孔口、管嘴出流和有.pptVIP

孔口、管嘴出流和有压管流容器壁上开孔,水经孔口流出的水力现象称为孔口出流; 在孔口上连接长为3~4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;水沿管道满管 流动的水力现象称为有压管流。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 嘴的应用;有压管道则是一切生产、生活输水系统的重要 组成部分。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。液体经薄壁小孔口的恒定出流在容器壁上开一孔口,若孔壁的厚度对水流现象没有影响, 孔壁与水流仅在一条周线上接触,这种孔口称为薄壁孔口。 一般说,孔口上下缘在水面下深度不同, 经过孔口上部和下部的出流情况也不相 同。但是,当孔口直径 d或开度 e与孔 口形心以上的水头高H相比较很小时, 就认为孔口断面上各点水头相等,而忽 略其差异。因此,根据 d/ H的比值大小 将孔口分为大孔口与小孔口两类: 若 d≤ H/10,这种孔口称为小孔口, 可认为孔口断面上各点的水头都等。 若d≥H/10,称为大孔口。孔口出流 时, H不变这种情况称为恒定出流。 本节将着重讨论薄壁小孔口恒定出流。1.小孔口的自由出流 从孔口流出的水流进入大气,称 自由出流,如图所示,箱中水流的 流线从各个方向趋近孔口,由于水 流运动的惯性,流线不能成折角地 改变方向,只能光滑、连续地弯曲, 因此在孔口断面上各流线并不平行, 使水流在出孔后继续收缩,直至距 孔口约为d/2处收缩完毕,形成断 面最小的收缩断面,流线在此趋于 平行,然后扩散,如图所示的c- c断 面称为孔口出流的收缩断面。2 2v pv 取断面0-0和收缩断面 c- c,列伯努利方程 0 0 c c c H? 0 h w 2 g2 g 2 v 水箱中的微小沿程水头损 chh? 0 孔口的局部阻力 w j 0 失可以忽略,于是h 只是 w 2 g 系数 水流经孔口的局部水头损 失,即 p p 0 对于薄壁小孔口 c a 2 2v v 0 0 c H? c 0 方程可改写为 2 g 2 g 2? v 1 0 0 v2 gH? 2 gH 令 HHc 0 0 0 2 g c 0 式中 H ??水头; 0 ζ ??经孔口的局部阻力系数; 0??孔口流速系数, 1 1 1? c 0 0可以看出,如不计损失,则ζ 0,而 1,可见:0是收缩断面的实际液体流速v 对理想液体流速 2 g H 0 c 的比值。由实验测得孔口流速系数:0.97~0.98。这样,可得 1 1 ?1水流经孔口的局部阻力系数ζ 0.06。 0 2 20.97 A c 设孔口断面的面积为A,收缩断面的面积为 A , c? A Qv A? A2 g H? A 2 g H 称为收缩系数。则孔口出流的流量为 c c 0 0式中 μ??孔口的流量系数,μ ε 对薄壁小孔口 μ0.60~0.62。 Qv A? A2 gH? A 2 gH 是孔口自由出流的基本公式 c c 0 0选通过孔口形心的水平面为基准面,取符合渐变流条件的断面1-1, 2-2列伯努利方程。 2 2 2 2 pv pv v v 1 1 1 2 2 2 c c H H 1 2 0 s e2 g2 g 2 g 2 g Qv A? A2 gH? A 2 gH c c 0 0 在自由出流情况下, 孔口的水头 H系水面 至孔口形心的深度; 而在淹没出流情况下, 孔口的水头 H则系孔 口上、下游的水面高 差。因此,孔口淹没 出流的流速和流量均 与孔口的淹没深度无 关,也无“大”、“小”孔 口的区别。管嘴恒定出流 在孔口断面处接一直径与孔口完全相 同的圆柱形短管,其长度l≈3~4 d, 这样的短管称为圆柱形外管嘴,如图 所示。水流进入管嘴后,同样形成收 缩,并在收缩断面c- c处主流与管壁分 离,形成旋涡区;然后又逐渐扩大, 在管嘴出口断面上,水流充满整个断 面流出。设水箱的水面压强为大气压 强,管嘴为自由出流,对水箱中符合 渐变流条件的过水断面 O- O和管嘴出 口断面b- b列伯努利方程,即 2 2vv 0 0 h H+ + 2 g 2 g2 2 vv 0 0 h? 令 HH? n 0 2 g 2 g 1 v2 g H =0 n 2 g H 0 n2 g HA 2 g H 管嘴流量Q= n A 0 n 0 式中 ζ ??管嘴阻力系数,即管道锐缘进口局部阻力系数, n 由图5-23查得 ζ 0.5; n 1 1 φ ??管嘴流速系数,n? 0.82 n n 10.5 μ ??管嘴流量系数,因出口无收缩μ φ 0.82。 n n n 圆柱形外