流体力学 第5章 孔口管嘴管路流动.ppt

第5章 孔口管嘴管路流动 重点掌握内容： 1）孔口出流的分类 2）薄壁、厚壁小孔口恒定出流 3）孔口出流系数 H O O C A AC D C v0 vC 孔口出流 概述 孔口出流： 在容器壁上 开孔，水经 孔口流出的 水力现象就 称为孔口出 流 C D 34D v C vc 分离、漩涡区 管嘴出流 在孔口周 边连接一长为 34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， 称为管嘴出流 。 v OO 1 1 2 2 H 有压管流 不同点：沿程损失不一样（见下表） 。 流动型式局部损失 沿程损失 孔口出流 管嘴出流很小，可忽略 有压管流 共同点：同属压力流动 第一节 孔口自由出流 一 、孔口出流分类 大孔口 1、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 2 、水头随 时间变化分 恒定出流 非恒定出流 小孔口 3 根据壁厚是否影响射流形状可分 薄壁孔口：壁厚不影响射流形状 厚壁孔口：壁厚影响射流形状 4 根据出流空间情况可分 自由出流：流体经孔口流入大气 淹没出流：流体经孔口流入同种流体中 二、薄壁孔口 薄壁孔口：当孔口具有锐缘时，孔壁与 水流仅在一条周线上接触，即孔口的壁厚对出流并 不发生影响。这种孔口叫做薄壁孔口。 三、薄壁小孔口恒定自由出流 1.收缩断面与收缩系数 根据试验资料，收缩断面直径dc=0.8d。 收缩系数：是指收缩断面面积Ac与孔口断面面 积A之比，以表示。 2.薄壁小孔口恒定自由出流的流速与流量计算 断面0-0和收缩断面C-C，列能 量方程 流速计算式 流量计算式 全部完善收缩孔口 孔口出流的各项系数 孔口出流的流速 系数和流量系数 值，决定了孔口 的局部阻力系数 和收缩系数。 孔口变水头出流 孔口变水头出流：孔口出流过程中 ，如容器内水位随时间降低或升高 ，导致孔口的流量随时间变化。 截面积为S的柱形容器，水 经孔口变水头自由出流 设孔口出流过程中，某时刻t孔口的水头为h ，在dt时间段内，孔口流出的液体体积为： 变水头出流时的泄空时间等于在起始水头H作 用下恒定出流流出同体积水所需时间的2倍。 1 第二节 小孔口淹没出流 1.损失 流量系数 流速系数 取基准面O-O ，列断面1-1与断面2-2的能量方程 流速计算式 流量计算式 注意： 自由出流时，水头H值系水面 至孔口形心的深度； 淹没出流时，水头H值系孔口上、下 游水面高差。流速、流量与孔口在水面下的 深度无关，所以也无“大”，“小”孔口区别。 考考你： n请写出图7-5中两个孔口Q1和 Q2的流量关系式（A1=A2)。 n图1：Q1 ？Q2； n图2：Q1 ？ Q2。（填、3a或L3b ），孔口出流的收缩不受距壁面远近的影 响，这就是完善收缩(如A) 。 不完善收缩：不满足上述条件的孔口 出流为不完善收缩(如B) 。 注：不完善收缩、不完全收缩的流量 系数较完善收缩、完全收缩的流量系数大 。 取过水断面o-o，管嘴出口断 面b-b，列能量方程： 管嘴出 流速度 管嘴出 流流量 管嘴出流 圆柱形外管嘴恒定出流 在直径为d的孔口上外 接长度为l=(34)d的 短管，就是圆柱形外 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。 管嘴出流的两个限制： （1）对收缩断面真空度的限制； （2）对管嘴长度的限制。 圆柱形外管嘴正常工作的条件： (1)作用水头 (2)管嘴长度 其他形式管嘴 圆椎形扩张管嘴，具有较大的过流能力和较低的出口流 速。 圆椎形收敛管嘴，具有较大的出口流速。 流线型管嘴，过流能力最大。 收缩断面的真空 列收缩断面CC和出口断面的能量方程 代入上式 连续性方程 H OO 1 1 VC 2 2 d l C C 代入相应 参数 由 表明在收缩断面的真空度是作用水头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。 作用水头H0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 1、作用水头 2、管嘴长度l=(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 第四节 简单管路 有压管道的分类 根据阻力在总阻力中的比重不同分为： “长”管：指管道中水头损失以沿程损失为主, 局部损失和流速水头所占比重较小，在计算中可忽 略不计的管道。 “短”管：指水头损失中，局部损失和沿程损 失都占有相当比重，均不能忽略的管道。 2 根据管道的布置方式不同分为 简单管道：单一直径没有分支的管道 复杂管道：两根以上管道所组成的管系 ，如串联管路、并联管路及管网等。 二、管路计算及阻抗 简单管路的水利计算 以连接水池的简单管路为例，取过水断面1-1，2-2，列能量方程： 其中：则： 长管的全部作用水头都消耗于沿程水头损失，总水头线是一根连接 水池水面和管道出口中心的直线，并与测压管水头线重合。 比 阻 Q3Q2 l1,d1 l2,d2 l3,d3 Q1 q1 q2 hf1 hf2 hf3 H 一、串联管路 串联管路 有压管路中的水击 第一阶段。增压波从阀门向管道进口传播阶段。 紧靠阀门的水体，速度由 变为零，相应压强升高 。随之 相邻水体相继停止流动，同时压强升高，这种减速增压的过 程是以波速a自阀门向上游传播，经过 后，水击波传 到水池。这时，全管液体处于被压缩状态。 第二阶段。减压波从管道进口向阀门传播阶段。 全管停止流动，压强增高只是暂时现象。由于上游水池体积很大 ，水池水位不受管路压力增高的影响而产生与 相应的流速 ，向水池流去。与此同时，被压缩的水体和膨胀了的管壁也都恢 复原状。至 时刻，整个管中都有正常压强 ，及向水 池流动的流速 。 第三阶段。减压波从阀门向管道进口传播阶段。 由于惯性作用，水仍向水池倒流，而阀门全关闭无水 补充，以致阀门端的水体必须首先停止运动， 变为 零，压强降低，密度减小，管壁收缩。这个减压波向 上游传播，在 时刻传至管道进口，全管处于瞬