孔口、管嘴出流和有壓管流

1、1、孔口出流、孔口出流容器壁上開孔，流體經(jīng)容器壁上所開容器壁上開孔，流體經(jīng)容器壁上所開 小孔流出的水力現(xiàn)象，稱孔口出流。小孔流出的水力現(xiàn)象，稱孔口出流。2、管嘴出流、管嘴出流在孔口上對接長度為在孔口上對接長度為3-4倍孔徑的短管，倍孔徑的短管，流體經(jīng)容器壁上所接短管流出的水力流體經(jīng)容器壁上所接短管流出的水力 現(xiàn)象，稱管嘴出流。現(xiàn)象，稱管嘴出流。一、概念一、概念（3）能量損失計算式。）能量損失計算式。 （1）能量方程；）能量方程；（2）總流的連續(xù)性方程；）總流的連續(xù)性方程； 二、任務(wù)：二、任務(wù)： 計算過流量計算過流量Q。三、依據(jù)：三、依據(jù)：一、孔口出流分類一、孔口出流分類1、按、按 e 與與H

2、的關(guān)系：的關(guān)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、按孔口的作用水頭是否穩(wěn)定：、按孔口的作用水頭是否穩(wěn)定：自由式出流；自由式出流；淹沒式出流。淹沒式出流。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、按出流后周圍的介質(zhì)情況：、按出流后周圍的介質(zhì)情況：4、按孔壁對出流的影響：、按孔壁對出流的影響：列A-A、C-C斷面能量方程gvgvzgpgvzgpCCCCAAA222222aCpp gvgvgppzzCAaACA21222H0自由出流的作用水頭二、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物理意義：促使流體克服阻力，流入大氣的全部能量特例自由液面：PA=Pa，液面恒定：vA=0HzzHCA0收縮斷面流速002211gHgHvC孔口的流速系數(shù)，=0.97。重點孔口流量0022gHAgHAAvAvQCCC面積收縮系數(shù)AAC620.流量系數(shù)全部收縮（完善收縮、不完善收縮）、部分收縮2064. 01AAA是孔口面積，A0是孔口所在的壁面面積不完善收縮CgHvf f 20gHAQ 20fCAACCaxf1其中：其中：1、流量公式：、流量公式：=0.97=0.62；=0.64；對薄壁圓形完善收縮小孔口：對薄壁圓形完善收縮小孔口：結(jié)論P123表5-1列

4、上下游液面能量方程gvzgp221112=1突然擴大阻力系數(shù)gvgvvgppzzC2122122212121H0淹沒出流的作用水頭gvHC21210gvgvgvzgpCC22222212222三、薄壁小孔口恒定三、薄壁小孔口恒定淹沒出流淹沒出流H孔口淹沒式出流孔口淹沒式出流物理意義：促使流體克服阻力流入到下游的全部能量特例：P1= P2=Pa，v1= v2 =0HzzH210收縮斷面流速0012211gHgHvC孔口流量02gHAAvAvQCCCC與自由出流一致H0與孔口位置無關(guān)重點02gHAQ1、流量公式：、流量公式：2、自由式與淹沒式對比：、自由式與淹沒式對比：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 自由出流與孔口的淹沒深度有關(guān)，自由出流與孔口的淹沒深度有關(guān)， 淹沒出流與上、下游水位差有關(guān)。淹沒出流與上、下游水位差有關(guān)。結(jié)論Hv0zv0v2H0= H +2gv02自由式：自由式：淹沒式：淹沒式：H0=z+2gv022gv22解決的問題：解決的問題：只對作用液面緩慢變化的情況進(jìn)行討論。只對作用液面緩慢變化的情況進(jìn)行討論。充水、泄水所需時間問題。充水、泄水所需時間問題。1、公式推導(dǎo)：、公式推導(dǎo)： 將液面高度的變化劃分成無數(shù)微將液面高度的變化劃分成無數(shù)微小時段，每一微小時段作恒定流處理。小時段，每一微小時段作恒定流處理。WdHdVdtQ

6、dtgHA 2流出體積流出體積液面減少的體積液面減少的體積五、孔口的變水頭出流五、孔口的變水頭出流(略略)孔口的變水頭出流：孔口的變水頭出流：孔口出流（或入流）過程中，容器孔口出流（或入流）過程中，容器內(nèi)水位隨時間變化（降低或升高），導(dǎo)致內(nèi)水位隨時間變化（降低或升高），導(dǎo)致孔口的流量隨孔口的流量隨時間變化的流動時間變化的流動。六、應(yīng)用舉例六、應(yīng)用舉例P125P125例例5-15-1 貯水罐（如圖）底面積貯水罐（如圖）底面積3m3m2m2m，貯水深，貯水深H1=4mH1=4m，由于銹蝕，距罐底，由于銹蝕，距罐底0.2m0.2m處形成一個直處形成一個直徑徑d=5mmd=5mm的孔洞，試求的孔洞，試

7、求(1)(1)水位恒定，一晝夜的水位恒定，一晝夜的漏水量；漏水量；(2)(2)因漏水水位下降，一晝夜的漏水因漏水水位下降，一晝夜的漏水量。量。解解 （1 1）水位恒定，一晝夜的漏水量按）水位恒定，一晝夜的漏水量按薄壁小孔口薄壁小孔口計算計算: :gHAQ2其中其中 =0.62=0.622621063194mdA.mHH83201. smQ/.3610031053079mQtV.代入上式得代入上式得一晝夜的漏水量一晝夜的漏水量（2）(略略)水位下降，一晝夜的漏水位下降，一晝夜的漏水量水量HHgAFt22按孔口變水頭出流計算按孔口變水頭出流計算解得解得一晝夜的漏水量一晝夜的漏水量442.H3168

8、mFHHV.) (52 管嘴出流管嘴出流1、管嘴出流：在孔口處對接一個、管嘴出流：在孔口處對接一個34倍孔徑長度的短倍孔徑長度的短管，水體通過短管并在出口斷面滿管流出的水力現(xiàn)管，水體通過短管并在出口斷面滿管流出的水力現(xiàn)象。象。2、流體經(jīng)圓柱形管嘴或擴張管嘴時，由于慣性作用，、流體經(jīng)圓柱形管嘴或擴張管嘴時，由于慣性作用， 在管中某處形成收縮斷面，產(chǎn)生環(huán)行真空，從而增在管中某處形成收縮斷面，產(chǎn)生環(huán)行真空，從而增 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斷面能量方程gvgvgpzgvgpz2222222222111gvgvgppzz21

9、222212121H0作用水頭一、圓柱形外管嘴恒定自由出流一、圓柱形外管嘴恒定自由出流（1）、推導(dǎo)：）、推導(dǎo)：2c2v0HcvgvH21220管嘴出口流速0022211gHgHv流量00222gHAgHAAvQ82. 0真空的抽吸作用，流量增加對管道銳緣入口的局部阻力系數(shù)，=0.5，82. 05 . 011重點管嘴出流（2）公式：）公式： 022gHvf02gHAQ82. 0f（3） 與孔口的對比：與孔口的對比： 1 公式形式相同，但系數(shù)不同：公式形式相同，但系數(shù)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 相同時，若相同時，若A

10、也相同，則管嘴出流是孔口出流也相同，則管嘴出流是孔口出流 量的量的1.32倍。倍。gvgvpgvpaccc2222222222xagag二、二、 收縮斷面的真空收縮斷面的真空（略）（略）1 對對CC，22 列方程：列方程：gvvc2)(222hj2 xv222g2c2v0Hcv可作為突然擴大處理可作為突然擴大處理2221vvAAvcc2222111cAA022gHvn0222222211211Hgvgppgpncccavaaaa 075.0Hpvg g在在 CC處處形成形成 0.75H0 真空度。真空度。2 真空計算：真空計算：H0 9 mH0O水柱；水柱；L（34）d。 水柱時，管內(nèi)液體水柱

11、時，管內(nèi)液體pv 7m H0O實驗證明：實驗證明：將氣化，吸入空氣，破壞真空。將氣化，吸入空氣，破壞真空。三、圓柱形外接管嘴三、圓柱形外接管嘴 正常工作的條件：正常工作的條件：習(xí)題習(xí)題5-8特點：特點：（1）流體充滿整個過流斷面；）流體充滿整個過流斷面；（2）流體在壓力下流動。）流體在壓力下流動。（3）能量損失計算。）能量損失計算。 （1）連續(xù)性方程；）連續(xù)性方程；（2）能量方程；）能量方程；1、有壓管流是工程中常見的典型流動之一。、有壓管流是工程中常見的典型流動之一。2、分析有壓管流的依據(jù)：、分析有壓管流的依據(jù)：53 短管的水力計算短管的水力計算3、有壓管流分類：、有壓管流分類：（1）按局部

12、損失所占比重，可分為）按局部損失所占比重，可分為 ：短管短管局部損失、速度水頭均不可忽略的管路。局部損失、速度水頭均不可忽略的管路。長管長管局部損失、速度水頭均可忽略（或按沿局部損失、速度水頭均可忽略（或按沿 程損失的一定比例計入）。程損失的一定比例計入）。L 1000 dfhh jfhhh（2）按管道的布置與連接形式，可分為：）按管道的布置與連接形式，可分為： 簡單管路簡單管路復(fù)雜管路復(fù)雜管路短管短管 長管長管串聯(lián)管路串聯(lián)管路并聯(lián)管路并聯(lián)管路管管 網(wǎng)網(wǎng)枝狀管網(wǎng)枝狀管網(wǎng)環(huán)狀管網(wǎng)環(huán)狀管網(wǎng) 問題問題1：圖示兩根完全相同的長管道，只是安裝高度不同，：圖示兩根完全相同的長管道，只是安裝高度不同， 兩管

13、道的流量關(guān)系為：兩管道的流量關(guān)系為： （C） A.Q1Q2； C.Q1=Q2； D.不定不定問題問題2：已知一水箱外接一長：已知一水箱外接一長L的短管，自由出流時如圖的短管，自由出流時如圖A，其流量為其流量為Q1；淹沒出流時如圖；淹沒出流時如圖B，其流量為，其流量為Q2，則，則Q1與與Q2的關(guān)系為：的關(guān)系為： （A ）A.Q1=Q2； B.Q1Q2； C.Q11000 d特點：特點：（1） 局部損失、流速水頭可忽略；局部損失、流速水頭可忽略；（2）總水頭線與測壓管水頭線合。）總水頭線與測壓管水頭線合。54 長管的水力計算長管的水力計算H總水頭線與總水頭線與測壓管水頭測壓管水頭線線22528 a

14、lQlQdg22gvdlfhH一、長管的水力計算一、長管的水力計算1、計算式：、計算式：H24dQv重點2、特點：、特點：3全部的能量用于管路消耗全部的能量用于管路消耗1可按長管計算；可按長管計算；2總水頭線為數(shù)條折線；總水頭線為數(shù)條折線；3、計算：、計算：（1）流量：）流量：符合連續(xù)性方程，即流入節(jié)點的流量符合連續(xù)性方程，即流入節(jié)點的流量等于流出節(jié)點的流量。等于流出節(jié)點的流量。H = hfi =ai liQi 2 =Si Qi 2 即：即：總損失等于各段損失之和?？倱p失等于各段損失之和。（2）水頭：）水頭：iiqQQqQQqQQ1i232121一般式：式中式中 Si為管段的抗阻，為管段的抗阻

15、，Si= ai li。課本P134串聯(lián)公式5-19并聯(lián)公式5-21AB123三、并聯(lián)管路三、并聯(lián)管路在兩個節(jié)點之間并設(shè)幾條管段。在兩個節(jié)點之間并設(shè)幾條管段。1、裝置：、裝置：（1）增加了供水的可靠性；）增加了供水的可靠性；（2）兩節(jié)點間的能量損失相等。）兩節(jié)點間的能量損失相等。2、特點：、特點：（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 有壓管流的水擊有壓管流的水擊一、水擊現(xiàn)象一、水擊現(xiàn)象1、水擊、水擊在有壓管路中，由于某種外部原因，使管中在有壓管路中，由于某種外部原因，使管中 水流速度發(fā)生突變，而引起

16、壓強急劇升、降水流速度發(fā)生突變，而引起壓強急劇升、降 的交替變化，此水力現(xiàn)象稱的交替變化，此水力現(xiàn)象稱水擊水擊 或或水錘水錘。 因水擊屬非恒定流，液體的運動要素隨時間、因水擊屬非恒定流，液體的運動要素隨時間、空間而改變，故分析此種流動必須考慮慣性力作用。空間而改變，故分析此種流動必須考慮慣性力作用。2、水擊產(chǎn)生的原因：、水擊產(chǎn)生的原因：液體的可壓縮性、慣性、管壁材質(zhì)的彈性。液體的可壓縮性、慣性、管壁材質(zhì)的彈性。外因外因邊界條件突然改變，引起流速急劇變化；邊界條件突然改變，引起流速急劇變化； 內(nèi)因內(nèi)因3、分析：、分析： 水擊現(xiàn)象只發(fā)生在液體中，因氣體的壓縮性很大，而水擊現(xiàn)象只發(fā)生在液體中，因氣體

17、的壓縮性很大，而液體的較小，故當(dāng)液體的受壓急劇升高時就會產(chǎn)生水擊；液體的較小，故當(dāng)液體的受壓急劇升高時就會產(chǎn)生水擊； 管壁管壁 具有足夠的剛性才可能產(chǎn)生水擊；具有足夠的剛性才可能產(chǎn)生水擊； 如果液體是不可如果液體是不可壓縮的，管壁是完全剛性的，則水擊壓強可達(dá)到無限大。壓縮的，管壁是完全剛性的，則水擊壓強可達(dá)到無限大。 二、水擊的傳播過程二、水擊的傳播過程以較簡單的以較簡單的閥門突然關(guān)閉閥門突然關(guān)閉為例為例cp/1、分析：、分析：三、水擊壓強計算三、水擊壓強計算 為了保證壓力管路及供水系統(tǒng)安全運行，在為了保證壓力管路及供水系統(tǒng)安全運行，在 管路設(shè)計時，應(yīng)充分考慮水擊壓強。管路設(shè)計時，應(yīng)充分考慮水

18、擊壓強。1、直接水擊、直接水擊當(dāng)閉閥時間當(dāng)閉閥時間 Ts 若閥門突然關(guān)閉，即可得最大水擊壓強：若閥門突然關(guān)閉，即可得最大水擊壓強：或：或： p =c v0H =cgv0c0 聲波在水中的傳播速度；聲波在水中的傳播速度；D 管徑；管徑； 管壁厚度；管壁厚度；k水的彈性模量，查表；水的彈性模量，查表；E管材彈性模數(shù)。管材彈性模數(shù)。2 水擊波速水擊波速 c 可用以下公式計算：可用以下公式計算：2、間接水擊、間接水擊若閥門關(guān)閉時間若閥門關(guān)閉時間時，反射回來的降壓波時，反射回來的降壓波T s 2lc與閥門繼續(xù)關(guān)閉產(chǎn)生的增壓波相抵減，從而使閥門與閥門繼續(xù)關(guān)閉產(chǎn)生的增壓波相抵減，從而使閥門處的壓強增值不能達(dá)到最大，此種水擊為處的壓強增值不能達(dá)到最大，此種水擊為間接水擊間接水擊。T =2lcT 水擊波相長。水擊波相長。T s 閥門關(guān)閉時間閥門關(guān)閉時間0cvTTpsD間接水擊水擊壓強計算式：間接水擊水擊壓強計算式：三、水擊危害的預(yù)防三、水擊危害的預(yù)防4、限制管中的流速，減小管道長度，、限制管中的流速，減