8 孔口、管嘴出流和有压管流 工程中 ： 给水处理、建筑物的输水配水、通航船闸闸室的充水

1. 8 孔口、管嘴出流和有压管流 工程中 ： 给水处理、建筑物的输水配水、通航船闸闸室的充水 和泄水、水利工程中的泄水闸的泄水都属于孔口出流问 题。 如果孔壁较厚或在孔口上外接一当长度的短管，这时 的出流即为管嘴出流。 有压管流是管道被液体充满，无自由表面，断面上 各点的压强一般大于大气压强（个别情况也小于大气压 强）。 按水流随时间变化的状况分：为恒定管流和非恒定 管流。

2. 简单管道 复杂管道 并联管道 简单管道 串联管道 长管 短管 自由出流 淹没出流 有压管中的恒定流 管流：即有压流。 明渠水流：无压流。 水头损失以沿程水头损失为主，局部水头损失和流速水头在总损失中所占比重很小，计算时可以忽略的管道。 局部损失及流速水头在总损失中占有相当的比重，计算时不能忽略的管道。

3. pa H d 一、 根据d/H的比值大小分：大孔口、小孔口 大孔口（big orifice）：当d/H>0.1时，水头、压强、速 度沿孔口高度变化。 小孔口（small orifice ）：当d/H<0.1时，各点流速相等， 且各点水头亦相等。 二、根据出流条件分：自由出流、淹没出流 自由出流（free discharge）： 自由出流流出的水流直接进入空气 中，此时收缩断面的压强可认为是大气 压强，即 pc = pa ，则该出流称为自由出 流。

4. 淹没出流（submerged discharge）：流出的水流不是进入空气，而是流入下游水体中，致使出口淹没在下游水面之下，这种情况称为淹没出流。 三、根据孔口水头变化情况分：恒定出流、非恒定出流 恒定出流（steady discharge）：孔口的水头不变，此时的出流称为恒定出流。 非恒定出流（unsteady discharge）：孔口的水头不断变化，此时的出流称为非恒定出流。

5. 按管嘴的形状和装置情况分 圆柱形外管嘴：先收缩后扩大到整满管(图a)。 管嘴出流：在孔口上连接长为3~4倍孔径的短管，水 经过短管并在出口断面满管流出的水力现象。 流线形外管嘴：无收缩扩大，阻力系数最小(图b)。 圆锥形收缩管嘴：较大出口流速。水力挖土机喷嘴，消防用喷嘴(图c)。 圆锥形扩张管嘴：较大过流能力，较低出口流速。引射器，水轮机尾水管，人工降雨设备(图d)。

6. 8.1 孔口出流 8.1.1 薄壁小孔口恒定出流 当孔口具有锐缘，出流的水股与孔口只有周线上的接触，且孔口直径d＜0.1H，称为薄壁小孔口。当孔口泄流后，容器内的液体得到不断的补充，保持水头H不变，称为恒定出流。 一、小孔口自由出流

7. ——流经孔口的局部阻力系数。 令 ， 称为流速系数。 称为收缩系数。

8. 二、 孔口淹没出流 令 Ho = 则 Ho = hw

9. 三、影响流量系数的因素 对于全部完善收缩， 其系数见下表：

10. 表8.1 薄壁小孔口各项系数表 收缩系数 阻力系数 流速系数 流量系 0.63~0.64 0.05~0.06 0.97~0.98 0.60~0.62 8.1.2 孔口变水头出流 设时刻t时孔口的水头为h，在微小 的时段内流经孔口的体积为 dV = Qdt = 在相同的时段内，容器内液面降落dh， 由此减少的体积为

11. 若H2=0，即容器放空，所用的时间为 8.2 管嘴出流 8.2.1 圆柱形外管嘴恒定出流 管嘴出流的特点是在距管道入口约为Lc=0.8d处有一收缩断面c-c，经c-c后逐渐扩张并充满全管泄出。分析时可只考虑管道进口的局部损失。

12. 以O′- O′为基准面，列0-0和1-1的能量方程

13. 式中 —— 管嘴阻力系数，相当于管道锐缘进口的情 况， =0.5； ——管嘴的流速系数， ≈=0.82； ——管嘴出口处的流速； ——管嘴的流量系数，因出口无收缩， =1， 为0.62，而 ， =1.32，即

14. 8.2.2 管嘴内的真空度 c-c和1-1断面列能量方程

15. 8.2.3 管嘴的使用条件

16. 8.3 短、长管的水力计算 所谓“短管”，是指局部水头损失与流速水头之和所占的比重较大，即 ＞5%hf，计算中不能忽略。 如果 ＜ 5%hf， ，即局部水头损失与流速水头之和占的比重较小，在计算中可以忽略，这种管称为长管。 8.3.1短管的水力计算 一、自由出流

18. 称为管道的流量系数。 二、 淹没出流： H——上下游的水位差。

19. 水力计算问题 1、已知H、l、d、n、ζ，求Q。 2、已知Q 、l、d、n、ζ，求H。 3、已知Q 、 H、l、 n、ζ，求 d。 8.3.2虹吸管的水力计算 以0-0为基准面，写出1-1和2-2断面的能量方程

20. 为管中c点的真空高度。 应小 于或等于管中的最大允许真空高度 。 [例题8.1] 如图8.9所示的虹吸管，上、下游水位差 ， , 管径 ，进口的阻力系数 =1.0，转弯的阻力系数 =0.2 ，沿程阻力系数 ，管顶c总的允许真空度 =7m 。求通过的流量Q和量大允许安装高度 。

22. 8.3.3 水泵吸水管的计算 一、安装高度Hs 以水池水面为基准面，写出 1-1和2-2断面的能量方程: 为水泵进口的真空度 二、管径的确定 =6~7m。

23. [例题8.2]如上图所示的抽水装置，实际抽水量 吸水管长 ，直径 ， 弯头一个， ， 进口有滤水网并附有底阀， ，沿程阻力系数 ， 水泵进口处 =6m 。求水泵的安装高度。 解： 安装高度 为 ，

24. 1 H υ0≈0 1 测压管 、总水头线的定性分析 总水头线 测压管头线 o o

25. 8.3.4 长管的水力计算 一、简单管道 以0-0作为基准面， 写1-1和2-2断面的能量 方程： ——比阻。

26. （水流在阻力平方区） （水流在过渡粗糙区） ——修正系数。

27. 工程上一般选用曼宁公式，即 和谢才公式 ，所以 [例题8.3]由水塔向厂区供水 （见图），水管采用铸铁管， 管长l=2500m,管径d=400mm， 水塔处地面标高▽1=61m， 水塔高度H1=18m，厂区地面 标高▽2=45m,管路末端需要 的自由水头H2=25m，求通过 管路的流量。

28. [解] 作用水头为H H=（H+▽1)-(H2+▽2)=(18+61)-(25+45)=9m 查得 d=400mm时，比阻A=0.2232s2/m6， 验算： ＜ 1.2m/s 属于过渡 区，比阻需修正。 查表8.4，当1.01 m/s 时，修正系数k=1.0285，

29. 8.3.5 离心泵的原理和选用 一、离心泵的构造 二、 离心泵的工作原理 三、 离心泵的基本参数

30. 基本参数如下： （1）流量Q，单位为L/S、m3/s、m3/h。 （2）扬程H，单位为mH2O或简写m。 以0-0为基准面写出1-1和2-2 断面的能量方程式： 扬程即是水泵克服了管路的所有 损失后所能把水送上的几何高度。 （3）轴功率、有效功率和效率 有效功率是指水从水泵实际获得的能量，用Ne表示

31. 轴功率是指电动机输给水泵的总功率，即输入功率，用N表示。轴功率是指电动机输给水泵的总功率，即输入功率，用N表示。 效率是有效功率与轴功率之比，用 表示， 小型泵=70%，大中型泵=70%～90%。 （4）转速 转速即叶轮转动的速度，以n表示，单位 r/min。 （5）允许吸水真空度 四、水泵的特性曲线 上述六个参数Q、H、N、n、 和z中，常选择转速n为常数，将 这些参数与流量之间的关系用曲 线H-Q、N-Q、n-Q和z-Q来表 示，这些曲线称为特性曲线。

32. 五、管路的特性曲线 hw——管路中总水头损失； Al——管路总阻力系数。 管路在克服所有损失后，还需抬高一个几何高度z，

33. 水泵出水量Q与扬程H必须 同时落在水泵的特性曲线和管 路的特性曲线上，此时水泵才 能有稳定的出水量和稳定的扬 程，这样水泵才能有相对稳定 的功率和效率值，这个稳定的 工作状态，在特性曲线上反映 出来是一个点（如图中的M 点），我们称之为水泵的工作 点或工况点。 六、水泵工作点

34. [例题] 由吸水池向水塔供水（见图），水池水面与水塔水面的高差 z=19m，水泵的吸水管和压水管均为铸铁管，总长l=200m ，直径d=100mm，当Q=6.95L/s时，试选择水泵。 [解]（1）选型参数的计数 查表得 （2）初选水泵的型号 以 、 查水泵产品目录，初选2BA-6型 泵。 （3）校核工作点 绘出管道特性曲线图，交点为 ， ， ，满足供水要求。

35. （4）配套电动机的传动效率和超载系数，可选稍大功率的电动机。

36. 8.4 管网计算基础 8.4.1 串联管道 由直径不同的几段 简单管道依次连接而成， 这种管道称为串联管路 。

37. 若各管末端无流量分出，则

38. [例题] 一串联管道如图8.21，管材为钢管，水由 水池A流入大气中，已知， ， ， ， 。求 通过流量 时所需 的水头H。 解： ，

39. 8.4.2 并联管路

40. [例题] 并联管路系统（如上图），已知通过的总流量 s，各管均为铸铁管，直径 ，管长为 ，求各支管的流量及A、B间的水头损失。 [解] 根据管径查表得

42. 8.4.3 管网分类 一、枝状管网（或称为树枝状） 二、 环状管网

43. 8.5 有压管道中的水击 8.5.1 水击现象 水击发生的原因

44. 一、水击的传播过程 第一阶段，阀门突然关闭，在A处产生一干扰波，紧靠A处的微分段内的水体，流速由变为零，相应的压强升高，此时，段内液体被压缩，以容纳后面由惯性而来的液体，使得该微分段内密度增加，管壁被迫膨胀，并以波速向进口B传播。当传至B（即）时，整个管道的流速变为零，压强升高，管壁膨胀，液体压缩，密度增加。

45. 第二阶段，当 时，断面B处存在压差 ，使该 处截面的作用力不能维持平衡，故B处产生一反射波并由B往A传播，称为顺波，使水流以一向水池倒流，压力下降 ，液体膨胀，管壁收缩。至 时，反射波传至阀门A处，此时全管的流速为一υ0，压力和管径均恢复原状。

46. 第三阶段，当时 ，全管由于有一 存在，水流脱 离阀门A，与要求的 条件不符，此时开始了水击波第三阶段的传播。此时A处产生一反射波，并由A往B传播，紧靠A处液体由一 变为零，导致压力由 变为 ，液体膨胀， 管壁收缩，又一层一层地以波速 向B传播。在 时到达进口B ，此时整个管道压力下降 ，流速 ， 管壁收缩。

47. 第四阶段， 时，降压逆波传至B端，该端存在 一压差- ，为了维持压力的平衡，此时B又反射一升压波，并由B传至A，水流又以 的速度向A流动，膨胀的液体及收缩的管壁也恢复原状，至 时，增压顺波传至阀门A 处，压强、流速和管道状况都恢复到水击发生前的状况。

48. 8.5.2 水击压强计算 相长 一、直接水击

49. 水击发生前的动量为 水击发生后的动量为 在 △t内的动量变化为 展去并略去高阶微量得 在 段水体两端的压力差为 故略去 ，略去二阶微量 ，得冲量 由动量定理得

50. 二、间接水击（ ） 三、水击波的传播速度 8.5.3防止水击危害的措施 （1）延长阀门的关闭时间 ； （2）缩短管长 ；