孔口和管嘴出流与有压管流课件.ppt

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1、第五章孔口和管嘴出流与有压管流2021/7/271水力学三大基本方程掌握之后，就可以用它们来分析和解决实际工程中常见的各种水力计算问题。孔口简单地说，有压管流是指液体充满整个管道横断面的有压流动。如果管道较短，沿程水头损失可忽略，这样的管道称为管嘴。当管道长度为0时，则称为孔口。2021/7/272§1孔口出流与管嘴出流水流从容器壁上的孔中流出的现象称为孔口出流。一、孔口出流的分类(一)按孔口大小按孔口的直径d或孔口高度e与孔口形心点以上的水头H之比来分：1.小孔口出流若，这种孔口称为小孔口，其孔口断面上各点水头可近似地认为相等，且均为H。2.大孔口

2、出流若，这种孔口称为大孔口，大孔口断面上各点的水头不等，必须分别情况予以分析。2021/7/273(二)按孔口位置1.自由出流当液体经孔口流入大气中的出流为自由出流。2.淹没出流液体经孔口流入下游液体中的出流为淹没出流。(三)按孔口边壁的厚度1.薄壁孔口出流具有尖锐边缘的孔口，出流液体也孔口仅为线接触的孔口出流称为薄壁孔口出流(图5-1、2)。2021/7/2742.厚壁孔口出流孔口具有一定厚度，出流时液体与孔口呈面接触(图5-3)，这样的出流为厚壁孔口出流，它也可视为管嘴出流。这种出流的最大特点是内部有真空区(图5-3曲线)。(四)按水位变化1.恒

3、定出流若水箱中的水位保持不变，则为恒定出流。2.非恒定出流若水箱中的水位在流动过程中随时间而变化则为非恒定出流。2021/7/275二、小孔口出流(一)自由出流图5-1之水箱中的水流由四面八方向孔口集中，造成流线由疏变密，当通过孔口时，孔口断面上各流线互不平行，在出流之后，其横截面积逐渐缩小，到距孔口约d/2处，断面收缩至最小，即c–c断面，该断面称为收缩断面。收缩断面上流线相互平行，可视为渐变流。此后，由于空气对水流的阻力，流速降低，导致横断面又开始扩大。我们取通过孔口断面形心点的水平面为基准面，在孔口上游取渐变流断面1-1，取具有渐变流的收缩断面

4、为c-c断面，建立能量方程：2021/7/276可看成仅有，即，ξ0称为孔口水头损失系数。若令并给三部分命名：H称为孔口水头；称为行近流速水头；H0称为全水头。于是：2021/7/277式中称为孔口流速系数。若为理想液体，则，，，因此，的物理意义就是收缩断面的实际流速与理想液体的流速之比。，可得。设孔口面积为A，收缩断面面积为Ac，令(收缩系数)，则Q流量为：令(孔口流量系数)，则这就是小孔口自由出流的基本计算公式。2021/7/278(二)淹没出流水流流入液体内部时，由于惯性作用，其流线变化也是先收缩后扩散(图5-2)。以孔口形心点所在平面为基准面

5、，上游的渐变流断面1-1的孔口水头为H1，流速为V1，下游的非收缩断面2-2(为渐变流断面)的孔口水头为H2，流速为V2，能量方程为：但这时的hw不仅包括断面1-1到收缩断面c-c的局部水头损失，还有由收缩断面c-c到断面2-2之间的局部水头损失，2021/7/279前者仍可用计算，而后者则须按突然扩大(查表4-5)的水头损失计算，其局部水头损失系数用表示，水头损失为当时，于是方程为：2021/7/2710令(全水头)则通过的流量：这就是小孔淹没出流的基本计算式。它与上式唯一不同的是：自由出流时，H0中的H是上游水面至孔口中心的高度差，而淹没出流时，

6、z0中的z为上下游的水位差。2021/7/2711(三)收缩系数与流量系数1.收缩系数ε收缩系数的物理意义是收缩断面Ac与孔口面积A之比值，它表示水流的收缩程度，根据收缩边界情况，可分为全部收缩和部分收缩。如果出流液体在孔口的全部周界上均有收缩，则称为全部收缩(如图5-4的孔口和2)，它又分为完善收缩和不完善收缩两种：A当孔口的任一边缘与相邻壁面的距离大于该边缘尺度的3倍时，出流的收缩不受器壁的影响，所有边缘均有相同的收缩比例，这样的收缩称为完善收缩，如孔口1，否则为不完善收缩，如孔口2。2021/7/2712如果出流液体仅在部分边界上收缩，另一部分

7、边界不收缩，如图5-4的孔3左、下边不收缩；孔4的下边不收缩，这样的收缩为部分收缩。就ε的大小而言，由实验可知，部分收缩的收缩断面大于完全收缩断面，故部分收缩的ε大于完全收缩的ε；不完善收缩的收缩断面大于完善收缩的收缩断面，故完善收缩的ε大于不完善收缩的ε。2.流量系数μ由于ε值随收缩类型不同各异，故也有类似结果。表5-1为薄壁圆形小孔口在全部、完善收缩情况下的值，其他情况可查阅有关手册。2021/7/2713三、大孔口出流由于大孔口出流的特点是孔口上缘水头与下缘水头相差较大，不能直接当成小孔口来算。我们可将大孔口分成若干个小孔口，把它们的流量算出后

8、，再求总和，但计算结果表明，只要将流量系数作些改变，就可用小孔口计算公式来大孔口的出流。因大孔口几乎全是部分