流体力学第5章孔口管嘴管路流动.ppt

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1、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 3 4D 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 O O 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

2、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

3、。 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 e ccc c hg VpZ g VpZ 22 22 000 0 g VppZZH c c 2)()( 2 000 00 令 断面 0-0和收缩断面 C-C，列能 量方程 流速计算式 00 1 0 1 221 121 gHgHgHv C C 00 22 gHAgHAAvQ CC 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

4、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 dtghAQdt 2 SdhdV 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： h dh gA Sdt 2 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。 )(222 212 1 HHgA ShdhgA St HH m a x 1 2 2 2 Q V gA HSt 1 第二节 小孔口淹没出流 g V g Vh CC e 22 2 2 2 1 97.0 1 1 1 62.0 1.损失 流量系数 流速系数 00 21 221 g

5、HgHv c gVgVpZgVpZ cc222 2212222221111 g V g VppZZH c c 22)()( 2 22 2 110 00 令 11 2 2 2 A A c 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 00 22 gHAgHAAvQ CC 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： 请写出图 7-5中两个孔口 Q1和 Q2的 流量关系式（ A1=A2)。 图 1： Q1

6、 ？ Q2； 图 2： Q1 ？ Q2。（填 、 或） 2.= 1.3a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： g v g v g vH n 222 222 00 g vHH 2 2 00 0 00 22 1 gHgHv n n 管嘴出 流速度 管嘴出 流流量 00 22 gHAgHAQ nn 管嘴出流 圆柱形外管嘴恒定出流 在直径为 d的孔口上外

7、接长度为 l=(3 4)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 dl )43( mH 9 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 C C和出口断面的能量方程 代入上式 连续性方程 H O O 1 1 VC 2 2 d l C C 22

8、 )11()1( cm A A vv A Av c c 1 g v d l g v g v g vpp m cca 2222 2222 g v d lpp ca 2)1 1(11 22 2 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。 02 gHv 0 2 2 2 H g v 82.0 075.0 H ppph cav v 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

9、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 075.0 H ppph cav v 第四节 简单管路 一 有压管道的分类 1 根据阻力在总阻力中的比重不同分为： 2 “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 根据管道的布臵方式不同分为 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

10、路 、 并联管路及管网等 。 二、管路计算及阻抗 CBA d ll d l BDAB )( g v d l g v g vH 2 )( 2 00 2 0 222 00 g v d l H 2 )( 2 0 2 4 d Q v 2 420 )(8 Q gd d l H gd d l 42H )(8 S 令 2 H QSH 则 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： fm hhg vH 20000 2 22 fm hh g v 2 2 22 f hH 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

11、的直线，并与测压管水头线重合。 2 52 2 8 ) 4 ( 2 1 lQ dg d Q gd l hH f 52 8 dg 2lQhH f 比 阻 Q3 Q2 l1,d1 l 2,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。 0v dlt / p 第二阶段。减压波从管道进口向阀门传播阶段。 全

12、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 。 p 0v dlt /2 0v 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 时低压状态。 0v dlt /3 第四阶段。增压波从管道进口向阀门传播阶段。 此时管道进口比水池压力低 ，在压强作用下，水以 速度 向阀门方向流动。至 时刻，增压波 传至阀门断面，全管恢复至起始正常状态。 p 0v dlt /4 二、并联管路 Q3 Q2 Q1 hf1=hf2 =hf3 hfAB A B C D