流體力學(xué)第五章-孔口出流--ppt課件

1、孔口出流孔口出流孔口出流（孔口出流（orifice dischargeorifice discharge）：）： 在容器壁上開孔，水經(jīng)孔口流出的水力現(xiàn)在容器壁上開孔，水經(jīng)孔口流出的水力現(xiàn)象就稱為孔口出流，象就稱為孔口出流， 薄壁孔口出流：薄壁孔口出流：L/d 2厚壁孔口出流：管嘴出流厚壁孔口出流：管嘴出流 小孔口（小孔口（small orifice small orifice ）：當(dāng)孔口直徑）：當(dāng)孔口直徑d d（或高度（或高度e e）與）與孔口形心以上的水頭高度孔口形心以上的水頭高度H H的比值小于的比值小于0.10.1，即，即d d/ /H H0.10.10.1時(shí)，需考時(shí)，需考慮在孔口射流斷

2、面上各點(diǎn)的水頭、壓強(qiáng)、速度沿孔口高度的慮在孔口射流斷面上各點(diǎn)的水頭、壓強(qiáng)、速度沿孔口高度的變化，這時(shí)的孔口稱為大孔口。變化，這時(shí)的孔口稱為大孔口。 1.1.根據(jù)根據(jù)d d/ /H H的比值：大孔口、小孔口的比值：大孔口、小孔口 一、分類一、分類二、管嘴出流：在孔口周邊連接一長(zhǎng)為二、管嘴出流：在孔口周邊連接一長(zhǎng)為334 4倍孔徑的短管，水倍孔徑的短管，水經(jīng)過短管并在出口斷面滿管流出的水力現(xiàn)象，稱為管嘴出流。經(jīng)過短管并在出口斷面滿管流出的水力現(xiàn)象，稱為管嘴出流。 圓錐形擴(kuò)張管嘴：較大過流能力，較低出口流速。圓錐形擴(kuò)張管嘴：較大過流能力，較低出口流速。 引射器，水輪機(jī)尾水管，人工降雨設(shè)備。引射器，水

3、輪機(jī)尾水管，人工降雨設(shè)備。圓錐形收縮管嘴：較大出口流速。水力挖土機(jī)噴嘴，圓錐形收縮管嘴：較大出口流速。水力挖土機(jī)噴嘴， 消防用噴嘴。消防用噴嘴。流線形外管嘴：無收縮擴(kuò)大，阻力系數(shù)最小。水壩泄流流線形外管嘴：無收縮擴(kuò)大，阻力系數(shù)最小。水壩泄流 圓柱形外管嘴：先收縮后擴(kuò)大到整滿管。圓柱形外管嘴：先收縮后擴(kuò)大到整滿管。2ld一般孔口邊緣呈刃口形一般孔口邊緣呈刃口形狀，各種結(jié)構(gòu)形式的閥狀，各種結(jié)構(gòu)形式的閥口大多都屬于薄壁小孔口大多都屬于薄壁小孔類型。類型。5.1 薄壁孔口出流薄壁孔口出流5.1.1 孔口出流的速度和流量計(jì)算孔口出流的速度和流量計(jì)算收縮系數(shù)收縮系數(shù)ccACA在在1-1,C-C斷面列伯努利

4、方程：斷面列伯努利方程：42121ccpvdCD22211222cccpvvpvgggggAvCAvAvcccc11根根據(jù)據(jù)連連續(xù)續(xù)方方程程：理理得得，代代入入伯伯努努利利方方程程，整整，所所以以，221ppvDdCvccc014DdDd，有有）對(duì)對(duì)于于小小孔孔口口：（1221cvppvC出流速度出流速度 簡(jiǎn)化為：簡(jiǎn)化為：cv22vcccccvqppqA vC AvC C AC A流量為：流量為：其中：其中：11vC稱為流速系數(shù)。稱為流速系數(shù)。其中：其中：1cqcvCCC C稱為流量系數(shù)。稱為流量系數(shù)。40.630.37cdCD 442222211cvccpgHvCgHddCCDD出流速度為出

5、流速度為42221vcccqcgHqA vC AC AgHdCD流量為流量為4211vcCdCD流速系數(shù)流速系數(shù)421cqcvcCCC CdCD流量系數(shù)流量系數(shù)vC一、流速系數(shù)一、流速系數(shù) :5.1.2 孔口出流系數(shù)孔口出流系數(shù)出流速度出流速度 ：gHCpCpvvvc22211而理想流速為而理想流速為 ：gHpv22T（1）（2）比較（比較（1）、（）、（2）兩式：）兩式：TcvvvC 孔口阻力系數(shù)越大，實(shí)際流速越小，流速系數(shù)也就越小?？卓谧枇ο禂?shù)越大，實(shí)際流速越小，流速系數(shù)也就越小。實(shí)際流速與理想流速之比，實(shí)際流速與理想流速之比，流速系數(shù)的測(cè)定流速系數(shù)的測(cè)定應(yīng)注意到：孔口出流進(jìn)入大氣后即成平

6、拋運(yùn)動(dòng)。應(yīng)注意到：孔口出流進(jìn)入大氣后即成平拋運(yùn)動(dòng)。 流量系數(shù)流量系數(shù) ：qC。就可以得到就可以得到和和，測(cè)得，測(cè)得可見，只要測(cè)得可見，只要測(cè)得qVCqAH實(shí)際流量與理想流量之比。實(shí)際流量與理想流量之比。流量為：流量為：gHACpACqqqV22而理想流量：而理想流量：（1）（2）比較（比較（1）、（）、（2）兩式：）兩式：TVqqqC gHApAq22TvqcCCC收縮系數(shù)收縮系數(shù) ：cC112vC阻力系數(shù)阻力系數(shù) ：0.640.06流量系數(shù)流量系數(shù) ：qCTVqqqC 0.62流速系數(shù)流速系數(shù)vC0.975.2 厚壁孔口出流厚壁孔口出流24ld厚壁孔口：厚壁孔口：1. 厚壁孔口只有內(nèi)收縮而無

7、外厚壁孔口只有內(nèi)收縮而無外收縮，此時(shí)收縮系數(shù)收縮，此時(shí)收縮系數(shù)CC=1與小孔口出流對(duì)比，其特點(diǎn)特與小孔口出流對(duì)比，其特點(diǎn)特點(diǎn)：點(diǎn)：2. 總局部阻力系數(shù)包括三部分：總局部阻力系數(shù)包括三部分：a) 入口系數(shù)（相當(dāng)于薄壁孔口入口系數(shù)（相當(dāng)于薄壁孔口出流；出流；b) c-c斷面后擴(kuò)張阻力系數(shù)（可按突擴(kuò)計(jì)算），斷面后擴(kuò)張阻力系數(shù)（可按突擴(kuò)計(jì)算），c) 后半段后半段上的沿程當(dāng)量系數(shù)。上的沿程當(dāng)量系數(shù)。）（dle21212211vpvgHCgH22vvqqAvC AgHC AgH5.2.1 厚壁孔口出流的速度和流量厚壁孔口出流的速度和流量5.2.2 厚壁孔口出流系數(shù)厚壁孔口出流系數(shù)1C c收縮系數(shù)收縮系數(shù)

8、：cC321阻力系數(shù)阻力系數(shù) ：流速系數(shù)流速系數(shù) ：vC11vC流量系數(shù)流量系數(shù) ：vCvqCC 10.50.820.825.3 幾種孔口出流性能比較幾種孔口出流性能比較小小。的的大大小小并并不不代代表表流流量量大大積積不不等等時(shí)時(shí)，出出口口面面積積和和器器壁壁上上的的面面qC為什么厚壁孔口流量大于薄壁孔口流量？為什么厚壁孔口流量大于薄壁孔口流量？5.4 機(jī)械中的氣穴現(xiàn)象機(jī)械中的氣穴現(xiàn)象5.4.1 5.4.1 氣穴概念氣穴概念氣穴產(chǎn)生的條件：局部地區(qū)的高速和低壓。氣穴產(chǎn)生的條件：局部地區(qū)的高速和低壓。5.4.2 5.4.2 節(jié)流氣穴節(jié)流氣穴5.4.3 5.4.3 泵進(jìn)口處的氣穴泵進(jìn)口處的氣穴防

9、止泵前氣穴的方法：防止泵前氣穴的方法：1. 降低吸水高度；降低吸水高度；2. 降低吸水管、吸油管的局部沿程阻力；降低吸水管、吸油管的局部沿程阻力；3. 加大管徑以降低流速；加大管徑以降低流速；4.減少進(jìn)水管輸送長(zhǎng)度。減少進(jìn)水管輸送長(zhǎng)度。5.5.1 相似概念相似概念力學(xué)相似力學(xué)相似是指實(shí)物流動(dòng)與模型流動(dòng)在對(duì)應(yīng)點(diǎn)上物理量都是指實(shí)物流動(dòng)與模型流動(dòng)在對(duì)應(yīng)點(diǎn)上物理量都應(yīng)該有一定的比例關(guān)系，具體包括應(yīng)該有一定的比例關(guān)系，具體包括幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似及動(dòng)力相似：及動(dòng)力相似：1）幾何相似）幾何相似： 即模型流動(dòng)與實(shí)物流動(dòng)有相似的邊界形即模型流動(dòng)與實(shí)物流動(dòng)有相似的邊界形狀，一切對(duì)應(yīng)的線性尺寸成比

10、例。狀，一切對(duì)應(yīng)的線性尺寸成比例。 如果用無上標(biāo)的物理量符號(hào)來表示實(shí)物流動(dòng)，用有如果用無上標(biāo)的物理量符號(hào)來表示實(shí)物流動(dòng)，用有上標(biāo)上標(biāo)“”的物理量符號(hào)表示模型流動(dòng)。則有下述比例尺：的物理量符號(hào)表示模型流動(dòng)。則有下述比例尺：lll長(zhǎng)長(zhǎng)度度比比例例尺尺：222lAllAA面積比例尺：面積比例尺：333lVllVV體積比例尺：體積比例尺：速度比例尺速度比例尺 時(shí)間比例尺時(shí)間比例尺加速度比例尺加速度比例尺vvVvltvlvlttlvtvatvtvaa2流量比例尺流量比例尺運(yùn)動(dòng)粘度比例尺運(yùn)動(dòng)粘度比例尺角速度比例尺角速度比例尺vltlvvqtltlqq2333vltlvtltlvv2222lvlvlv密度比

11、例尺密度比例尺質(zhì)量比例尺質(zhì)量比例尺力的比例尺力的比例尺力矩比例尺力矩比例尺3lmVVmm22vlamFammaFF23vllFMlFFl2vAFpAFAFvlvvv3223vltvlPPP1c 在相似的實(shí)物流動(dòng)與模型流動(dòng)之間存在著在相似的實(shí)物流動(dòng)與模型流動(dòng)之間存在著一切無一切無量綱系數(shù)皆對(duì)應(yīng)相等的關(guān)系量綱系數(shù)皆對(duì)應(yīng)相等的關(guān)系，這提供了在模型流動(dòng)上，這提供了在模型流動(dòng)上測(cè)定實(shí)物流動(dòng)中的流速系數(shù)、流量系數(shù)、阻力系數(shù)等測(cè)定實(shí)物流動(dòng)中的流速系數(shù)、流量系數(shù)、阻力系數(shù)等等的可能性。等的可能性。 所有力學(xué)相似的比例尺中，所有力學(xué)相似的比例尺中，基本比例尺基本比例尺 l l、 v v 、 是各自獨(dú)立的，是各自

12、獨(dú)立的，基本比例尺確定后，其它一切物理基本比例尺確定后，其它一切物理量的比例尺都可確定，模型流動(dòng)與實(shí)物流動(dòng)之間一切量的比例尺都可確定，模型流動(dòng)與實(shí)物流動(dòng)之間一切的物理量的換算關(guān)系也就都可以確定了。的物理量的換算關(guān)系也就都可以確定了。 實(shí)物和模型大多是處于同樣的地心引力范圍，因此實(shí)物和模型大多是處于同樣的地心引力范圍，因此單位質(zhì)量重力的比例尺一般等于單位質(zhì)量重力的比例尺一般等于1，即：，即：1g1 1）、）、弗勞德弗勞德(Froude)(Froude)數(shù)數(shù)代表慣性力與重力之比。代表慣性力與重力之比。弗勞德數(shù)弗勞德數(shù)lgvglv 22glvFr25.5.2 相似準(zhǔn)則相似準(zhǔn)則）、歐拉數(shù)）、歐拉數(shù)代表

13、壓力與慣性力之比。代表壓力與慣性力之比。歐拉數(shù)歐拉數(shù)）、雷諾數(shù)）、雷諾數(shù)代表慣性力與粘性力之比。代表慣性力與粘性力之比。 雷諾數(shù)雷諾數(shù)22vpvpuEvp2lvvleRvleeuurrRREEFF vlvplgv22 、vl20322)()(PrReTTLgGrTTkqLNukcUTLStgLUFraUMaULwwpReynolds numberMach numberFroude numberStrouhal numberPrandtl numberNusselt numberGrashov number ：lgvglv 2222vpvp同時(shí)同時(shí)幾何相似幾何相似一般模型流動(dòng)與實(shí)物流動(dòng)中的一般模

14、型流動(dòng)與實(shí)物流動(dòng)中的重力加速度重力加速度是相同的，于是是相同的，于是222lvlv或或21lv 此式說明在弗勞德模型法中，速度比例尺可以不再作為需此式說明在弗勞德模型法中，速度比例尺可以不再作為需要選取的基本比例尺。要選取的基本比例尺。 弗勞德模型法在水利工程上應(yīng)用甚廣，大型水利工程設(shè)計(jì)弗勞德模型法在水利工程上應(yīng)用甚廣，大型水利工程設(shè)計(jì)必須首先經(jīng)過模型實(shí)驗(yàn)的論證而后方可投入施工。必須首先經(jīng)過模型實(shí)驗(yàn)的論證而后方可投入施工。 管中有壓流動(dòng)是在壓差作用下克服管道摩擦而產(chǎn)生的流管中有壓流動(dòng)是在壓差作用下克服管道摩擦而產(chǎn)生的流動(dòng)，粘性力決定壓差的大小，粘性力決定管內(nèi)流動(dòng)的性質(zhì)，動(dòng)，粘性力決定壓差的大小

15、，粘性力決定管內(nèi)流動(dòng)的性質(zhì)，此時(shí)重力是無足輕重的次要因素，因此此時(shí)可以用雷諾模型此時(shí)重力是無足輕重的次要因素，因此此時(shí)可以用雷諾模型法解決問題，雷諾準(zhǔn)則是：法解決問題，雷諾準(zhǔn)則是： lvvl 雷諾模型法在管道流動(dòng)、液壓技術(shù)、水力機(jī)械等雷諾模型法在管道流動(dòng)、液壓技術(shù)、水力機(jī)械等方面應(yīng)用廣泛。方面應(yīng)用廣泛。同時(shí)同時(shí)幾何相似幾何相似22vpvp 粘性流動(dòng)中有一種特殊現(xiàn)象，當(dāng)雷諾數(shù)增大到一定界粘性流動(dòng)中有一種特殊現(xiàn)象，當(dāng)雷諾數(shù)增大到一定界限以后，慣性力與粘性力之比也大到一定程度，粘性力的限以后，慣性力與粘性力之比也大到一定程度，粘性力的影響相對(duì)減弱，此時(shí)繼續(xù)提高雷諾數(shù)，也不再對(duì)流動(dòng)現(xiàn)象影響相對(duì)減弱，此

16、時(shí)繼續(xù)提高雷諾數(shù)，也不再對(duì)流動(dòng)現(xiàn)象和流動(dòng)性能發(fā)生質(zhì)和量的影響，此時(shí)盡管雷諾數(shù)不同，但和流動(dòng)性能發(fā)生質(zhì)和量的影響，此時(shí)盡管雷諾數(shù)不同，但粘性效果卻是一樣的。這種現(xiàn)象叫做粘性效果卻是一樣的。這種現(xiàn)象叫做自動(dòng)模型化自動(dòng)模型化，產(chǎn)生這，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的雷諾數(shù)范圍叫做自動(dòng)模型區(qū)，雷諾數(shù)處在自動(dòng)模種現(xiàn)象的雷諾數(shù)范圍叫做自動(dòng)模型區(qū)，雷諾數(shù)處在自動(dòng)模型區(qū)時(shí)，雷諾準(zhǔn)則失去判別相似的作用。型區(qū)時(shí)，雷諾準(zhǔn)則失去判別相似的作用。 這也就是說，研究雷諾數(shù)這也就是說，研究雷諾數(shù)處于自動(dòng)模型區(qū)時(shí)的粘性流處于自動(dòng)模型區(qū)時(shí)的粘性流動(dòng)不滿足雷諾準(zhǔn)則也會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)粘性力相似。動(dòng)不滿足雷諾準(zhǔn)則也會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)粘性力相似。因此設(shè)計(jì)模因此設(shè)計(jì)模

17、型時(shí)，粘性力的影響不必考慮了；如果是管中流動(dòng)，或者型時(shí)，粘性力的影響不必考慮了；如果是管中流動(dòng)，或者是氣體流動(dòng)，其重力的影響也不必考慮；這樣我們只需考是氣體流動(dòng)，其重力的影響也不必考慮；這樣我們只需考慮代表壓力和慣性力之比的歐拉準(zhǔn)則就可以了。慮代表壓力和慣性力之比的歐拉準(zhǔn)則就可以了。 歐拉模型法用于自動(dòng)模型區(qū)的管中流動(dòng)、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)及氣歐拉模型法用于自動(dòng)模型區(qū)的管中流動(dòng)、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)及氣體繞流等情況。體繞流等情況。22vpvp即：即：或或2222LvFLvF （2 2）在模型上測(cè)得流量）在模型上測(cè)得流量 收縮斷面的速度收縮斷面的速度 作用在閘門上的力作用在閘門上的力 力矩力矩例題例題1 1 ： 圖示表

18、示為深圖示表示為深H=6H=6米的水在弧形閘門下的流動(dòng)。米的水在弧形閘門下的流動(dòng)。 求（求（1 1）試求模型上的水深）試求模型上的水深201l試求實(shí)物流動(dòng)上的流量、試求實(shí)物流動(dòng)上的流量、 收縮收縮斷面上的速度、作用在閘門上斷面上的速度、作用在閘門上的力和力矩。的力和力矩。slqv/30smv/2NmMNF11092HmHHl3 . 0206LgvLgv22smLLvLLvLgvLgv/9104. 822(2) 解；閘門下的水流是在重力作用下的流動(dòng)，因而模解；閘門下的水流是在重力作用下的流動(dòng)，因而模型應(yīng)該是按照弗勞德模型法設(shè)計(jì)。型應(yīng)該是按照弗勞德模型法設(shè)計(jì)。(1) （弗勞德數(shù)相等）（弗勞德數(shù)相等）vlvlvvvvvqqqAvvAqAvvAqq252322lvlamFFF4llFLFFLMMvvvvqAvvAqAvvAqq22222222LvLvFFLvFLvFMLFFLMLFFLMM例題例題2 2：設(shè)計(jì)新型汽車主高：設(shè)計(jì)新型汽車主高h(yuǎn)=1.5mh=1.5m，車速，車速v=108km/h