流体力学Char06 孔口管嘴和有压管道流动20081124

1、温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学管网的水力计算管网的水力计算 孔口、管嘴恒定出流的水力计算孔口、管嘴恒定出流的水力计算 有压管路恒定流动的水力计算有压管路恒定流动的水力计算 离心式水泵的水力计算离心式水泵的水力计算温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学 以上各章中讨论了液体运动的基本规律，导以上各章中讨论了液体运动的基本规律，导出了水力学的基本方程出了水力学的基本方程

2、连续方程、能量方程连续方程、能量方程及动量方程，并阐述了水头损失的计算方法，应及动量方程，并阐述了水头损失的计算方法，应用这些基本原理即可研究解决工程中常见的水力用这些基本原理即可研究解决工程中常见的水力计算问题，如有压管道中的恒定流、明渠恒定流计算问题，如有压管道中的恒定流、明渠恒定流及水工建筑物的水力计算等。及水工建筑物的水力计算等。 本章讨论的重点是孔口、管嘴和有压管中恒本章讨论的重点是孔口、管嘴和有压管中恒定流的水力计算。定流的水力计算。即短管（水泵装置、虹吸管、即短管（水泵装置、虹吸管、倒虹吸管）、长管的水力计算和测压管水头线和倒虹吸管）、长管的水力计算和测压管水头线和总水头线的绘制

3、。总水头线的绘制。温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学w 0dl孔口10Hd 10Hd 小孔口大孔口w 43dl管嘴w 4dl管路10004dl短管1000dl长管简单管路复杂管路复杂管路串联管路并联管路管网枝状管网环状管网温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学 6.1.1.16.1.1.1孔口出流孔口出流（orifice discharge） 在容器壁上开孔，水经孔口流出的水力现象就称为孔口出在容器壁上开孔，水经孔口流出的水力现象就称为孔口出流，如图。应用：排水工程中各类取水，泄水闸孔，以及流，如图。应用：排水工程中各类取水，泄水闸孔，以及某些量

4、测流量设备均属孔口。某些量测流量设备均属孔口。 温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学1.1.根据根据d/Hd/H的比值大小可分为：的比值大小可分为：大孔口、小孔口大孔口、小孔口 ：当孔口直径：当孔口直径d（或高度（或高度e）与孔口形心以上的水头）与孔口形心以上的水头高高H的比值大于的比值大于0.1，即，即时，时，需考虑在孔口射流断面上各点的水头、需考虑在孔口射流断面上各点的水头、压强、速度沿孔口高度的变化，这时压强、速度沿孔口高度的变化，这时的孔口称为大孔口。的孔口称为大孔口。 ：当孔口直：当孔口直径径d（或高

5、度（或高度e）与孔口形心以上的水）与孔口形心以上的水头高度头高度H的比值小于的比值小于0.1，即，即时，可认为孔口射流断面上的各点流时，可认为孔口射流断面上的各点流速相等，速相等， 且各点水头亦相等，这时且各点水头亦相等，这时的孔口称为小孔口。的孔口称为小孔口。温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学2.2.根据出流条件的不同，可分为自由出流和淹没出流根据出流条件的不同，可分为自由出流和淹没出流 ：若经孔口流出的水流直接进：若经孔口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，则该孔口出流称为孔口

6、自由出流。则该孔口出流称为孔口自由出流。 ：若经孔口流出的水流：若经孔口流出的水流不是进入空气，而是流入下游水体中，致使孔口淹没在下游水不是进入空气，而是流入下游水体中，致使孔口淹没在下游水面之下，这种情况称为淹没出流。面之下，这种情况称为淹没出流。 温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学3.3.根据孔口水头变化情况，出流可分为：恒定出流、根据孔口水头变化情况，出流可分为：恒定出流、非恒定出流非恒定出流 ：当孔口出流时，水箱：当孔口出流时，水箱中水量如能得到源源不断的补充，从而使孔口的水头不变，中水量如能得到源源不断的补充，从而使孔口的水头不变，此时的出流称为恒定出流。此

7、时的出流称为恒定出流。 ：当孔口出流时，：当孔口出流时，水箱中水量得不到补充，则孔口的水头不断变化，此时的水箱中水量得不到补充，则孔口的水头不断变化，此时的出流称为非恒定出流。出流称为非恒定出流。 一、薄壁孔口一、薄壁孔口 薄壁孔口（薄壁孔口（thin-wall orifice）：）：当当孔口具有锐缘时，孔壁与水流仅在孔口具有锐缘时，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。这种孔口叫做出流并不发生影响。这种孔口叫做薄壁孔口。薄壁孔口。l/d 二、薄壁小孔口恒定自由出流二、薄壁小孔口恒定自由出流 液流从各个方向涌向孔口，由于惯液流从各个方向涌向

8、孔口，由于惯性作用，流线只能逐渐弯曲，水股性作用，流线只能逐渐弯曲，水股在出口后继续收缩，直至离开孔口在出口后继续收缩，直至离开孔口1/2孔径处，过流断面达到最小，孔径处，过流断面达到最小，此断面即为收缩断面此断面即为收缩断面CC断面。断面。根据试验资料，收缩断面直径根据试验资料，收缩断面直径dc=0.8d。 2温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学 收缩系数：是指收缩断面面积收缩系数：是指收缩断面面积Ac与孔口断面面积与孔口断面面积A之比，以之比，以表示。表示。 断面断面0-0和收缩断面和收缩断面C-C，列能量方程，列能量方程 考虑到：考虑到： 1）小孔口自由出流，则有

9、）小孔口自由出流，则有pc=pa； 2）水箱中的微小水头损失可忽略）水箱中的微小水头损失可忽略不计，主要是流经孔口的局部水不计，主要是流经孔口的局部水头损失。头损失。 则有则有hw=hj=0vc2/2g。0：流经孔口的局部损失因素。：流经孔口的局部损失因素。令令则则图中取基准面图中取基准面O-O ，列断面，列断面1-1与断面与断面2-2的能量方程的能量方程 因因令令则则温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学 在边界条件中，影响在边界条件中，影响的因素有：孔口形状、孔口边的因素有：孔口形状、孔口边缘情况、孔口在壁面上的位置三个方面。缘情况、孔口在壁面上的位置三个方面。 实验

10、证明，对于小孔口，不同形状孔口的流量系数影响实验证明，对于小孔口，不同形状孔口的流量系数影响不大。不大。 孔口边缘情况对收缩系数会有影响：孔口边缘情况对收缩系数会有影响： 薄壁孔口的收缩系数最小（薄壁孔口的收缩系数最小（=0.64），）， 圆边孔口收缩系数圆边孔口收缩系数较大，甚至等于较大，甚至等于1。 孔口在壁面上的位置对收缩系数有直接的影响，如图。孔口在壁面上的位置对收缩系数有直接的影响，如图。 全部收缩孔口（全部收缩孔口（full contrastive orifice）：当孔口的全：当孔口的全部边界都不与相邻的容器底边和侧边重合时，孔口出流时部边界都不与相邻的容器底边和侧边重合时，孔口

11、出流时的四周流线都发生收缩，这种孔口称为全部收缩孔口的四周流线都发生收缩，这种孔口称为全部收缩孔口 (如如A, B) 。 全部收缩孔口又分完善收缩和不完善收缩。全部收缩孔口又分完善收缩和不完善收缩。 完善收缩（完善收缩（perfect contraction）：凡孔口与相邻壁面的距离大于：凡孔口与相邻壁面的距离大于同方向孔口尺寸的同方向孔口尺寸的3倍（倍（L3a或或L3b），孔口出流的收缩不受距壁面），孔口出流的收缩不受距壁面远近的影响，这就是完善收缩远近的影响，这就是完善收缩(如如A) 。孔口收缩因素。孔口收缩因素0.630.64，孔，孔口流速因素口流速因素0.970.98， 孔口流量因素孔

12、口流量因素0.600.62。 不完善收缩不完善收缩(non-perfect contraction) ：不满足上述条件的孔：不满足上述条件的孔口出流为不完善收缩口出流为不完善收缩(如如B) 。 注：不完善收缩、不完全收缩的流量注：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。系数较完善收缩、完全收缩的流量系数大。 温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学 当液体通过大孔口出流时，可看成是由许多小孔口出流当液体通过大孔口出流时，可看成是由许多小孔口出流组成，而后予以积分求其流量总和，如图。组成，而后予以积分求其流量总和，如图。 注意：（注意：（1）大孔口的

13、收缩系数较小孔口大，故流量系数）大孔口的收缩系数较小孔口大，故流量系数亦较小孔口大。但在工程中，仍采用。亦较小孔口大。但在工程中，仍采用。 大孔口淹没出流时流量计算公式同小孔口淹没出流流量计大孔口淹没出流时流量计算公式同小孔口淹没出流流量计算公式算公式 。温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学 （nozzle discharge） ：在孔口周边连接一长为：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。的水力现象，称为管嘴出流。 按管嘴的形状和装置情况分：按管嘴的形状和装置情况分：温

14、州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学gvHB2120流速流速002211gHgHvB流量流量0022gHAgHAAvQB82. 0真空的抽吸作用，流量增加真空的抽吸作用，流量增加. .对锐缘进口的管嘴，对锐缘进口的管嘴，=0.5，82. 05 . 011温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学防止气蚀防止气蚀列列C-C、B-B断面能量方程断面能量方程wBBCChgvgpgvgp2222gvdlhBw22AvAvBCC连续性方程连续性方程取取AAC21102gHvB82. 002. 03dlaBpp 解得解得C-C断面真空值断面真空值075. 0Hgpp

15、Ca允许真空值允许真空值 mhv7mH3 . 975. 070H0的极限值的极限值管嘴正常使用条件之一管嘴正常使用条件之一管嘴正常使用条件之二管嘴正常使用条件之二dl43温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学（a a）圆柱外伸管嘴；）圆柱外伸管嘴；（b b）圆柱内伸管嘴）圆柱内伸管嘴 ；（c c）外伸收缩型管嘴）外伸收缩型管嘴 ；（d d）外伸扩张型管嘴）外伸扩张型管嘴 ；（e e）流线型外伸管嘴）流线型外伸管嘴 类型特点损失较大，流量较大0.50.8210.82损失大、隐蔽10.7110.71损失小、速度大（消防龙头）0.090.960.980.95损失大、流速低、压力

16、大（扩压管）40.4510.45损失小、动能大、流量大0.040.9810.98温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学解：设孔口的流量为q212hhgAq62. 01112ghAq82. 012222ghAq82. 02连续性方程21qqQ2qq 解得sLq/501sLq/302温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学dtghAQdt2dhAdvhdhgAAdtdhAdtghAoo2221)(22221HHooHHgAAhdhgAATmax11122222QVgHAHAgAHAToo上式说明，

17、变水头的放空时间等于同水头上式说明，变水头的放空时间等于同水头1作用下恒定作用下恒定流泄放同体积的液体所需时间的两倍。流泄放同体积的液体所需时间的两倍。温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学10004dlmfwhhh温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学ggdlhhhjfw2222dlc0211gHc002211gHAgHAAqccV温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学sH vhldQ、弯进吸温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学温州大学本科生课

18、程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学世界上世界上最大直径的虹吸管最大直径的虹吸管(右侧直径右侧直径1520毫毫米、左侧米、左侧600毫米毫米),虹吸高度均为八米，虹吸高度均为八米，犹如一条巨龙伴游犹如一条巨龙伴游一条小龙匐卧在浙一条小龙匐卧在浙江杭州萧山区黄石江杭州萧山区黄石垅水库大坝上，尤垅水库大坝上，尤为壮观，为壮观，温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学例题例题温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学6.5.1 6.5.1 简单管路简单管路6.5.2 6.5.2 串联管路串联管路

19、6.5.3 6.5.3 并联管路并联管路6.5.4 6.5.4 沿程均匀泄流管路沿程均匀泄流管路温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学1000dlfwhh022gv温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学d、Q沿程不变的管路，称为简单管路。H001122ld,w 伯努利方程伯努利方程ffhHhH00000全部作用水头均消耗在沿程水头损失上。温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学w 连续性方程连续性方程24dQvfh222SlQgvdlhf24dQv称为比阻称为比阻。dfdgS,852温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学

20、工程流体力学四、串联管路温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学w 2SlQhHf（能量关系）（能量关系）w iiiqQQ1（流量关系）（流量关系）温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学五、并联管路温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学w iiqQQ（流量关系）（流量关系）w ABffffhhhh321（能量关系）（能量关系）温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学 gHQNeXeNNvh温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学温州

21、大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学gHQNeXeNN温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学nnddHH ,孔口孔口182. 097. 022nnnngHgHvv孔口孔口孔口孔口182. 062. 022nnnnngHAgHAQQ孔口孔口孔口孔口孔口温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学vhldQ、弯进吸，求水泵安装高度 。sH从 12 建立伯努利方程，有gvgvgvdlgvgpHs222200022222弯进吸温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学gvdlgpHs222弯进吸gvdlhv22弯进吸 gvdl

22、hHvs22max弯进吸 vhOHm2 87 hv实际的安装高度实际的安装高度 只要小于或等于只要小于或等于 ，即可，即可。sHmaxsH温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学bellHHd、2121vh温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学gvdllHsebe2)(000002211sebedllgHv211224dAvQsebedllgH2112温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学gvdlgvgpHHgpHbeAa2)(20212211gvdlHgpphbeAav2)(212得A点真空度温州大学本科生课程温州大学本科生课程

23、工程流体力学工程流体力学已知图示并联管路的已知图示并联管路的 ，试求试求 。 3213212323SSSlllQ、321QQQ、QQQQQlSQlSQlS321233322222111QQQQQ73,72231温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学温州大学本科生课程温州大学本科生课程工程流体力学工程流体力学 设简单管道长度为设简单管道长度为l，恒定流时直径为，恒定流时直径为d，流速为，流速为v0，压强为，压强为p0，如阀门突然完全关闭，则紧靠阀，如阀门突然完全关闭，则紧靠阀门的一层水突然停止流动，速度由门的一层水突然停止流动，速度由v0骤变为零。骤变为零。 根据动