孔口、管嘴出流和有压管流

1、1、孔口出流、孔口出流容器壁上开孔，流体经容器壁上所开容器壁上开孔，流体经容器壁上所开 小孔流出的水力现象，称孔口出流。小孔流出的水力现象，称孔口出流。2、管嘴出流、管嘴出流在孔口上对接长度为在孔口上对接长度为3-4倍孔径的短管，倍孔径的短管，流体经容器壁上所接短管流出的水力流体经容器壁上所接短管流出的水力 现象，称管嘴出流。现象，称管嘴出流。一、概念一、概念（3）能量损失计算式。）能量损失计算式。 （1）能量方程；）能量方程；（2）总流的连续性方程；）总流的连续性方程； 二、任务：二、任务： 计算过流量计算过流量Q。三、依据：三、依据：一、孔口出流分类一、孔口出流分类1、按、按 e 与与H

2、的关系：的关系：101He101He eH小孔口：小孔口：大孔口：大孔口：51 孔口出流孔口出流2、按孔口的作用水头是否稳定：、按孔口的作用水头是否稳定：自由式出流；自由式出流；淹没式出流。淹没式出流。厚壁孔口出流。厚壁孔口出流。 薄壁孔口出流；薄壁孔口出流；恒定孔口出流；恒定孔口出流；非恒定孔口出流。非恒定孔口出流。3、按出流后周围的介质情况：、按出流后周围的介质情况：4、按孔壁对出流的影响：、按孔壁对出流的影响：列A-A、C-C断面能量方程gvgvzgpgvzgpCCCCAAA222222aCpp gvgvgppzzCAaACA21222H0自由出流的作用水头二、薄壁小孔口恒定二、薄壁小孔

3、口恒定自由出流自由出流 gvHC2120物理意义：促使流体克服阻力，流入大气的全部能量特例自由液面：PA=Pa，液面恒定：vA=0HzzHCA0收缩断面流速002211gHgHvC孔口的流速系数，=0.97。重点孔口流量0022gHAgHAAvAvQCCC面积收缩系数AAC620.流量系数全部收缩（完善收缩、不完善收缩）、部分收缩2064. 01AAA是孔口面积，A0是孔口所在的壁面面积不完善收缩CgHvf f 20gHAQ 20fCAACCaxf1其中：其中：1、流量公式：、流量公式：=0.97=0.62；=0.64；对薄壁圆形完善收缩小孔口：对薄壁圆形完善收缩小孔口：结论P123表5-1列

4、上下游液面能量方程gvzgp221112=1突然扩大阻力系数gvgvvgppzzC2122122212121H0淹没出流的作用水头gvHC21210gvgvgvzgpCC22222212222三、薄壁小孔口恒定三、薄壁小孔口恒定淹没出流淹没出流H孔口淹没式出流孔口淹没式出流物理意义：促使流体克服阻力流入到下游的全部能量特例：P1= P2=Pa，v1= v2 =0HzzH210收缩断面流速0012211gHgHvC孔口流量02gHAAvAvQCCCC与自由出流一致H0与孔口位置无关重点02gHAQ1、流量公式：、流量公式：2、自由式与淹没式对比：、自由式与淹没式对比：1 公式形式相同；公式形式相

5、同；2 、基本相同，但基本相同，但 H0不同；不同； 3 自由出流与孔口的淹没深度有关，自由出流与孔口的淹没深度有关， 淹没出流与上、下游水位差有关。淹没出流与上、下游水位差有关。结论Hv0zv0v2H0= H +2gv02自由式：自由式：淹没式：淹没式：H0=z+2gv022gv22解决的问题：解决的问题：只对作用液面缓慢变化的情况进行讨论。只对作用液面缓慢变化的情况进行讨论。充水、泄水所需时间问题。充水、泄水所需时间问题。1、公式推导：、公式推导： 将液面高度的变化划分成无数微将液面高度的变化划分成无数微小时段，每一微小时段作恒定流处理。小时段，每一微小时段作恒定流处理。WdHdVdtQ

6、dtgHA 2流出体积流出体积液面减少的体积液面减少的体积五、孔口的变水头出流五、孔口的变水头出流(略略)孔口的变水头出流：孔口的变水头出流：孔口出流（或入流）过程中，容器孔口出流（或入流）过程中，容器内水位随时间变化（降低或升高），导致内水位随时间变化（降低或升高），导致孔口的流量随孔口的流量随时间变化的流动时间变化的流动。六、应用举例六、应用举例P125P125例例5-15-1 贮水罐（如图）底面积贮水罐（如图）底面积3m3m2m2m，贮水深，贮水深H1=4mH1=4m，由于锈蚀，距罐底，由于锈蚀，距罐底0.2m0.2m处形成一个直处形成一个直径径d=5mmd=5mm的孔洞，试求的孔洞，试

7、求(1)(1)水位恒定，一昼夜的水位恒定，一昼夜的漏水量；漏水量；(2)(2)因漏水水位下降，一昼夜的漏水因漏水水位下降，一昼夜的漏水量。量。解解 （1 1）水位恒定，一昼夜的漏水量按）水位恒定，一昼夜的漏水量按薄壁小孔口薄壁小孔口计算计算: :gHAQ2其中其中 =0.62=0.622621063194mdA.mHH83201. smQ/.3610031053079mQtV.代入上式得代入上式得一昼夜的漏水量一昼夜的漏水量（2）(略略)水位下降，一昼夜的漏水位下降，一昼夜的漏水量水量HHgAFt22按孔口变水头出流计算按孔口变水头出流计算解得解得一昼夜的漏水量一昼夜的漏水量442.H3168

8、mFHHV.) (52 管嘴出流管嘴出流1、管嘴出流：在孔口处对接一个、管嘴出流：在孔口处对接一个34倍孔径长度的短倍孔径长度的短管，水体通过短管并在出口断面满管流出的水力现管，水体通过短管并在出口断面满管流出的水力现象。象。2、流体经圆柱形管嘴或扩张管嘴时，由于惯性作用，、流体经圆柱形管嘴或扩张管嘴时，由于惯性作用， 在管中某处形成收缩断面，产生环行真空，从而增在管中某处形成收缩断面，产生环行真空，从而增 加了水流的抽吸力，使其出流量比孔口有所增加。加了水流的抽吸力，使其出流量比孔口有所增加。列1-1、1-1断面能量方程gvgvgpzgvgpz2222222222111gvgvgppzz21

9、222212121H0作用水头一、圆柱形外管嘴恒定自由出流一、圆柱形外管嘴恒定自由出流（1）、推导：）、推导：2c2v0HcvgvH21220管嘴出口流速0022211gHgHv流量00222gHAgHAAvQ82. 0真空的抽吸作用，流量增加对管道锐缘入口的局部阻力系数，=0.5，82. 05 . 011重点管嘴出流（2）公式：）公式： 022gHvf02gHAQ82. 0f（3） 与孔口的对比：与孔口的对比： 1 公式形式相同，但系数不同：公式形式相同，但系数不同：孔口出流：孔口出流： =0.62 =0.97 =0.64管嘴管嘴出流出流： =0.82 =12 H0 相同时，若相同时，若A

10、也相同，则管嘴出流是孔口出流也相同，则管嘴出流是孔口出流 量的量的1.32倍。倍。gvgvpgvpaccc2222222222xagag二、二、 收缩断面的真空收缩断面的真空（略）（略）1 对对CC，22 列方程：列方程：gvvc2)(222hj2 xv222g2c2v0Hcv可作为突然扩大处理可作为突然扩大处理2221vvAAvcc2222111cAA022gHvn0222222211211Hgvgppgpncccavaaaa 075.0Hpvg g在在 CC处处形成形成 0.75H0 真空度。真空度。2 真空计算：真空计算：H0 9 mH0O水柱；水柱；L（34）d。 水柱时，管内液体水柱

11、时，管内液体pv 7m H0O实验证明：实验证明：将气化，吸入空气，破坏真空。将气化，吸入空气，破坏真空。三、圆柱形外接管嘴三、圆柱形外接管嘴 正常工作的条件：正常工作的条件：习题习题5-8特点：特点：（1）流体充满整个过流断面；）流体充满整个过流断面；（2）流体在压力下流动。）流体在压力下流动。（3）能量损失计算。）能量损失计算。 （1）连续性方程；）连续性方程；（2）能量方程；）能量方程；1、有压管流是工程中常见的典型流动之一。、有压管流是工程中常见的典型流动之一。2、分析有压管流的依据：、分析有压管流的依据：53 短管的水力计算短管的水力计算3、有压管流分类：、有压管流分类：（1）按局部

12、损失所占比重，可分为）按局部损失所占比重，可分为 ：短管短管局部损失、速度水头均不可忽略的管路。局部损失、速度水头均不可忽略的管路。长管长管局部损失、速度水头均可忽略（或按沿局部损失、速度水头均可忽略（或按沿 程损失的一定比例计入）。程损失的一定比例计入）。L 1000 dfhh jfhhh（2）按管道的布置与连接形式，可分为：）按管道的布置与连接形式，可分为： 简单管路简单管路复杂管路复杂管路短管短管 长管长管串联管路串联管路并联管路并联管路管管 网网枝状管网枝状管网环状管网环状管网 问题问题1：图示两根完全相同的长管道，只是安装高度不同，：图示两根完全相同的长管道，只是安装高度不同， 两管

13、道的流量关系为：两管道的流量关系为： （C） A.Q1Q2； C.Q1=Q2； D.不定不定问题问题2：已知一水箱外接一长：已知一水箱外接一长L的短管，自由出流时如图的短管，自由出流时如图A，其流量为其流量为Q1；淹没出流时如图；淹没出流时如图B，其流量为，其流量为Q2，则，则Q1与与Q2的关系为：的关系为： （A ）A.Q1=Q2； B.Q1Q2； C.Q11000 d特点：特点：（1） 局部损失、流速水头可忽略；局部损失、流速水头可忽略；（2）总水头线与测压管水头线合。）总水头线与测压管水头线合。54 长管的水力计算长管的水力计算H总水头线与总水头线与测压管水头测压管水头线线22528 a

14、lQlQdg22gvdlfhH一、长管的水力计算一、长管的水力计算1、计算式：、计算式：H24dQv重点2、特点：、特点：3全部的能量用于管路消耗全部的能量用于管路消耗1可按长管计算；可按长管计算；2总水头线为数条折线；总水头线为数条折线；3、计算：、计算：（1）流量：）流量：符合连续性方程，即流入节点的流量符合连续性方程，即流入节点的流量等于流出节点的流量。等于流出节点的流量。H = hfi =ai liQi 2 =Si Qi 2 即：即：总损失等于各段损失之和。总损失等于各段损失之和。（2）水头：）水头：iiqQQqQQqQQ1i232121一般式：式中式中 Si为管段的抗阻，为管段的抗阻

15、，Si= ai li。课本P134串联公式5-19并联公式5-21AB123三、并联管路三、并联管路在两个节点之间并设几条管段。在两个节点之间并设几条管段。1、装置：、装置：（1）增加了供水的可靠性；）增加了供水的可靠性；（2）两节点间的能量损失相等。）两节点间的能量损失相等。2、特点：、特点：（2）能量：）能量： hf1 = hf2 = hf3 = hfAB（1）流量：）流量： Q流入流入= Q流出流出=Q1+Q2+Q355 有压管流的水击有压管流的水击一、水击现象一、水击现象1、水击、水击在有压管路中，由于某种外部原因，使管中在有压管路中，由于某种外部原因，使管中 水流速度发生突变，而引起

16、压强急剧升、降水流速度发生突变，而引起压强急剧升、降 的交替变化，此水力现象称的交替变化，此水力现象称水击水击 或或水锤水锤。 因水击属非恒定流，液体的运动要素随时间、因水击属非恒定流，液体的运动要素随时间、空间而改变，故分析此种流动必须考虑惯性力作用。空间而改变，故分析此种流动必须考虑惯性力作用。2、水击产生的原因：、水击产生的原因：液体的可压缩性、惯性、管壁材质的弹性。液体的可压缩性、惯性、管壁材质的弹性。外因外因边界条件突然改变，引起流速急剧变化；边界条件突然改变，引起流速急剧变化； 内因内因3、分析：、分析： 水击现象只发生在液体中，因气体的压缩性很大，而水击现象只发生在液体中，因气体

17、的压缩性很大，而液体的较小，故当液体的受压急剧升高时就会产生水击；液体的较小，故当液体的受压急剧升高时就会产生水击； 管壁管壁 具有足够的刚性才可能产生水击；具有足够的刚性才可能产生水击； 如果液体是不可如果液体是不可压缩的，管壁是完全刚性的，则水击压强可达到无限大。压缩的，管壁是完全刚性的，则水击压强可达到无限大。 二、水击的传播过程二、水击的传播过程以较简单的以较简单的阀门突然关闭阀门突然关闭为例为例cp/1、分析：、分析：三、水击压强计算三、水击压强计算 为了保证压力管路及供水系统安全运行，在为了保证压力管路及供水系统安全运行，在 管路设计时，应充分考虑水击压强。管路设计时，应充分考虑水

18、击压强。1、直接水击、直接水击当闭阀时间当闭阀时间 Ts 若阀门突然关闭，即可得最大水击压强：若阀门突然关闭，即可得最大水击压强：或：或： p =c v0H =cgv0c0 声波在水中的传播速度；声波在水中的传播速度；D 管径；管径； 管壁厚度；管壁厚度；k水的弹性模量，查表；水的弹性模量，查表；E管材弹性模数。管材弹性模数。2 水击波速水击波速 c 可用以下公式计算：可用以下公式计算：2、间接水击、间接水击若阀门关闭时间若阀门关闭时间时，反射回来的降压波时，反射回来的降压波T s 2lc与阀门继续关闭产生的增压波相抵减，从而使阀门与阀门继续关闭产生的增压波相抵减，从而使阀门处的压强增值不能达到最大，此种水击为处的压强增值不能达到最大，此种水击为间接水击间接水击。T =2lcT 水击波相长。水击波相长。T s 阀门关闭时间阀门关闭时间0cvTTpsD间接水击水击压强计算式：间接水击水击压强计算式：三、水击危害的预防三、水击危害的预防4、限制管中的流速，减小管道长度，、限制管中的流速，减