粗 糙 度 均 相 同 的 一 根 或 数 根 管 子 串 联 在 一起 的 管 道 系 统 。计 算 机 求 解 的 显 式 ： 一 、 简 单 管 道 由 不 同 直 径 或 粗 糙 度 的 数 段 管 子 连 接 在 一 起 的 管 道 。特 点 ： 通 过 串 联 管 道 各 管 段 的 流 量 相 同 ；串 联 管 道 的 损 失 等 于 各 管 段 损 失 的 总 和 。 )( 2 2 )0(2 2 )(22 2312121 2222222 2212111121 ccc

34、gvH gvgvdl gvvgvdlgvH e 二 、 串 联 管 道 两 类 典 型 问 题 HqV 进 行 比 较与假 设 莫 迪 图 莫 迪 图2121 2121 2121 , , Re,Re ,)2 , Re,)1 d vvH Hdvdqv （ 试 凑 法 ） 例 5-6 二 容 器 用 两 段 新 的 低 碳 钢 管 连 接 起 来 ， 已知 d1=20cm， L1=30m， d2=30cm， L2=60m， 管 1为锐 边 入 口 ， 管 2上 的 阀 门 的 损 失 系 数 =3.5。 当 流量 qv=0.2m3/s时 ,求 必 需 的 总 水 头 H 。解 ： 设 20 水 s

35、m /10007.1 261 2 212 2 2 24 4 0.2 6.366 /3.14 0.24 4 0.2 2.829 /3.14 0.3vvqv m sdqv m sd 1 2 212 2 224 4 0.2 6.366 /3.14 0.24 4 0.2 2.829 /3.14 0.3vvqv m sdqv m sd 84280010007.1 3.0829.2Re 126435010007.1 2.0366.6Re 6222 6111 dvdv1 0.875 2 0.87534.2 200 0.03126435034.2 300 0.07842800 mmmmd d 由 表 5.5.

36、1， 普 通 条 件 下 浇 成 的 钢 管 0.19mm 285.02 185.085.01 Re120734219.0230041608.024160 Re85536819.02 200416024160 dd 0171.0Relg42.1 0194.074.12lg2 2222 211 dd2 21 1 12 2 2: 0.444 0.313A dA d 由 2 2 1 1 2 21 1 21 22 20.5 3.5 12 26.366 30 2.829 60(0.5 0.0194 0.31) (3.5 0.0171 1)2 9.807 0.2 2 9.807 0.37.686 3.23

37、2 10.918v l v lH g d g dm 由 几 条 简 单 管 道 或 串 联 管 道 ， 入 口 端 与 出 口 端 分别 连 接 在 一 起 的 管 道 系 统 。并 联 管 道 特 征1.总 流 量 是 各 分 管 段流 量 之 和 。2.并 联 管 道 的 损 失 等 于 各 分 管 道 的 损 失 。. 321 vvvv qqqq .321 wwww hhhh AqV qV1 d1 hw1qV2 d2 hw2qV3 d3 hw3 B qV 三 、 并 联 管 道 两 类 计 算 问 题（ 1） 已 知 A点 和 B点 的 静水 头 线 高 度 （ 即 z+p/g)，求 总

38、 流 量 qV； 假 设 由 hf计 算 v 、 Re由 Re、 查 莫 迪 图 得 New校 核 New= New N Y 由 hf计 算 v 、 qV 求 解 方 法 相 当于 简 单 管 道 的 第二 类 计 算 问 题 。 AqV qV1 d1 hw1qV2 d2 hw2qV3 d3 hw3 B qV （ 2） 已 知 总 流 量 qV ，求 各 分 管 道 中 的 流 量 及能 量 损 失 。假设管1的 qV1 由q V1计算管1的hf1 由hf1求qV2和 qV3 hf1= hf2 = hf3qV1 = qV1N结束计算按qV1 、qV2 和qV3的比例计算qV1 、qV2 和qV

39、3计算hf1 、 hf2和hf3 YAqV qV1 d1 hw1qV2 d2 hw2qV3 d3 hw3 B qV 例 5-7 已 知 并 联 管 道 ：解 ： 采 用 下 式 计 算 沿 程 阻 力 系 数1 1 12 2 23 3 36 2 3 53900 , 0.3 , 0.0003 ;600 , 0.2 , 0.00003 ;1200 , 0.4 , 0.000024 ;1 10 / , 998 / , 9.807 1020 , 0.4 / AA B vl m d m ml m d m ml m d m mm s kg m p PaZ Z m q m s 忽 略 局 部 阻 力 ， 求

40、 ： 1 2 3v v v Bq q q p、 、 、0.225 0.44 0.134Re0.094 0.53 , 88 , 1.62 ,ca ba k k b k c k k d 并 联 管 道 各 支 管 压 降 与 总 压 降 相 等 ， 试 取1 1 1 12 2 2 23 3 3 30.001 0.0204, 4.212, 0.4620.00015 0.01304, 1.828, 0.49790.00006 0.01058, 1.221, 0.4403k a b ck a b ck a b c 6.563fh m 22f l vh d g 由 ： 试 凑 得 ： 31 1 1 3 2

41、 2 2 33 3 3 30.02143 1.415 / 0.1 /0.01634 1.621 / 0.0509 /0.01383 1.76 / 0.2212 /0.1 0.0509 0.2212 0.3721 /vvvv v m s q m sv m s q m sv m s q m sq m s 按 给 定 流 量 重 新 分 配 并 校 核 计 算 压 降 5 59.807 10 998 9.807 7.534 9.07 10B A fp p gh Pa （ 亦 可 用 改 变 所 取 压 降 值 试 凑 计 算 ， 有 兴 趣 的 同 学可 编 程 计 算 ） 31 32 33 0.4

42、 0.1/0.3721 0.1075 /0.4 0.0509/0.3721 0.0547 /0.4 0.2212/0.3721 0.2378 /vvvq m sq m sq m s 1 1 1 12 2 2 2 3 3 3 31.521 / ,Re 456244, 0.02138, 7.5651.741 / ,Re 348231, 0.01622, 7.5211.892 / ,Re 756941, 0.01373, 7.5177.565 7.521 7.517 /3 7.534 ffffv m s h mv m s h mv m s h mh m 特 点 ： 流 入 或 流 出 管 道 汇 合

43、 处 的 流 量 相 等 ， 即321321 vvvvvv qqqqqq 或四 、 分 支 管 路 特 点 ： 流 入 结 点 的 流 量 等 于 流 出 结 点 的 流 量 ，在 任 一 环 路 中 ， 由 某 一 结 点 沿 两 个 方 向 到 另 一 个 结 点的 能 量 损 失 相 等 。 0 vq0 fh五 、 管 网由 若 干 管 道 环 路 相 连 接 、 在 结 点 处 流 出 的 流 量 来 自 于几 个 环 路 的 管 道 系 统 。 5.10 几 种 常 用 的 技 术 装 置 2 21 1 11 ( )2 22 211a c de evc dp p v vg g g g

44、p pv C 集 流 器 的 速 度系 数 锥 顶 角 60o的 圆锥 形 集 流 器圆 弧 形 集 流 器98.0vC 99.0vC整流网集流器测压计一 、 集 流 器 测 风 装 置对 0-0面 和 1-1面 列 总 流 的 伯 努 力 方 程 ， 例 5-8 风 筒 的 直 径 d=400mm， 集 流 器 为 60 圆锥 形 ， 测 得 静 压 pe=58.84Pa， 风 温 t=20 ， 求通 过 风 筒 的 流 速 v和 体 积 流 量 qv。解 ： 该 集 流 器 速 度 系 数 98.0vC2 2 58.840.98 9.685 /1.205 ev pv C m s 22 3

45、340.4 9.685 1.217 / 4381 /4v dq A v v m s m h 31.205 /kg m 20 空 气 密 度 液 体 由 管 道 从 较 高 液 位 的 一 端 经 过 高 出 液 面 的 管 段 自动 流 向 较 低 液 位 的 另 一 端 的 现 象 。2( )2a ap p l vHg g d g gvdlhhgpp va 2112 )1()( 对 1-1面 和 3-3面 列 伯 努 利 方 程对 1-1面 和 2-2面 列 伯 努 利 方 程2 ( ) vlv gH q A vd 二 、 虹 吸 管 例 5-9 虹 吸 管 直 径 d=100mm， 总 长

46、 L=20m， B点 前 管长 L1=8m， B点 离 上 游 水 面 高 h=4m， 水 面 位 差 H =5m。沿 程 损 失 系 数 =0.04， 进 出 口 及 弯 头 损 失 系 数 分 别 为i=0.8, o=1, b=0.9。 求 qv和 B点 真 空 液 柱 高 hv。解 ： 2 22 i b ov lH g d 22 3 340.1 2.908 0.0228 / 82.2 /4v dq A v v m s m h 1/2 1/22/ 22 9.807 5 2.908 /0.04 20/0.1 0.8 2 0.9 1i b ogHv l d m s B点 真 空 水 柱 高2

47、12 122.908 84 0.04 0.8 0.9 1 4 2.54 6.542 9.807 0.1V i blvh h g d m 101325 2337 10.11 998.2 9.80665a sm p ph mg 20 水 的 极 限 吸 水 高 度 分 析对 应 饱 和 压 力 20 2337sp c Pa 静 态 液 柱动 态 吸 上 高 度 1 10.11 2.54 7.57m fh h h m 三 、 堰 流 堰 流 流 量 与 堰 顶 淹 深 有 关 缩 流 矩 形 堰平 流 矩 形 堰三 角 形 堰堰 流 :流 经 过 水 建 筑 物 顶 部 下 泄 ， 溢 流 上 表

48、面 不 受 约束 的 开 敞 水 流 。 堰 流 的 理 想 流 形1.来 流 流 速 均 匀2.自 由 表 面 水 平3.水 舌 压 强 为 大 气 压4.不 计 粘 滞 力 和 表 面 力2 2 2 1 1 1 21 22 2 2ep v v vz H zg g g g 22 2 12v g H z v 22 2 2 1 20 0 2H HViq b vdz b g H z v dz 简 化 分 析 得 ： 3/2 3/22 2 1.92.23 V w q qq c gbH cbH c 三 角 堰 流求 ： 三 角 堰 流 量 qV 的 表 达 式 面 元 上 的 微 元 流 量 为取 z

49、 轴 从 自 由 面 垂 直 向 下 ,解 ：已 知 : 设 三 角 堰 孔 口 角 为 ， 定 常 流 动 时 上 游 水 面 距 角 尖 的 淹 深 保 持 为 h dzzzhtggbdzgzvdAdqV )(2(222 任 一 狭 缝 面 元 的 平 均 速 度 为 b=2(h-z)tg /2.gzv 2 考 虑 粘 性 影 响 和 孔 口 流 线 收 缩 ， 实 际 流 量 为上 式 中 f ()略 小 于 理 论 公 式 (a)中 的 系 数 ， 由 实 验 测 定 。 hA VV dzzhztggdqq 0 2/32/1 )()2(22 2/5)( hfqV 2/502/52/3

50、)2(2158)5232()2(22 htgghhtgg h (a) （ 流 体 出 流 ） 孔 口 出 流 在 工 程 技 术 中 有 着 广 泛的 应 用 ， 在 许 多 领 域 都 可 以 见 到 。 例 如 ， 水 利工 程 上 的 闸 孔 ， 水 力 采 煤 用 的 水 枪 ， 汽 车 发 动机 的 汽 化 器 ， 柴 油 机 的 喷 嘴 ， 以 及 液 压 技 术 中油 液 流 经 滑 阀 、 锥 阀 、 阻 尼 孔 等 都 可 归 纳 为 孔口 出 流 问 题 。 本 节 讨 论 液 体 孔 口 出 流 的 基 本 概 念 ， 研 究 流 体出 流 的 特 征 ， 确 定 出 流

51、 速 度 、 流 量 和 影 响 它 们的 因 素 。 通 过 对 这 些 问 题 的 研 究 ， 以 便 使 我 们进 一 步 掌 握 流 体 流 动 基 本 规 律 的 应 用 。5.11、 液 体 出 流 厚 壁 孔 口薄 壁 孔 口42 21dsds如 果 液 体 具 有 一 定 的 流 速 ， 能 形 成 射 流 ， 且 孔 口 具 有 尖 锐 的 边缘 ， 此 时 边 缘 厚 度 的 变 化 对 于 液 体 出 流 不 产 生 影 响 ， 出 流 水 股表 面 与 孔 壁 可 视 为 环 线 接 触 ， 这 种 孔 口 称 为 薄 壁 孔 口 。如 果 液 体 具 有 一 定 的

52、速 度 ， 能 形 成 射 流 ， 此 时 虽 然 孔 口 也 具 有尖 锐 的 边 缘 ， 射 流 亦 可 以 形 成 收 缩 断 面 ， 但 由 于 孔 壁 较 厚 ， 壁厚 对 射 流 影 响 显 著 ， 射 流 收 缩 后 又 扩 散 而 附 壁 ， 这 种 孔 口 称 为厚 壁 孔 口 或 长 孔 口 ， 有 时 也 称 为 管 嘴 。s s 分 类 ：薄 壁 孔 口 和 厚 壁 孔 口 ：根 据 壁 厚 是 否 影 响 射 流 形 状 可 分 为 自 由 出 流 和 淹 没 出 流 ： 液 体 通 过 孔 口 流 入 大 气 的 称 为 自 由 出 流 ；液 体 通 过 孔 口 流

53、 入 液 体 空 间 的 称 为 淹 没 出 流 。根 据 出 流 空 间 情 况 可 分 为小 孔 口 截 面 上 各 点 静 水 头 差 异 很 小 ， 可 以 忽 略 ， 孔 口 断 面 上各 点 的 流 速 是 均 匀 分 布 的 ， 大 孔 口 不 具 备 此 特 点 。Hd 101大 孔 口 Hd 101按 孔 口 直 径 d 和 孔 口 形 心 在 液 面 下 深 度 H 的 比 值 不 同 可 分 为小 孔 口 收 缩 断 面 ： 孔 口 边 缘 尖 锐 ， 而 流 线 又 不 能 突 然 转 折 ， 经 过 孔 口后 射 流 要 发 生 收 缩 ， 在 孔 口 下 游 附 近

54、 的 c-c断 面 处 ， 射 流 断 面 积达 到 最 小 处 的 过 流 断 面 。收 缩 系 数 ： 收 缩 断 面 面 积 与 孔 口 的 几 何 断 面 积 之 比 ， 即 Cc = Ac/A。出 流 特 征 ： 液 体 从 薄 壁 孔 口 出 流 时 ， 没 有 沿 程 能 量 损 失 ， 只 有 收缩 而 产 生 的 局 部 能 量 损 失 ， 而 液 体 从 厚 壁 孔 口 出 流 时 不 仅 有 收 缩 的 局 部 能 量 损 失 ， 而 且 还 有 沿 程 损 失 。 典 型 的 出 流 问 题 ： 薄 壁 小 孔 口 自 由 出 流 1-1截 面 与 c-c截 面 （ 缩

55、 颈 ） 列 总 流 的 伯 努 利方 程 )(2)(211 00 avac ppgHCppgHv gvgpgvgpH cac 22 220 vcq CCC 流 量 系 数 )(2)(2 00 acvacvv ppgHACCppgHACq 流 速 系 数 )(2 0 aqv ppgHACq 3） 流 量 系 数 ： 实 际 流 量 与 理 想 流 量 之 比 。qvc CCC ,00 ,2 vvqv qqCgHAq 所 以 表 征 孔 口 出 流 性 能 的 主 要 是 三 个 孔 口 出 流 系 数 ：1） 收 缩 系 数 ： 表 示 出 流 流 束 收 缩 的 程 度 ；00 ,2 vvC

56、gHv cv 11vC2） 流 速 系 数 ： 实 际 流 速 与 理 想 流 速 之 比 ，因 为 ， 局 部 损 失 越 大 ， 流 速 系 数 和 实 际 流 速 越 小 ； 薄 壁 小 孔 口 淹 没 出 流 pgHACq pgHCv qV v 22 薄 壁 大 孔 口 自 由 出 流)(2 )(2 222 00 22021 acvv avc cac ppgHACCq ppgHCv gvgpgvgpgvH vcq cv cc CCC mCC AAC 流 量 系 数流 速 系 数收 缩 系 数 221 1 1AAm 大 孔 口 淹 没 出 流2 2 c v V qp pv C q C A

57、 流 速 和 流 量 的 计 算 与 自 由 出流 相 同 ， 但 H 为 两 液 面 的 高度 差 。标 准 孔 板 流 量 系 数 见 表 5.11.1，P164孔 板 流 量 计 是 测 量 水 和 蒸 汽 流量 的 节 流 装 置 。 （ 测 量 原 理 ） 断 面 1-1， 管 嘴 出 口 断 面 2-2， 列 能 量方 程 ： gvgpgvgpgvH na 222 22021 avan ppgHCppgHmv 002 221 1管 嘴 出流 速 度 圆 柱 形 外 管 嘴 定 常 出 流在 直 径 为 d的 孔 口 上外 接 长 度为 s=(34)d的 短 管 ，就 是 圆 柱形

58、外 管 嘴 。 在 相 同 的 作 用 水 头 下 ， 同 样 断 面 积 的 管 嘴 的 过 流 能 力 是 孔 口 的1.32倍 。 因 此 ， 工 程 上 常 用 管 嘴 作 泄 水 管 。管 嘴 出流 流 量 aqv ppgHACq 02 收 缩 断 面 的 真 空 列 收 缩 断 面 C C和 出 口 断 面 的 能量 方 程 2 2 22 2 2a c cp p v v vg g g 22 111 cc CAA 连 续 性 方 程 vCvAAv ccc 1代 入 上 式 gvCCgpp ccca 21111 222 由 表 明 在 收 缩 断 面 的 真 空 度 是 作 用 水 头

59、 75%， 管 嘴 的 作 用 相当 于 将 孔 口 自 由 出 流 的 作 用 水 头 增 大 了 75%， 从 而 管 嘴 流 量大 为 增 加 。 00.75v a cv p p ph H gHCv v 2 HCgv v222 82.0vC 63.0cC 作 用 水 头 H 越 大 ， 收 缩 断 面 真 空 度 也 越 大 。 当 收 缩 断 面真 空 度 超 过 7m水 柱 时 ， 空 气 将 会 从 管 嘴 出 口 断 面 被 “ 吸入 ” ， 使 收 缩 断 面 真 空 被 破 坏 ， 管 嘴 不 能 保 持 满 管 出 流 。由 公 式 mH 901、 作 用 水 头2、 管

60、嘴 长 度 s=(34)d 圆 柱 形 外 管 嘴正 常 工 作 条 件 水 柱 圆 柱 外 管 嘴 的 正 常 工 作 条 件 00.75v a cv p p ph H 5.12 压 力 管 路 中 的 水 击 现 象 在 长 度 为 L的 A,B两 点 之 间 ， 流体 在 一 定 的 压 差 水 头 H 下 稳 定 传 输 ，管 中 各 点 流 速 均 为 v0， 在 A点 处 的流 速 由 v0突 然 变 为 零 ， 动 能 转 为 压力 能 ， 引 起 压 力 急 剧 升 高 ， 这 种 升高 的 压 强 从 紧 贴 阀 门 处 向 上 游 传 播 、反 射 ， 从 而 产 生 往

61、复 波 动 引 起 管 道振 动 。压 力 输 水 管 路 （ 也 可 是 输 油 管 路 ） 。这 种 现 象 称 水 击 现 象 ， 亦 称 水 锤 现 象 。水 击 现 象 将 影 响 管 道 系 统 的 正 常 流 动 和 水 泵 的 正 常 运 转 ， 压 强 很 高 的 水 击 还 可 能 造 成 管 道 和 管 件 的 破 裂 。 一 、 水 击 现 象 的 传 播 过 程a)水 管 末 端 闸 阀 突 然 关 闭 t =0， 紧 贴 阀 门 上 游 的 一 层流 体 ， 流 速 突 变 为 零 ， 受 后 面 未 变 流 速 的 流 体 的 压缩 ， 其 压 强 突 增 了 p

62、 h（ 水 击 压 强 ） ,管 道 受 压 变 形 ，截 面 积 扩 大 了 dA， 这 种 压 缩 以 传 播 速 度 c向 上 游 传播 ， 形 成 压 缩 波 。 当 压 缩 波 达 到 管 道 入 口 处 时t=L/c， 整 个 管 道 内 流 体 处 于 静 止 状 态 ， 压 强 为 p+ph,流 体 动 能 转 变 为 流 体 压 缩 和 管 道 变 形 的 弹 性 能 。 b)管 道 内 压 强 为 p+ph， 管 道 入 口 以 外 压 强 为 p， 这种 不 平 衡 使 管 内 流 体 不 能 保 持 静 止 ， 管 道 入 口 端流 体 以 v的 速 度 倒 流 入 池

63、 内 ， 使 管 内 压 强 降 为 p，原 先 压 缩 的 流 体 得 到 膨 胀 ， 管 道 截 面 恢 复 到 A。 这种 压 强 的 降 低 以 传 播 速 度 c向 下 游 传 播 ， 形 成 膨 胀波 。 当 t=2L/c时 ， 传 播 到 了 阀 门 ， 这 时 整 个 管 道 内的 流 体 以 速 度 v往 池 内 倒 流 ， 压 强 恢 复 正 常 。 c c)流 体 的 倒 流 引 起 阀 们 左 面 的 压 强 进 一 步 降 低 ，直 到 靠 近 阀 门 的 一 层 流 体 停 止 倒 流 ， 这 时 压 强 降低 为 p-ph， 低 压 使 流 体 膨 胀 、 管 道

64、 收 缩 ， 这 种 膨胀 以 速 度 c向 上 游 传 播 。 膨 胀 波 所 到 之 处 ， 倒 流停 止 。 当 t=3L/c时 ， 膨 胀 波 传 到 管 道 入 口 ， 这 时管 道 内 的 流 体 再 次 处 于 静 止 ， 压 强 p-ph。 c d)管 道 内 压 强 为 p-ph， 管 道 入 口 以 外 压 强 为 p， 这 种不 平 衡 使 管 内 流 体 不 能 保 持 静 止 ， 管 道 入 口 端 流 体 以速 度 v再 次 流 入 管 道 ， 使 管 内 压 强 升 为 p， 原 先 膨 胀 的流 体 得 到 压 缩 ， 压 缩 波 以 速 度 c向 下 游 传

65、播 。 当t=4L/c时 ， 传 播 到 了 阀 门 ， 这 时 整 个 管 道 内 的 流 体 的流 动 状 态 恢 复 到 阀 门 关 闭 前 的 状 态 ， 完 成 一 个 循 环 。ppc 如 此 ， 每 经 过 t=4L/c的 时 间 ， 重 复 一 次 水 击 全 过 程 ，流 体 中 的 压 缩 波 和 膨 胀 波 往 复 传 播 ， 管 道 一 胀 一 缩 地振 动 ， 循 环 往 复 ， 形 成 轰 轰 的 振 动 声 。 由 于 实 际 流 体的 粘 性 消 耗 以 及 流 体 和 管 材 的 非 完 全 弹 性 消 耗 ， 则 波动 和 振 动 的 强 度 逐 渐 衰 减

66、 ， 直 到 完 全 消 失 。阐 阀 处 的 压 强 随 时 间 变 化 图 2、 水 击 压 强 p及 其 传 播 速 度 在 阀 门 突 然 关 闭 时 ， 紧 靠 近 阀 门 的 m-n段 微 元 流 体 在 dt时 内 停 止 流 动 ， m-m面 上 的 压 力 增 量 dp传 递 到 n-n面 上 ， 设dp传 播 （ 移 动 ） 速 度 为 c， 则 有 dx=cdt dxAddAAdxdxdAAddm )()( 24DA )4(4 22 DdDdAA 在 管 道 的 dx段 液 体 在 dt瞬 间 内 压 力 变 为 (p+dp)， 则 液 体 受 压 缩 ，密 度 增 加 +d； 同 时 管 道 为 弹 性 体 ， 其 面 积 变为 ， 则 质 量 增 加 量 dm为 根 据 流 量 连 续 定 理 ， dx段 内 的 质 量 增 加 量 等 于 管 内 流体 以 速 度 v0在 dt时 间 内 流 过 未 变 形 管 道 断 面 A的 液 面 的 质 量v0Adt， 则 有 AdtvdxAddA 0)( dtdxc )(0 AdAdcv 根 据 流 体 可 压 缩