流體力學(xué)第6章2節(jié)孔口管嘴

1、1第六章第六章 不可壓縮流體的管道流動不可壓縮流體的管道流動（有壓管流）（有壓管流）前幾章：前幾章：流體力學(xué)基礎(chǔ)，闡述了流體運(yùn)動的流體力學(xué)基礎(chǔ)，闡述了流體運(yùn)動的基本規(guī)律基本規(guī)律后幾章：后幾章：流體力學(xué)的工程應(yīng)用，對工程中的流體力學(xué)的工程應(yīng)用，對工程中的流動現(xiàn)象進(jìn)行研究流動現(xiàn)象進(jìn)行研究有壓管流：有壓管流：流體沿管道滿管流動的水力現(xiàn)象流體沿管道滿管流動的水力現(xiàn)象 2第一節(jié)第一節(jié) 孔口出流孔口出流Orifice Discharge定義：定義：容器壁上開孔，水經(jīng)孔口流出容器壁上開孔，水經(jīng)孔口流出的水力現(xiàn)象的水力現(xiàn)象應(yīng)用：應(yīng)用：取水、泄水閘孔、孔板流量計取水、泄水閘孔、孔板流量計一、薄壁小孔口恒定出流一

2、、薄壁小孔口恒定出流 1、孔口的概念、孔口的概念v薄壁孔口薄壁孔口Thin- wall Orifice ：孔口出流時，水流與孔孔口出流時，水流與孔壁僅在一條周線上接觸，壁厚對出流無影響。壁僅在一條周線上接觸，壁厚對出流無影響?？卓谏舷戮壴谒嫦碌纳疃炔煌卓谏舷戮壴谒嫦碌纳疃炔煌?，H也不同，則也不同，則在孔口在孔口射流斷面上各點(diǎn)的水頭、壓強(qiáng)、速度沿孔口高度變化射流斷面上各點(diǎn)的水頭、壓強(qiáng)、速度沿孔口高度變化v小孔口小孔口Small Orifice :dH/10認(rèn)為孔口斷面各點(diǎn)水頭相認(rèn)為孔口斷面各點(diǎn)水頭相等等v大孔口大孔口 Big Orifice:dH/10應(yīng)考慮不同高度上水頭不等應(yīng)考慮不同高

3、度上水頭不等paHd32、自由出流、自由出流Free Dischargev定義：定義：水經(jīng)孔口流入空氣中水經(jīng)孔口流入空氣中v流動特征：流動特征：流線自上游各個方向向孔口匯集流線自上游各個方向向孔口匯集距孔口后約距孔口后約d/2處收縮完畢，收縮斷面處收縮完畢，收縮斷面c cpaHdC-Cv推導(dǎo)孔口出流基本公式（列伯諾里方程推導(dǎo)孔口出流基本公式（列伯諾里方程 ） 0-01-12200022ccclppHhgggg 設(shè)孔口斷面面積設(shè)孔口斷面面積A，收縮斷面積，收縮斷面積Ac，則定義收縮系數(shù)，則定義收縮系數(shù) =Ac/A4 p0=pc=pa=0H011ccpaHdg22002200022ccclppHh

4、gggg 20002HHg 令2002clfmhhhg200()2ccHg000122ccgHgH孔口局部孔口局部阻力系數(shù)阻力系數(shù)孔口流孔口流速系數(shù)速系數(shù) 00111c收縮斷面流速收縮斷面流速 5孔口流量孔口流量 如流速如流速v00，H0 H,則則 0022ccQAAgHAgH02cgH收縮斷面流速收縮斷面流速 孔口流量系孔口流量系數(shù)數(shù)= 22cgHQAgH圓形小孔口在圓形小孔口在Re很大時，局部阻力系數(shù)很大時，局部阻力系數(shù)0 0=0.06=0.06001110.97110.06c0.64 0.970.6263、淹沒出流淹沒出流 Submerged Dischargev定義：定義：水經(jīng)孔口直接

5、流入另水經(jīng)孔口直接流入另一部分水中一部分水中v列伯諾里方程列伯諾里方程 H0H11-1HH2v2v1g2222g2211vc2-212120apppHHH，221 12 2022ggHH 令2002()clsegHh se水流由孔口流出后突然擴(kuò)大的局部阻力系數(shù)水流由孔口流出后突然擴(kuò)大的局部阻力系數(shù)2(1)cseAA當(dāng)當(dāng)AcA時，時， se=1lhggpHggpH2222222111vv7收縮斷面流速收縮斷面流速 孔口流量孔口流量 00000112221csegHgHgH0022ccQAAgHAgH 注意注意：自由出流自由出流H值系水面至孔口形心的深度；值系水面至孔口形心的深度； 淹沒出流淹沒出

6、流H值系孔口上、下游水面高差。值系孔口上、下游水面高差。 流速與孔口在水下深度無關(guān)流速與孔口在水下深度無關(guān) 2 =8二、孔口的變水頭出流二、孔口的變水頭出流v孔口出流過程中，容器內(nèi)水位隨時間變化（降低或升孔口出流過程中，容器內(nèi)水位隨時間變化（降低或升高），導(dǎo)致孔口的流量隨時間變化的流動高），導(dǎo)致孔口的流量隨時間變化的流動v變水頭出流是非恒定流變水頭出流是非恒定流v容器泄流時間、蓄水庫流量調(diào)節(jié)等問題容器泄流時間、蓄水庫流量調(diào)節(jié)等問題21122()22HHFdhFtHHAghAgmax11122222QVgHAFHgAHFt 結(jié)論結(jié)論：在變水頭情況下，等橫截面柱形容器放空（或充在變水頭情況下，等橫

7、截面柱形容器放空（或充滿）所需時間等于在起始水頭滿）所需時間等于在起始水頭H1下按恒定情況下按恒定情況流出液體所需時間的流出液體所需時間的兩倍兩倍。F1-12-2HdHH1H2A9第二節(jié)第二節(jié) 管嘴出流管嘴出流Nozzle Discharge定義：定義：在孔口上對接長度為在孔口上對接長度為3434倍孔徑的短管，經(jīng)此短倍孔徑的短管，經(jīng)此短管并在出口斷面管并在出口斷面滿管滿管流出的水力現(xiàn)象流出的水力現(xiàn)象應(yīng)用：應(yīng)用：消防、水力機(jī)械化施工用水槍消防、水力機(jī)械化施工用水槍一、圓柱形外管嘴恒定出流一、圓柱形外管嘴恒定出流H01-1c-cHg2200pa2-2vvCv0v流動過程：流動過程： 水流在距進(jìn)口不

8、遠(yuǎn)處形成水流在距進(jìn)口不遠(yuǎn)處形成收縮斷面收縮斷面c-c，在收縮斷面處水，在收縮斷面處水流與管壁脫離，并形成流與管壁脫離，并形成旋渦區(qū)旋渦區(qū)。其后水流在其后水流在出口滿管出流出口滿管出流10v列伯諾里方程列伯諾里方程 222000222aanppHggggg 2200022nHHgg 令10022nngHgH 0022gHAgHAQnnn管嘴局部損失系數(shù)，即管道銳緣進(jìn)口損失系數(shù)管嘴局部損失系數(shù)，即管道銳緣進(jìn)口損失系數(shù)n=0.5 11v結(jié)論結(jié)論：在相同水頭在相同水頭H0的作用下，同樣斷面面積的管嘴的作用下，同樣斷面面積的管嘴的過流能力是孔口的的過流能力是孔口的1.32倍倍，n=1.32v對比對比孔口

9、管嘴出流的各項(xiàng)系數(shù)孔口管嘴出流的各項(xiàng)系數(shù)82. 0nn82. 05 . 0111nn收縮系數(shù) 局部阻力系數(shù)流速系數(shù) 流量系數(shù) 孔口出流0.640.060.970.62管嘴出流10.50.820.8212二、收縮斷面的真空二、收縮斷面的真空 孔口外接短管成為管嘴，增加阻力孔口外接短管成為管嘴，增加阻力, 但流量不減反增但流量不減反增,是由于收縮斷面處真空的作用是由于收縮斷面處真空的作用.1、列、列c-c和和2-2斷面伯諾里方程斷面伯諾里方程H01-1c-cHg2200pa2-2vvCv022200222cccaseppggggg 222222acccseppgggg 1ccAA局部損失主要發(fā)生在

10、水流突然擴(kuò)大上局部損失主要發(fā)生在水流突然擴(kuò)大上 22) 11() 1(cseAA13將各項(xiàng)系數(shù)將各項(xiàng)系數(shù)c=1,=0.64,=0.82代入上式代入上式2222v02211(1)12ccpHggv00.75pgH 比較孔口自由出流和管嘴出流，前者收縮斷比較孔口自由出流和管嘴出流，前者收縮斷面在大氣中，后者為真空區(qū)，真空高度達(dá)作用水面在大氣中，后者為真空區(qū)，真空高度達(dá)作用水頭的頭的0.75倍。相當(dāng)于把孔口的作用水頭增大倍。相當(dāng)于把孔口的作用水頭增大75，這正是圓柱形外管嘴流量比孔口流量大的原因。這正是圓柱形外管嘴流量比孔口流量大的原因。 14三、三、圓柱形外管嘴正常工作條件圓柱形外管嘴正常工作條件

11、1、作用水頭作用水頭 當(dāng)收縮斷面真空高度超當(dāng)收縮斷面真空高度超過過7m水柱水柱，空氣將會從管，空氣將會從管嘴出口斷面嘴出口斷面“吸入吸入”，使得，使得收縮斷面的真空被破壞，管收縮斷面的真空被破壞，管嘴不能保持滿管出流。為限嘴不能保持滿管出流。為限制收縮斷面的真空高度，規(guī)制收縮斷面的真空高度，規(guī)定管嘴作用水頭的限值為定管嘴作用水頭的限值為v00.75pgHmH975. 070v7pmgc-cHvC152、管嘴長度、管嘴長度 對管嘴的長度也有一定限制。對管嘴的長度也有一定限制。 長度過短，流束收縮后來不及擴(kuò)大到整個出口斷面，長度過短，流束收縮后來不及擴(kuò)大到整個出口斷面，收縮斷面的真空不能形成，管嘴仍不能發(fā)揮作用；收縮斷面的真空不能形成，管嘴仍不能發(fā)揮作用； 長度過長，沿程水頭損失不容忽略，管嘴出流變?yōu)殚L度過長，沿程水頭損失不容忽略，管嘴出流變?yōu)槎坦芰鲃印６坦芰鲃印?3、圓柱形外管嘴正常工作條件、圓柱形外管嘴正常工作條件 作用水頭：作用水頭：H9m 管嘴長度：管