第5章孔口、管嘴和有壓管流

EngineeringFluidMechanics工程流體力學(xué)山東建筑大學(xué)目錄第1章流體及其主要物理性質(zhì)第2章流體靜力學(xué)第3章流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第4章流動(dòng)阻力和水頭損失第5章孔口、管嘴和有壓管流第6章明渠恒定流動(dòng)第五章孔口、管嘴出流及有壓管流第一節(jié)薄壁孔口出流第二節(jié)管嘴出流第三節(jié)有壓管道恒定流計(jì)算第四節(jié)有壓管中的水擊教學(xué)內(nèi)容、重點(diǎn)及難點(diǎn)

基本內(nèi)容本章在定量分析沿程水頭損失和局部水頭損失的基礎(chǔ)上，對(duì)工程實(shí)際中最常見的有壓管道恒定流動(dòng)和孔口、管嘴出流進(jìn)行水力計(jì)算。重、難點(diǎn)水頭損失的分析和確認(rèn)HH011CAACdCvCv0第一節(jié)薄壁孔口出流液體從孔口以射流狀態(tài)流出，流線不能在孔口處急劇改變方向，而會(huì)在流出孔口后在孔口附近形成收縮斷面，此斷面可視為處在漸變流段中，其上壓強(qiáng)均勻。c-c為收縮斷面，收縮系數(shù)：——收縮斷面面積——孔口斷面面積

pa對(duì)薄壁小孔口：ε=0.63~0.64孔口出流的分類——小孔口——大孔口HH011CAACdCvCv0pa射流斷面上各點(diǎn)流速相等，水頭相等射流斷面上各點(diǎn)水頭、壓強(qiáng)、流速沿孔口高度變化(1)d/Hd為孔口直徑或高度H為孔口形心以上水頭高度孔口出流的分類自由出流：孔口水流直接進(jìn)入空氣，收縮斷面壓強(qiáng)為大氣壓強(qiáng)HH011CAACdCvCv0pa(2)出流條件淹沒出流：孔口水流進(jìn)入下游水體，孔口在下游水面以下恒定出流：水箱的水面高度保持恒定(3)孔口水頭變化非恒定出流：水箱的水面高度變化對(duì)0-0，c-c

列能量方程其中設(shè)則——流速系數(shù)——流量系數(shù)其中1.薄壁小孔口自由出流HH0OOCAACdCvCv0其中則H0

作用總水頭孔口流速系數(shù)孔口流量系數(shù)流經(jīng)孔口的局部阻力系數(shù)收縮斷面突擴(kuò)的局部阻力系數(shù)2.薄壁小孔口淹沒出流對(duì)1-1，2-2

列能量方程ab完全收縮非完全收縮無收縮邊壁的整流作用會(huì)影響收縮系數(shù)，故有完全收縮與非完全收縮之分，收縮系數(shù)視孔口邊緣與容器邊壁距離與孔口尺寸之比的大小而定，大于3則可認(rèn)為完全收縮。3.流量系數(shù)的影響因素流量系數(shù)μ局部阻力系數(shù)收縮系數(shù)雷諾數(shù)邊界條件第二節(jié)管嘴出流一.管嘴出流的水力現(xiàn)象(a)外管嘴內(nèi)管嘴

(b)(c)(d)外管嘴(a)直角型外管嘴(b)收縮型外管嘴(c)擴(kuò)散型外管嘴(d)流線型外管嘴孔口周邊接長(zhǎng)度為3~4倍直徑的短管，流體經(jīng)短管流出二、管嘴恒定出流對(duì)1-1，2-2

列能量方程忽略管嘴沿程損失，且令則管嘴出口速度其中ζn為管嘴的局部阻力系數(shù)，取0.5；則流量系數(shù)流速系數(shù)說明管嘴過流能力比孔口更強(qiáng)D3～4DvCvcC管嘴出流流量系數(shù)的加大可以從管嘴收縮斷面處存在的真空來解釋，由于收縮斷面在管嘴內(nèi)，壓強(qiáng)要比孔口出流時(shí)的零壓低，必然會(huì)提高吸出流量的能力管嘴過流能力比孔口強(qiáng)的原因?qū)?/p>

B-B，c-c列能量方程取真空壓強(qiáng)和真空高度值，得由而hw

按突擴(kuò)計(jì)算，得說明管嘴真空度可達(dá)作用水頭的75％以

代入則得所以得AABBccv2HH0AABBccv2HH0又三、管嘴真空度

形成真空時(shí)作用水頭不可能無窮大，因?yàn)楫?dāng)真空度達(dá)到一定時(shí)，其壓強(qiáng)小于汽化壓強(qiáng)，出現(xiàn)汽蝕破壞，而且會(huì)將空氣從管嘴處吸入，破壞真空，而成為孔口出流。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得，當(dāng)液流為水流，管嘴長(zhǎng)度

l=(3~4)d時(shí)，管嘴正常工作的最大真空度為7.0m，則作用水頭說明圓柱形外管嘴正常工作條件是：

l=(3~4)d[H0]≤9m實(shí)際流體恒定總流能量方程沿程損失局部損失第三節(jié)有壓管道恒定流計(jì)算

已能定量分析，原則上解決了恒定總流能量方程中的粘性損失項(xiàng)。短管：長(zhǎng)管：hf與

hj均較大，不能忽略不計(jì)（hj＞5％hf）hf

很大，不能忽略，而hj可忽略不計(jì)（

hj

≤5％hf）=H0=0==管系流量系數(shù)作用水頭

H一、短管的水力計(jì)算vOO1122H自由出流vOO112233Hh=H+h0===h作用水頭

H淹沒出流vOO112233Hh=H+h0===用3-3斷面作下游斷面0h=出口水頭損失按突擴(kuò)計(jì)算vOO112233Hh管系流量系數(shù)淹沒出流與自由出流相比，作用水頭不同，管系流量系數(shù)相同，局部損失中不包含2-2斷面出口損失。

zz2112233l2l1要求確定計(jì)算已知【例】1離心泵管路系統(tǒng)的水力計(jì)算流量Q，吸水管長(zhǎng)L1，壓水管長(zhǎng)L2，管徑d，提水高度z，各局部水頭損失系數(shù)，沿程水頭損失系數(shù)水泵最大真空度不超過6m水泵允許安裝高度水泵揚(yáng)程zz2112233l2l1Q，dv【解】

水泵允許安裝高度zz2112233l2l1

水泵揚(yáng)程=提水高度+全部水頭損失作用水頭全部用于支付沿程損失1122Hvv則二、長(zhǎng)管的水力計(jì)算一、簡(jiǎn)單管路比阻單位流量通過單位長(zhǎng)度管段產(chǎn)生的水頭損失比阻S由謝才公式和曼寧公式對(duì)鋼管和鑄鐵管對(duì)塑料管材

阻力平方區(qū)過渡粗糙區(qū)【例】已知簡(jiǎn)單管路的l=2500m，H=30m，Q=250l/s，n=0.011。求管徑d?！窘狻?/p>

由得由謝才及曼寧公式，得代入數(shù)據(jù)得d＝388mm介于標(biāo)準(zhǔn)管徑350mm～400mm之間串聯(lián)管路并聯(lián)管路Q1Q2Q3QQ1122HAB1122Hl1d1l2d2Q1Q2二、復(fù)雜管路【例】已知簡(jiǎn)單管路的l=2500m，H=30m，Q=250l/s，n=0.011。求管徑d。【解】

由謝才及曼寧公式，得其中取d1=400mm，d2=350mm，得采用串聯(lián)管路，則水擊：在有壓管路中流動(dòng)的液體，由于某種外界原因，如閥門或水泵機(jī)組突然啟閉，轉(zhuǎn)向閥突然變換工位，使得液體流速發(fā)生突然變化，并由于液體的慣性作用，引起壓強(qiáng)急劇升高和降低的交替變化，這種現(xiàn)象稱為水擊。升壓和降壓交替進(jìn)行時(shí)，對(duì)于管壁和閥門的作用如同錘擊一樣，因此水擊也稱為水錘。水擊現(xiàn)象是一種典型的有壓管道非恒定流問題，在水擊現(xiàn)象中，由于壓強(qiáng)變化急劇，必須考慮流體的壓縮性及管道的彈性。第四節(jié)有壓管中的水擊水擊的危害：輕微時(shí)引起噪聲和管路振動(dòng)；嚴(yán)

重時(shí)則造成閥門損壞，管路接頭斷開，甚至引起

管路的爆裂。水擊引起的壓強(qiáng)降低，使管內(nèi)形

成真空，有可能使管路扁縮而損壞。有壓管道流動(dòng)的流量突變流速突變由于流動(dòng)的慣性，造成壓強(qiáng)大幅波動(dòng)

水擊現(xiàn)象的大致描述：流體的壓縮性和管道的彈性使波動(dòng)在管道中以有限的速度傳播Δp以閥門突然關(guān)閉為例，將有一個(gè)增壓、增密度、增管道斷面積、減流速的過程從閥門向上游傳播，壓強(qiáng)、流速、密度、管道斷面積的間斷面在管道中運(yùn)動(dòng)，這就是水擊波。水擊危害的預(yù)防（1）延長(zhǎng)閥門關(guān)閉時(shí)間；（2）縮短管路長(zhǎng)度；（3）在管路系統(tǒng)的適當(dāng)位置裝設(shè)蓄能器（空氣罐或安全閥）；（4）在管路上裝設(shè)調(diào)壓塔。

水擊的利用例如，水擊泵便是利用水擊原理設(shè)計(jì)的一種無動(dòng)力揚(yáng)水設(shè)備，這種設(shè)備對(duì)于無動(dòng)力和電源的地方是很方便的。本章作業(yè)習(xí)題5.1，習(xí)題5.9，習(xí)題5.10習(xí)題例1

薄壁孔口出流，直徑d=2cm，水箱水位恒定H=2m。求1、孔口流量Q；2、此孔口外接圓柱形管嘴的流量Qn;3、管嘴收縮斷面的真空。解：2、3、1、

解：例2如圖所示水箱用隔板分為左右兩個(gè)水箱，隔板上開一直徑d1=40mm的薄壁小孔口，水箱底接一直徑d2=30mm的外管嘴，管嘴長(zhǎng)l=0.1m,H1=3m。試求在恒定出流時(shí)的水深H2和水箱出流流量Q1，Q2。解：例3如圖所示虹吸管，上下游水池的水位差H=2.5m，管長(zhǎng)LAC=15m,LCB=25m，管徑d=200mm,沿程阻力系數(shù)λ=0.025，入口局部阻力系數(shù)ξc=1.0，各彎頭局部阻力系數(shù)0.2，管頂允許真空度7m，求通過流量及最大允許超高h(yuǎn)s最大允許超高：

例4如圖已知水泵的功率N=25kW，流量Q=60L/s，水泵的效率ηp=75%,L1=8m,L2=50m,d1=250mm,d2=200mm,λ=0.