流体力学5-1、2

1、概述：概述： （1 1）孔口出流）孔口出流 （2 2）管嘴出流管嘴出流 （3 3）管路流动（有压流管路流动（有压流) ) 输水管、输油管、供热管路、窗户通风、空调输水管、输油管、供热管路、窗户通风、空调出口等出口等 有压管流水力计算类型：有压管流水力计算类型： （A A）输水能力的计算输水能力的计算 。 （B B） 设计（确定）管径。设计（确定）管径。 （C C）水泵、风机流量扬程。水泵、风机流量扬程。 第五章 孔口、管嘴与管路流动 第五章 孔口、管嘴与管路流动5-1 5-1 孔口自由出流孔口自由出流5-2 5-2 孔口淹没出流孔口淹没出流5-3 5-3 管嘴出流管嘴出流5-4 5-4 简单管

2、路简单管路5-5 5-5 管路的串联于并联管路的串联于并联5-6 5-6 管网计算基础管网计算基础5-7 5-7 有压管路的水击有压管路的水击概述概述 容器壁上开孔，水经孔口流出的水力现象称为容器壁上开孔，水经孔口流出的水力现象称为孔口出流；孔口出流；在孔口上连接长为在孔口上连接长为3 34 4倍孔径的短管，水经过短管并在出口倍孔径的短管，水经过短管并在出口断面满管流出的水力现象称为断面满管流出的水力现象称为管嘴出流管嘴出流。孔口出流在工程技孔口出流在工程技术中有着广泛的应用，在许多领域都可以见到。例如，术中有着广泛的应用，在许多领域都可以见到。例如，水利工程上的闸孔，水力采煤用的水枪，汽车发

3、动机的汽化水利工程上的闸孔，水力采煤用的水枪，汽车发动机的汽化器，柴油机的喷嘴，以及液压技术中油液流经滑阀、锥阀、器，柴油机的喷嘴，以及液压技术中油液流经滑阀、锥阀、阻尼孔等都可归纳为孔口出流问题。给排水工程中各类取水、阻尼孔等都可归纳为孔口出流问题。给排水工程中各类取水、泄水闸孔，以及某些量测流量设备均属孔口；水流经过路基泄水闸孔，以及某些量测流量设备均属孔口；水流经过路基下的有压涵管、水坝中泄水管等水力现象与管嘴出流类似，下的有压涵管、水坝中泄水管等水力现象与管嘴出流类似，此外，还有消防水枪和水力机械化施工用水枪都是管嘴的应此外，还有消防水枪和水力机械化施工用水枪都是管嘴的应用。用。 孔口

4、、管嘴出流和有压管流的水力计算，是连续性方程孔口、管嘴出流和有压管流的水力计算，是连续性方程、能量方程以及流动阻力和水头损失规律的具体应用。、能量方程以及流动阻力和水头损失规律的具体应用。5.15.1孔口自由出流孔口自由出流p、孔口出流的分类：、孔口出流的分类： (1) (1)小孔口与大孔口小孔口与大孔口 小孔口小孔口 ，大孔口，大孔口 （2 2）孔口恒定出流与非恒定出流）孔口恒定出流与非恒定出流 （3 3）孔口自由出流与淹没出流）孔口自由出流与淹没出流 （4 4）薄壁孔口与厚壁孔口）薄壁孔口与厚壁孔口10/dH10/dHu.根据根据d/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

5、、小孔口 大孔口（大孔口（big orifice） ：当孔口直径：当孔口直径d（或高（或高度度e）与孔口形心以上的水头高）与孔口形心以上的水头高H的比值大于的比值大于0.1，即，即 时，需考虑在孔口射流断面时，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，上各点的水头、压强、速度沿孔口高度的变化，这时的孔口称为大孔口。这时的孔口称为大孔口。 小孔口（小孔口（small orifice ）：当孔口直径：当孔口直径d（或（或高度高度e）与孔口形心以上的水头高度）与孔口形心以上的水头高度H的比值小的比值小于于0.1，即，即 时，可认为孔口射流断面时，可认为孔口射流断面上的各点流速相等

6、，上的各点流速相等， 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。 10/dH10/dHu.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 自由出流（自由出流（free discharge）：）：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自由出流。，则该孔口出流称为孔口自由出流。 淹没出流（淹没出流（submerged discharge）：）：若经孔口流出的水若经孔口流出的水流不是进

7、入空气，而是流入充满液体的空间，这种情况称为流不是进入空气，而是流入充满液体的空间，这种情况称为淹没出流。淹没出流。u.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 恒定出流（恒定出流（steady discharge）：）：当孔口出流时，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，此时的出流称为恒定出流。的水头不变，此时的出流称为恒定出流。 非恒定出流（非恒定出流（unsteady discharge）：）：当孔口出流当孔口出流时，水箱中水量得不到补充，则孔口

8、的水头不断变时，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。化，此时的出流称为非恒定出流。43dl管嘴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5 51 1 孔口自由出流孔口自由出流1 1、薄壁小孔口、薄壁小孔口 如果液体具有一定的流速，能形成射流，且孔口具有尖锐的边缘，此时如果液体具有一定的流速，能形成射流，且孔口具有尖锐的边缘，此时边缘厚度的变化对于液体出流不产生影响，出流水股表面与孔壁可视为边缘厚度的变化对于液体出流不产生影响，出流水股表面与孔壁可视为环线环线接触，这种孔口称为薄壁小孔口。接触，这种孔

9、口称为薄壁小孔口。 2 2、厚壁孔口、厚壁孔口 如果液体具有一定的速度，能形成射流，此时虽然孔口也具有尖锐的边如果液体具有一定的速度，能形成射流，此时虽然孔口也具有尖锐的边缘，射流亦可以形成收缩断面，但由于孔壁较厚，壁厚对射流影响显著，射缘，射流亦可以形成收缩断面，但由于孔壁较厚，壁厚对射流影响显著，射流收缩后又扩散而附壁，这种孔口称为流收缩后又扩散而附壁，这种孔口称为厚壁孔口厚壁孔口或长孔口，有时也称或长孔口，有时也称为管嘴为管嘴。 特征：特征：3 3L/dL/d4 43 3、自由出流、自由出流 以出流的下游条件为衡量标准，如果流体经过孔口后出流于大气中时，以出流的下游条件为衡量标准，如果流

10、体经过孔口后出流于大气中时，称为自由出流。称为自由出流。4 4、薄壁小孔口的自由恒定出流的计算、薄壁小孔口的自由恒定出流的计算0fh取图中的1-1和c-c断面列伯努利方程：2211 122cc cmpvpvHhgggg其中： ； 得：2ccv2mhg1CHZZ2211 1()22ccccvppvHggg4 4、薄壁小孔口的自由恒定出流的计算、薄壁小孔口的自由恒定出流的计算定义作用水头作用水头：则得： 定义流速系数流速系数： （0.970.98）通过孔口的流量孔口的流量：定义收缩系数收缩系数：定义流量系数流量系数： 对于对于圆形薄壁小孔口，圆形薄壁小孔口，=0.600.62.211 102cpp

11、vHHgg0cc12gcvHcc10022vcccQv AAvAgHAgH/cAA （圆形薄壁小孔（圆形薄壁小孔0.62-0.640.62-0.64）4 4、薄壁小孔口的自由恒定出流的计算、薄壁小孔口的自由恒定出流的计算2cvgH2vQAgH2cpv1cpppgH （2）高压系统高压系统（ ），则有：2vpQA两种特例两种特例：（1）若容器上部为自由液面且小孔自由出流时，有：若容器上部为自由液面且小孔自由出流时，有： 5 5、全部收缩与非全部收缩、全部收缩与非全部收缩（1 1）全部收缩）全部收缩 孔口各个方向都发生收缩。全部收缩又分为： 完善收缩：孔口距离器壁很远，因此器壁对孔口的收缩情况毫无

12、影响。 非完善收缩：孔口四周都有收缩，但某一边距离器壁较近，其收缩情况受到器壁的影响，因而这种收缩称为非完全收缩。（2 2）非全部收缩）非全部收缩 孔口部分方向发生收缩，有的边根本不收缩。20)(64. 01AA)1 (XSC5 52 2 孔口淹没式出流孔口淹没式出流-液体（气体）出流于充满液体（气体）的空间液体（气体）出流于充满液体（气体）的空间 取符合渐变流条件的断面1-1，2-2列伯努利方程：222211 1222121212g2g222ccvvpvpvHHgggg式中：孔口处局部阻力系数；水流收缩后突然扩大的局部阻力系数，取1；0022ccQv AAgHAgH22121 12202pp

13、vvHHgg0000102122221121gHAgHAQgHgHgHvvc121111（与自由式出流公式完全相同与自由式出流公式完全相同）注意：孔口淹没出流的流速和流量均与孔口的淹没深度无关，只与上下游注意：孔口淹没出流的流速和流量均与孔口的淹没深度无关，只与上下游液面差有关。也无液面差有关。也无“大大”、“小小”孔口的区别孔口的区别。作用水头（作用水头（H=HH=H1 1- -H H2 2) )流速系数流速系数1)1 (222AAc讨论：1 自由与淹没出流流量计算公式相同：自由与淹没出流流量计算公式相同：02gHAQ 流速系数一样，但含义不同：自由出流流速系数一样，但含义不同：自由出流 =

14、1 淹没是突扩系数淹没是突扩系数 1 但作用水头不同：上下游位置水头差、压强水头差一样，但作用水头不同：上下游位置水头差、压强水头差一样，自由出流为自由出流为上游流速水头值上游流速水头值，而，而淹没出流为上下游流速水头差。淹没出流为上下游流速水头差。2 应用应用 （1）具有自由液面的淹没出流具有自由液面的淹没出流 ，当上下游液位差一定时，当上下游液位差一定时，Q与孔口与孔口在液下深度无关。在液下深度无关。 （2） 压力容器出流：自由压力容器出流：自由 淹没淹没 111gpHH00gpHH00c222)1 (AAc例5-1 有一孔板流量计，测得 ，管道D=200mm，孔板直径d=80mm,试求水管中流量。解：为液体淹没出流液体淹没出流，H1=H2, v1=v2,故有 d/D=80mm/200mm=0.4 ,一般流动在阻力平方区，查图5-6得Pap490mgPPH05. 08 . 9100049021061. 0smgHAQv/003038. 005. 08 . 92408. 061. 02320例5-2 如上题，孔板流量计装在气体管路中，其它条件不变，求气体流量解：为气体淹没出流：解：为气体淹没出流：d/D=0.4,d/D=0.4, 61. 0smpAQv/0876. 02 . 14902408. 061. 0