薄壁小孔口恒定出流

第十一章孔口、管嘴、閘孔出流

及堰流

概念第一節(jié)薄壁小孔口恒定出流

一、薄壁小孔口恒定自由出流二、小孔口的淹沒出流

三、影響孔口出流流量系數(shù)

的因素第二節(jié)管嘴出流第三節(jié)孔口的非恒定泄流第四節(jié)閘孔出流第五節(jié)堰流

概念一、孔口出流（OrificeDischarge）：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。

paHd應(yīng)用：排水工程中各類取水，泄水閘孔，以及某些量測(cè)流量設(shè)備均屬孔口。二、管嘴出流（NozzleDischarge）：在孔口上連接長(zhǎng)為3~4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。應(yīng)用：消防水槍和水力機(jī)械化施工用水槍。H000ccHPa11vCv0v第一節(jié)薄壁小孔口恒定出流第一節(jié)薄壁小孔口恒定出流一、孔口出流分類小孔口（SmallOrifice）：當(dāng)孔口直徑d（或高度e）與孔口形心以上的水頭高度H的比值小于0.1，即d/H<0.1時(shí)，可認(rèn)為孔口射流斷面上的各點(diǎn)流速相等，且各點(diǎn)水頭亦相等，這時(shí)的孔口稱為小孔口。大孔口（BigOrifice）：當(dāng)孔口直徑d（或高度e）與孔口形心以上的水頭高H的比值大于0.1，即d/H>0.1時(shí)，需考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。1、根據(jù)d/H的比值大小分：大孔口、小孔口paHd恒定出流（SteadyDischarge）：當(dāng)孔口出流時(shí)，水箱中水量如能得到源源不斷的補(bǔ)充，從而使孔口的水頭不變，此時(shí)的出流稱為恒定出流。非恒定出流（UnsteadyDischarge）：當(dāng)孔口出流時(shí)，水箱中水量得不到補(bǔ)充，則孔口的水頭不斷變化，此時(shí)的出流稱為非恒定出流。3、根據(jù)孔口水頭變化情況分：恒定出流、非恒定出流第一節(jié)薄壁小孔口恒定出流2、根據(jù)出流條件分：自由出流、淹沒出流淹沒出流（SubmergedDischarge）：若經(jīng)孔口流出的水流不是進(jìn)入空氣，而是流入下游水體中，致使孔口淹沒在下游水面之下，這種情況稱為淹沒出流。自由出流（FreeDischarge）：若經(jīng)孔口流出的水流直接進(jìn)入空氣中，此時(shí)收縮斷面的壓強(qiáng)可認(rèn)為是大氣壓強(qiáng)，即pc=pa

，則該孔口出流稱為孔口自由出流。第一節(jié)薄壁小孔口恒定出流薄壁孔口（Thin-wallOrifice）：當(dāng)孔口具有銳緣時(shí)，孔壁與水流僅在一條周線上接觸，即孔口的壁厚對(duì)出流并不發(fā)生影響。這種孔口叫做薄壁孔口。

薄壁孔口厚度小于孔徑或孔高的三倍4、根據(jù)孔口厚度和形狀：薄壁孔口出流、厚壁孔口出流厚壁孔口（Thick-wallOrifice）：當(dāng)孔口具有一定厚度時(shí)，孔壁與水流僅在面上接觸。這種孔口叫做厚壁孔口。孔口厚度大于孔徑或孔高的3—4倍，成為管嘴出流。二、薄壁小孔口恒定自由出流收縮斷面與收縮系數(shù)收縮系數(shù)：是指收縮斷面面積與孔口斷面面積之比，以

表示。根據(jù)試驗(yàn)資料，收縮斷面直徑dc=0.8d。H000ccpaHd第一節(jié)薄壁小孔口恒定出流薄壁小孔口恒定自由出流的流速與流量計(jì)算考慮到：1）小孔口自由出流，則有pc=pa；2）水箱中的微小水頭損失可忽略不計(jì)，則有hw=hj=

0

c2/2g。H000ccpaHd斷面0-0和收縮斷面C-C，列能量方程令則——流速系數(shù)，，是收縮斷面的實(shí)際流體流速vc對(duì)理想流體流速的比值。圓形小孔口在Re很大的時(shí)候，流速系數(shù)，流徑小孔口的局部阻力系數(shù)。則有：——孔口的流量系數(shù)，，對(duì)于薄壁小孔口：——作用水頭（包括行進(jìn)流速）；式中：——水流經(jīng)孔口的局部阻力系數(shù)；第一節(jié)薄壁小孔口恒定出流三、小孔口的淹沒出流說明：小孔口淹沒出流時(shí)的作用水頭全部轉(zhuǎn)化為水流流經(jīng)孔口和從孔口流出后突然擴(kuò)大的局部水頭損失。列斷面1-1與斷面2-2的能量方程令且：則式中：——水流經(jīng)孔口的局部阻力系數(shù)，

——水流由孔口流出后突然擴(kuò)大的局部阻力系數(shù)，有。時(shí)，。當(dāng)?shù)谝还?jié)薄壁小孔口恒定出流H0H11122HH2v2v1vc——孔口淹沒出流的流量系數(shù)，可取與自由出流時(shí)的流量系數(shù)相同，即。式中：

注意：自由出流時(shí)，水頭H系水面至孔口形心的深度；

淹沒出流時(shí)，水頭H值系孔口上、下游水面高差。流速、流量與孔口在水面下的深度無關(guān)，所以也無“大”，“小”孔口區(qū)別。第一節(jié)薄壁小孔口恒定出流Q1Q2Q1<Q2Q1Q2Q1=Q2四、影響孔口出流流量系數(shù)

的因素

在邊界條件中，影響

c的因素有：孔口形狀、孔口邊緣情況、孔口在壁面上的位置三個(gè)方面?？卓谛螤顚?duì)

的影響實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于小孔口，不同形狀孔口的流量系數(shù)影響不大。孔口邊緣情況對(duì)

的影響孔口邊緣情況對(duì)收縮系數(shù)會(huì)有影響：

薄壁孔口的收縮系數(shù)最?。?/p>

=0.64），

圓邊孔口收縮系數(shù)較大，甚至等于1。第一節(jié)薄壁小孔口恒定出流

全部收縮孔口（FullContrastiveOrifice）：

當(dāng)孔口的全部邊界都不與相鄰的容器底邊和側(cè)邊重合時(shí)，孔口出流時(shí)的四周流線都發(fā)生收縮，這種孔口稱為全部收縮孔口(如a,b)。

完善收縮（PerfectContraction）：凡孔口與相鄰壁面的距離大于同方向孔口尺寸的3倍（l>3a或

l>3b），孔口出流的收縮不受距壁面遠(yuǎn)近

的影響，這就是完善收縮(如a)。

不完善收縮(Non-PerfectContraction)：不滿足上述條件的孔口出流為不完善收縮(如b)。全部收縮孔口又分完善收縮和不完善收縮?？卓谠诒诿嫔系奈恢脤?duì)

的影響孔口在壁面上的位置對(duì)收縮系數(shù)有直接的影響。cdaal>3abbL>3b第一節(jié)薄壁小孔口恒定出流1、什么是小孔口、大孔口？各有什么特點(diǎn)？2、小孔口自由出流與淹沒出流的流量計(jì)算公式有何不同？3、影響孔口出流流量系數(shù)

的因素有哪些？影響較大的因素為哪個(gè)？Hh1234、水位恒定的上、下游水箱，箱內(nèi)水深為H和h。三個(gè)直徑相等的薄壁孔口1、2、3位于隔板上的不同位置，均為完全收縮。問：三孔口的流量是否相等？為什么？若下游水箱無水，情況又如何？1=2，3不等；三孔不等第二節(jié)管嘴出流按管嘴的形狀和裝置情況分圓柱形外管嘴：先收縮后擴(kuò)大到整滿管。流線形外管嘴：無收縮擴(kuò)大，阻力系數(shù)最小。水壩泄流圓錐形擴(kuò)張管嘴：較大過流能力，較低出口流速。引射器，小輪機(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，消防用噴嘴。管嘴出流分類一、圓柱形外管嘴的恒定出流H000ccHPa11vCv0v設(shè)水箱水位保持不變，表面為大氣壓強(qiáng)，管嘴為自由出流，則由斷面0-0與1-1的能量方程得：結(jié)論：在相同水頭H0的作用下，同樣斷面面積的管嘴的過流能力是孔口的

1.32倍。——管嘴流量系數(shù)，因出口無收縮，——管嘴流速系數(shù)，圓柱形外管嘴的正常工作條件是：（1）作用水頭（2）管嘴長(zhǎng)度式中：——管嘴的局部水頭損失，等于進(jìn)口損失與收縮斷面后的擴(kuò)大損失之和（忽略管嘴沿程水頭損失），即?！茏熳枇ο禂?shù)，即管道銳緣進(jìn)口局部阻力系數(shù)，??；第三節(jié)管嘴出流圓柱形管嘴水流在收縮斷面處出現(xiàn)真空，真空度為：二、圓柱形外管嘴的真空斷面1-1與斷面c-c寫能量方程：連續(xù)性方程第三節(jié)管嘴出流

結(jié)論：圓柱形管嘴收縮斷面處真空度可達(dá)作用水頭的0.75倍。相當(dāng)于把管嘴的作用水頭增大了75%。這就是相同直徑、相同