实验8孔口管咀流量系数实验

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1、实验八孔口管嘴流量系数试验1实验目的和要求1.观测孔口及管嘴自由出流的水流现象，以及圆柱形管嘴内的局部真空现象。2.测定薄壁圆形孔口及管嘴自由出流的流量系数2孔口管嘴出流流量系数实验的原理水流经过孔口流出的流动现象称为孔口出流；在孔口上连接长3～4倍的短管，水流经过短管并在出口断面满管流动的水流现象称为管嘴出流。孔口和管嘴主要用来控制液流和量测流量。给排水工程中的各类取水、液压传动中的阀门、气化器、喷射器以及某些量测流量的设备等都属于孔口出流。在水力采煤、水力挖掘、消防等设备中使用的水枪、水力冲土机、消火龙头、水力冲刷

2、机及冲击式水轮机等都属于管嘴出流。2.1孔口出流的分类根据孔口的的出流条件，孔口出流可以分为以下几种类型：1.从出流的下游条件看，孔口出流可分为自由出流和淹没出流。出流水股射入大气中称为自由出流，下游水面淹没孔口时称为淹没出流。2.从射流速度的均匀性看，分为小孔口出流和大孔口出流。孔口各点的流速可认为是常数时称为小孔口出流，否则称为大孔口出流。一般认为孔口高度时为小孔口出流，这时，作用与孔口断面上各点的水头可近视认为与形心处的水头相等。若时，则称为大孔口出流，作用于大孔口的上部和下部的水头有明显的差别。3.按孔口作用水

3、头是否稳定分为常水头孔口出流和变水头孔口出流。4.按孔壁厚度及形状对出流的影响分为薄壁孔口和厚壁孔口出流。若孔口具有锐缘，流体与孔壁几乎只有周线上接触，孔壁厚度不影响射流形状时，称为薄壁孔口出流，反之，称为厚壁孔口出流。当孔壁厚度达到孔口高度的3~4倍时，出流充满孔壁的全部周界，此时便是管嘴出流。2.2恒定流圆形薄壁小孔口出流的流量系数当孔口直径时称为圆形薄壁小孔口出流。当液体从孔口流出时，由于水流的惯性作用，流线不是折线而只能是一条光滑的曲线，因此在孔口断面上各流线互不平行，而是水流在出口后继续形成收缩，在距离孔口约

4、0.5处水股断面完全收缩到最小，该断面称为收缩断面c-c。过收缩断面以后，液体在重力作用下下落。收缩分为完善收缩、非完善收缩部分收缩。完善收缩是指孔口距离器壁及液面相当远，器壁对孔口的收缩情况毫无影响。一般认为，只有当孔口和器壁的距离大于孔口尺寸的3倍时才会发生完善收缩。当孔口和器壁的距离小于3倍的孔口尺寸时，其收缩情况受器壁的影响，这种收缩称为非完善收缩。如果只有部分的边上有收缩的称为部分收缩。如图1所示的孔1前后左右和孔口距器壁底部的距离均大于3倍的孔口尺寸，所以是完善收缩，而孔2就不是完善收缩。孔3和孔4有一边不

5、收缩，所以是部分收缩。对于圆形薄壁小孔口在完全收缩时的收缩系数ε=0.6～0.64（较小孔口取大值)。而对于不完全收缩，收缩系数的计算见参考文献[1][2]。图1各种收缩情况如图2所示，对于薄壁圆形小孔口出流，设出流的收缩断面面积为Ac，孔口的面积为A，Ac=εA。对图2a的1-1断面和收缩断面c-c写能量方程，即a孔口出流b管嘴出流图2孔口出流和管嘴出流（1)式中，H为孔口形心以上的水深，pc为c-c断面上的动水压强，由于c-c断面在孔口的外面，所以pa=pc，令（2)则（3)式中，vc为c-c断面的流速；ζc为孔口

6、的阻力系数；取αc=1.0；φ孔为流速系数；如不计算行进流速水头，则式（3)变为（4)（5)式中，μ孔=εφ孔称为流量系数。对于圆形薄壁小孔口，当其为完善收缩时，由试验求得φ孔=0.97～0.98，ζ孔=1/φ2孔-1=0.0628～0.0412，ε=0.6~0.64，,则μ孔=0.582~0.627。有的文献认为，μ孔=0.60~0.62。对于非完善收缩，流量系数为（6)部分收缩时（7)式中，为孔口所在器壁的面积；x为不收缩的孔口周边长；为孔口的全周长；为孔口的形状系数，圆形孔口，方形孔口。2.3恒定流圆柱形外管嘴出

7、流的流量系数常用的圆柱形外伸管嘴为L=(3~4)d的短管嘴。这样的管嘴称为文丘里管嘴。管嘴出流的流动现象如图2b所示。当水流刚一进入管嘴时，首先产生一收缩现象，如同孔口出流，然后又逐渐扩大而后满管流出。管嘴出流的收缩断面c-c在管嘴内部，出口断面的水流不发生收缩，故ε=1.0与孔口出流比较，管嘴出流除有孔口阻力损失外，还有扩大局部阻力和沿程阻力。列1-1断面和管嘴出口2-2断面的能量方程得（8)当忽略行进流速水头时，仍可由上式解出(9)(10)由上式可以看出，管嘴出流的流量系数等于流速系数，即μ嘴=φ嘴。管嘴出流的水头

8、损失系数用下式计算（11)则管嘴的流速系数为（12)式中，；；为沿程阻力系数。如果取λ=0.02，，，则将以上各系数代入式（11)，并取α2=1.0，得流速系数，则（13)一般认为，。2.4孔口出流与管嘴出流流量系数的比较比较管嘴出流和孔口出流的流量系数可以看出，如果管嘴出口的面积与孔口的面积相等，作用水头H也相等，管嘴出流的阻力