流体力学_05孔口管嘴管路流动

1、2022-4-255.1 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 简单管路简单管路5.5 5.5 管路的串联与并联管路的串联与并联5.6 5.6 管网计算基础管网计算基础5.7 5.7 有压管中的水击有压管中的水击第五章第五章 孔口管嘴管路流动孔口管嘴管路流动2022-4-255.1 5.1 孔口自由出流孔口自由出流 在容器侧壁或底壁上开一孔口，在容器侧壁或底壁上开一孔口，容器中的液体自孔口出流到大气中，容器中的液体自孔口出流到大气中，称为孔口自由出流称为孔口自由出流 由于水在容器中流动的沿程损由于水在容器中流动的

2、沿程损失甚微，故仅在孔口处发生能量损失甚微，故仅在孔口处发生能量损失。右图所示为一具有锐缘的小孔失。右图所示为一具有锐缘的小孔口，出流流股与孔口壁接触仅是一口，出流流股与孔口壁接触仅是一条周线，当流体通过此接触壁面时，条周线，当流体通过此接触壁面时，由于流线不能成直线突然改变方向，由于流线不能成直线突然改变方向，只能以圆滑曲线逐渐弯曲。只能以圆滑曲线逐渐弯曲。2022-4-25薄壁小孔口出流公式薄壁小孔口出流公式2222CCCAAAACepVpVzzhgggg222000222CCCAAVVVHggg22022CCCVVHgg2()2CCVg012CCVgH1. 孔口自由出流令令2022-4-

3、2502cVgH012ccVgH称为速度系数，cAA称为收缩系数0022ccQAVAgHAgH 称为孔口流量系数，0.600.622022-4-252 . 收缩系数收缩系数全部收缩全部收缩非全部收缩非全部收缩完善收缩完善收缩不完善收缩不完善收缩全部收缩全部收缩非全部收缩非全部收缩 =0.620.64 =0.97 =0.600.62完善收缩的薄壁圆形小孔口完善收缩的薄壁圆形小孔口2022-4-255.2 5.2 孔口淹没出流孔口淹没出流 当液体通过孔口出流到另一个充满液体的空间时称为淹没出当液体通过孔口出流到另一个充满液体的空间时称为淹没出流，当液面为大气压时，根据伯努利能量方程，可写出：流，当

4、液面为大气压时，根据伯努利能量方程，可写出：令令2022-4-25n比较自由出流和淹没出流的基本公式比较自由出流和淹没出流的基本公式自由出流自由出流012ccVgH02QAgH淹没出流1212cVgH2QAgH2022-4-25当当p1 p2 0时，淹没出流流量分析：时，淹没出流流量分析：2022-4-25当为气体淹没出流时，其流量表达式为：当为气体淹没出流时，其流量表达式为：综上所述，当为液体淹没出流时：综上所述，当为液体淹没出流时：2022-4-25孔口淹没出流的应用孔口淹没出流的应用 在管道中装设孔板，测得孔板前后渐变断面上的压差，即可求得管中流量。这种装置叫孔板流量计。孔板流量计：孔板

5、流量计：2022-4-25 因为流量、管径在给定条件下不变，所以测压断面上流速相等，故BAppH0对于液体：对于气体：BAppp0孔板流量计：孔板流量计：2022-4-255.3 5.3 管嘴出流管嘴出流n圆柱形外管嘴出流圆柱形外管嘴出流 当圆孔壁厚当圆孔壁厚等于等于3-4d时，或者在孔口处外接一段时，或者在孔口处外接一段长长l3-4d的圆管时，此时的出流称为圆柱形外管嘴出的圆管时，此时的出流称为圆柱形外管嘴出流，外接短管称为管嘴。流，外接短管称为管嘴。2022-4-25令令2022-4-25对于锐缘进口：对于锐缘进口：2022-4-25n比较自由出流、淹没出流和管嘴出流流量计算的比较自由出流

6、、淹没出流和管嘴出流流量计算的基本公式基本公式淹没出流1212cVgH2QAgH012ccVgH02QAgH自由出流自由出流管嘴出流管嘴出流012cBVgH02QAgH流量系数相等，0.60.62流量系数=0.822022-4-25柱状管嘴内的真空度柱状管嘴内的真空度2200022cccBBlpVVhggg2222CCCBBBCBlpVpVzzhgggg2()2BlmVlhdg221(1) 2BlVlhdg2022-4-251cBcAVVVA22222cccVVgg221(1) 2BlVlhdg2200022cccBBlpVVhggg2022-4-250.64,0.02,3,0.82l d当时

7、00.75cappHgg2022-4-25n其它类型管嘴出流其它类型管嘴出流一、流线形管嘴一、流线形管嘴二、收缩圆锥形管嘴二、收缩圆锥形管嘴三、扩大圆锥形管嘴三、扩大圆锥形管嘴2022-4-25作业：作业：5-3，5-4，5-102022-4-255.4 简单管路简单管路4.1简单管路中的流动简单管路中的流动 为了研究流体在管路中流动规律，首先要讨论在简单管为了研究流体在管路中流动规律，首先要讨论在简单管路中的流动。所谓简单管路就是具有相同管径路中的流动。所谓简单管路就是具有相同管径d，相同流量，相同流量Q的管段，他们是组成各种复杂管路的基本单元。的管段，他们是组成各种复杂管路的基本单元。20

8、22-4-25令令则：则：2022-4-25对于风机带动的气体管路，有：对于风机带动的气体管路，有：令令则有：则有： 对已给定的管路是一个定数，它综合反映了管路对已给定的管路是一个定数，它综合反映了管路上的沿程阻力和局部阻力情况，故称为管路阻抗。引入这上的沿程阻力和局部阻力情况，故称为管路阻抗。引入这一概念对分析管路流动较为方便。一概念对分析管路流动较为方便。 两式所表示的规律为：简单管路中，总阻力损失与体积两式所表示的规律为：简单管路中，总阻力损失与体积流量平方成正比。流量平方成正比。2022-4-254.24.2水泵水泵水头水头 水泵水头（又称扬程）不仅用来克服流动阻水泵水头（又称扬程）不

9、仅用来克服流动阻力，还用来提高液体的位置水头、压强水头，使之力，还用来提高液体的位置水头、压强水头，使之流到高位压力水箱中。流到高位压力水箱中。 水泵水头水泵水头( (又称扬程又称扬程) )不仅用不仅用来克服流动阻力，还用来提高液来克服流动阻力，还用来提高液体的位置水头、压强水头，使之体的位置水头、压强水头，使之流到高位压力水箱中。流到高位压力水箱中。2022-4-254.34.3虹吸管虹吸管 所谓虹吸管即管道中一部分高出上游供水液面的所谓虹吸管即管道中一部分高出上游供水液面的简单管路。简单管路。2022-4-254.34.3虹吸管虹吸管令：令：于是于是式中式中2022-4-25虹吸管最大真空

10、高度虹吸管最大真空高度代入代入v得：得：2022-4-255.5 5.5 管路的串联与并联管路的串联与并联 任何复杂管路都是由简单管路经串联、并联组合而成。因任何复杂管路都是由简单管路经串联、并联组合而成。因此研究串联、并联管路的流动规律十分重要。此研究串联、并联管路的流动规律十分重要。 5.1串联管路串联管路 串联管路是由许多简单管路首尾相接组合而成，如图串联管路是由许多简单管路首尾相接组合而成，如图5-14所示。所示。2022-4-25节点节点：管段相接之点称为节点，如图中管段相接之点称为节点，如图中a点、点、b点。点。 在每一个节点上都遵循质量平衡原理，即流入的质量在每一个节点上都遵循质

11、量平衡原理，即流入的质量流量与流出的质量流量相等，当流量与流出的质量流量相等，当常数时，流入的体积常数时，流入的体积流量等于流出的体积流量，取流入流量为正，流出流量为流量等于流出的体积流量，取流入流量为正，流出流量为负，则对于每一个节点可以写出负，则对于每一个节点可以写出Q=0。因此对串联管路。因此对串联管路（无中途分流或合流）则有：（无中途分流或合流）则有：Q1=Q2Q3 因流量因流量Q各段相等，于是得各段相等，于是得 串联管路阻力损失，按阻力叠加原理有：串联管路阻力损失，按阻力叠加原理有：2022-4-255.2并联管路并联管路 流体从总管路节点流体从总管路节点a a上分出两根以上的管段，

12、而这些管上分出两根以上的管段，而这些管段同时又汇集到另一节点段同时又汇集到另一节点b b上，在节点上，在节点a a和和b b之间的各管段称之间的各管段称为并联管路，如图为并联管路，如图5-155-15所示。所示。 同串联管路一样，遵循质同串联管路一样，遵循质量平衡原理，量平衡原理，常数时，应常数时，应满足满足Q0，则。点上流量，则。点上流量为为2022-4-25 于是得到并联管路计算原则：并联节点上的总流量为各于是得到并联管路计算原则：并联节点上的总流量为各支管中流量之和；并联各支管上的阻力损失相等。总的阻抗支管中流量之和；并联各支管上的阻力损失相等。总的阻抗平方根倒数等于各支管阻抗平方根倒数

13、之和。平方根倒数等于各支管阻抗平方根倒数之和。设设S为并联管路的总阻抗，为并联管路的总阻抗，Q为总流量，则有：为总流量，则有：1231111()QHHSSSS代入式代入式有：有：2022-4-25 注意：注意：igQ 并联管路各段上的水头损失相等并不并联管路各段上的水头损失相等并不意味着它们的能量损失也相等，因为各段意味着它们的能量损失也相等，因为各段阻力不同，流量也就不同，以同样的水头阻力不同，流量也就不同，以同样的水头损失乘以不同的重力流量（即损失乘以不同的重力流量（即 ）所）所得到的各段功率损失是不同的。得到的各段功率损失是不同的。2022-4-255.6 管网计算基础按能量损失大小按能

14、量损失大小按管道系统结构按管道系统结构长管长管短管短管 凡局部阻力和出口速度水头凡局部阻力和出口速度水头在总的阻力损失中，其比例在总的阻力损失中，其比例不足不足 5 5 的管道系统，称为的管道系统，称为水力长管水力长管 在水力计算中，同时考虑在水力计算中，同时考虑沿程损失和局部损失的管沿程损失和局部损失的管道系统道系统 简单管道简单管道复杂管道复杂管道串联串联并联并联枝状枝状网状网状2022-4-256.1枝状管网枝状管网 例如，作为枝状管网类型之一，例如，作为枝状管网类型之一，图图517所给出的，是由三个吸气所给出的，是由三个吸气口，六根简单管路，并串联而成的口，六根简单管路，并串联而成的排

15、风枝状管网。排风枝状管网。 根据并、串联管路的计算原则，根据并、串联管路的计算原则，可得到该风机应具备的压头为可得到该风机应具备的压头为风机应具有的风量为风机应具有的风量为2022-4-25 常遇到的水力计算，基本有两类：常遇到的水力计算，基本有两类： 1管路布置已定，则管长管路布置已定，则管长L和局部构件的型式和数量均和局部构件的型式和数量均已确定。在已知各用户所需流量已确定。在已知各用户所需流量Q及末端要求压头及末端要求压头hc的条件的条件下，求管径下，求管径d和作用压头和作用压头H。 这类问题先按流量这类问题先按流量Q和限定流速和限定流速v求管径求管径d。所谓限定流。所谓限定流速，是专业

16、中根据技术、经济要求所规定的合适速度在这个速，是专业中根据技术、经济要求所规定的合适速度在这个速度下输送流量经济合理。如除尘管路中，防止灰尘沉积堵速度下输送流量经济合理。如除尘管路中，防止灰尘沉积堵塞管路，限定了管中最小速度；热水采暖供水干管中，为了塞管路，限定了管中最小速度；热水采暖供水干管中，为了防止抽吸作用造成的文管流量过少，而限定了干管的最大速防止抽吸作用造成的文管流量过少，而限定了干管的最大速度。各类管路有不同的限定流速，可在设计手册中查得。度。各类管路有不同的限定流速，可在设计手册中查得。 在管径在管径d确定之后，对枝状管网便可进行阻力计算。然确定之后，对枝状管网便可进行阻力计算。

17、然后按总阻力及总流量选择泵或风机。后按总阻力及总流量选择泵或风机。 2022-4-252已有泵或风机，即已知作用水头已有泵或风机，即已知作用水头H，并知用户所，并知用户所需流量需流量Q及末端水头及末端水头hc，在管路布置之后已知管长，在管路布置之后已知管长，求管径求管径d。在求出在求出J之后根之后根据据求出管径求出管径d，并定出局部构件型式及尺寸。，并定出局部构件型式及尺寸。最后进行校核计算，计算出总阻力与已知水头核对。最后进行校核计算，计算出总阻力与已知水头核对。这类问题首先按这类问题首先按H-hc求得单位长度上允许损失的水头。求得单位长度上允许损失的水头。2022-4-256.2环状管网环

18、状管网 如图如图518所示。它的特点是管段在某一共同的节点所示。它的特点是管段在某一共同的节点分支，然后又在另一共同节点汇合。是很多个并联管路组分支，然后又在另一共同节点汇合。是很多个并联管路组合而成。因此环状管网遵循串联和并联管路的计算原则，合而成。因此环状管网遵循串联和并联管路的计算原则，并存在下列两个条件：并存在下列两个条件： (1)任一节点任一节点(如如G点点)流人流人和流出的流量相等。即和流出的流量相等。即0GQ这是质量平衡原理的反映。这是质量平衡原理的反映。2022-4-25 (2)任一闭合环路任一闭合环路(如如ABGFA)中，如规定顺时针方向流动中，如规定顺时针方向流动的阻力损失

19、为正，反之为负，则各管段阻力损失的代数和必的阻力损失为正，反之为负，则各管段阻力损失的代数和必等于零。即等于零。即 0ABGFAh 这是并联管路节点间各分支管段阻力损失相等的反映。这是并联管路节点间各分支管段阻力损失相等的反映。 环状管网根据上述两个条件进行计算，理论上没什么困环状管网根据上述两个条件进行计算，理论上没什么困难，但在实际计算程序上是相当繁琐的。因此环状管网的计难，但在实际计算程序上是相当繁琐的。因此环状管网的计算方法较多，教材仅对算方法较多，教材仅对哈迪哈迪克罗斯克罗斯的方法做一简单介绍，的方法做一简单介绍，采用此方法，易于编制计算机程序。采用此方法，易于编制计算机程序。 20

20、22-4-25 1将管网分成若干环路如图将管网分成若干环路如图519上分成上分成I、II、III三个闭合环三个闭合环路，按节点流量平衡确定流量路，按节点流量平衡确定流量Q，选取限定流速选取限定流速v，定出管径，定出管径D。 2按照上面规定的流量与损失按照上面规定的流量与损失在环路中的正负值，求出每一环在环路中的正负值，求出每一环路的总损失路的总损失 hH(以后写作以后写作hi)。 3根据上面给定的流量根据上面给定的流量Q，若计算出来的，若计算出来的hi 不为零，不为零，则每段管路应加校正流量则每段管路应加校正流量Q，而与此相适应的阻力损失修，而与此相适应的阻力损失修正值为正值为hi。2022-

21、4-250.150.150.150.10-0.03-0.08-0.01-0.010.04-0.032022-4-255.7 5.7 有压管中的水击有压管中的水击 水击：水击：在压力管路中，由于液体流速的急剧变化，在压力管路中，由于液体流速的急剧变化，从而造成管中液体的压力显著、反复、迅速的变化，从而造成管中液体的压力显著、反复、迅速的变化，对管道有一种对管道有一种“锤击锤击”的特征，称这种现象为水击。的特征，称这种现象为水击。( (或叫水锤或叫水锤) ) 由于水击而产生的压强增加可能达到管中原来由于水击而产生的压强增加可能达到管中原来正常压强的几十倍甚至几百倍，而且增压和减压交正常压强的几十倍

22、甚至几百倍，而且增压和减压交替频率很高，其危害性很大，严重对会便管路发生替频率很高，其危害性很大，严重对会便管路发生破裂。破裂。2022-4-25水击传播过程水击传播过程a a、压缩过程在时间为、压缩过程在时间为 时，水击波传播到管道进口，时，水击波传播到管道进口，这时整个管道压力都升高了这时整个管道压力都升高了PhPh，液体受到压缩，密度增，液体受到压缩，密度增高，管壁膨胀。高，管壁膨胀。01Vlt b b、压缩恢复过程由、压缩恢复过程由M-MM-M断面以水击波的传播速度向断面以水击波的传播速度向管道末端管道末端N-NN-N传播。从阀门关闭时算起，经过传播。从阀门关闭时算起，经过 时间后，管

23、道中液体压缩恢复，各处压力正常时间后，管道中液体压缩恢复，各处压力正常P P022Vlt 2022-4-25d d、膨胀恢复过程压力的恢复由、膨胀恢复过程压力的恢复由M-MM-M断面以水击波的传断面以水击波的传播速度向播速度向N-NN-N断面传播，从关闭阀门时算起，经过断面传播，从关闭阀门时算起，经过 时，管道中液体压力都恢复到正常情况下的密度，结时，管道中液体压力都恢复到正常情况下的密度，结束膨胀状态。束膨胀状态。044vlt c c、膨胀过程与压缩过程的传、膨胀过程与压缩过程的传播情形一样，膨胀将由播情形一样，膨胀将由N-NN-N断断面以水击波传播速度向面以水击波传播速度向M-MM-M断断面传播，从关闭阀门算起，面传播，从关闭阀门算起，经过经过 后，管道中液体后，管道中液体处于膨胀状态，压力比正常处于膨胀状态，压力比正常情况下低情况下低PhPh033Vlt 2022-4-25水击类型水击类型vlts2间接水击：间接水击： 即反射的膨胀波陆续到达阀门时，阀即反射的膨胀波陆续到达阀门时，阀门还没有完全关闭，阀门