第七章 孔口管嘴和有压管流

第七章孔口、管嘴出流和有压管流孔口自由出流管嘴出流孔口淹没出流有压管流§7.1孔口出流§7.2管嘴出流§7.3短管的水力计算§7.4长管的水力计算第七章孔口、管嘴出流和有压管流§7.1孔口自由出流在容器侧或底壁上开一孔口，容器中的液体自孔口出到大气中，称为孔口自由出流。出流到充满液体的空间，则称为淹没出流。§7.1孔口自由出流如图中所示具有锐缘的孔口，出流流股与孔口壁接触仅是一条周线，这种条件的孔口称为薄壁孔口。无论薄壁、厚壁孔口或管嘴，能量损失都发生在孔与嘴的局部为局部损失，对比管路流动而言，这正是这种流动的特点。§7.1孔口自由出流通过收缩断面形心引基准线O—O，列出A—A及C—C两断面的能量方程：CCCCCAAAAhgZpgZp2222§5.1孔口自由出流对于薄壁孔口来说将，代入上式。经移项整理得。gZZppgAACACACC22221gZZppHAACACA2200121gHCC能量作用水头，促使出流的全部令§7.1孔口自由出流令（速度系数），即φ值可通过实验测得，对圆形薄壁小孔口速度系数φ=0.97~0.98孔口出流流速，，令（收缩系数，实验得知，圆形薄壁小孔一般为0.62~0.64）所以，11C理想流体的流速实际流体的流速CCAQAAC02HgAAAQCCC§7.1孔口自由出流令（流量系数，圆形薄壁小孔一般为0.62×0.97~0.64×0.97≈0.60~0.62）故，smHgAQ302孔口淹没出流当液体通过孔口出流到另一个充满液体的空间时称为淹没出流，现以孔口中心线为基准线，取上下游自由液面l—l及2—2，列能量方程:gggZpgZpCseC2222222222221111gHHppH222221121210gggHCseCseC2222220令孔口自由出流与淹没出流其公式形式完全相问，φ、µ在孔口相同条件下亦相等，只需注意作用水头H0中各项．按具体条件代入。1,210seseCgH111121smHgAHgAQ30022令孔口淹没出流§7.2管嘴出流一、圆柱形外管嘴出流当圆管壁厚δ等于3~4d时，或者在孔口处外接一段l=3~4d的圆管时（如图1），此时的出流称为圆柱形外管嘴出流，外接短管称为管嘴。水流入管嘴时如同孔口出流一样，流股也发生收缩，存在着收缩断面C—C。尔后流股逐渐扩张，至出口断面上完全充满管嘴断面流出。一、圆柱形外管嘴出流在收缩断面c—c前后流股与管壁分离，中间形成旋涡区，产生负压，出现了管嘴的真空现象。ggZpgZpBnBBBBAAAA222222ggppZZBnBAABABA2222gZZppHAABABA220令gHBnB22000221gHgHnnBB一、圆柱形外管嘴出流0022gHAgHAAQnnB82.05.0111nBn82.0nn，其中外管嘴正常工作的条件：可见H0愈大，收缩断面上真空值亦愈大。当真空值达到7~8mH20时，常温下的水发生汽化而不断产生气泡，破坏了连续流动。同时空气在较大的压差作用下，经B—B断面冲入真空区，破坏了真空。气泡及空气都使管道内部液流脱离管内壁，不再充满断面，于是成为孔口出流。因此为保证管嘴的正常出流，真空值必须控制在7mH2O以下，从而决定了作用水头H0的极限值[H0]＝9.3m。这就是外管嘴正常工作条件之一。其次．管嘴长度也有一定极限值，太长阻力大，使流量减少。太短则流股收缩后来不及扩大到整个断面而呈非满流流出，仍如孔口一样，因此一般取管嘴长度[l]＝(3—4)d。这就是外管嘴正常工作条件之二。§7.3短管的水力计算工程上为了简化计算，按两类水头损失在全部损失中所占比重不同，将管道分为短管和长管。所谓知管是指水头损失中，沿程损失和局部损失都占相当比重，两者都不可忽略，如水泵吸水管、虹吸管、铁路涵管以及工业送风管等都是短管；长管是指水头损失以沿程损失为主，局部损失和流速水头的总和同沿程损失相比很小，忽略不计，或按沿程损失的某一百分数估算，仍能满足工程要求的管道，如城市室外给水管道就属于长管。设自由出流短管，水箱水位恒定。当忽略自由液面速度．且出流流至大气。列l—1，2—2两断面间的能量方程式：gdlhw22基本公式whgH22gdlH22gHdl21设自由出流短管，水箱水位恒定。当忽略自由液面速度．且出流流至大气。列l—1，2—2两断面间的能量方程式：基本公式gHdl21dlgHAAQ12其中流量系数设自由出流短管，水箱水位恒定。当忽略自由液面速度．且出流流至大气。列l—1，2—2两断面间的能量方程式：gdlhw22whHgdlH22gHdl21基本公式——短管淹没出流设自由出流短管，水箱水位恒定。当忽略自由液面速度．且出流流至大气。列l—1，2—2两断面间的能量方程式：基本公式——短管淹没出流gHdl21dlgHAAQ12其中流量系数含管道出口水头损失数1短管水力计算问题以上各类问题都能够通过建立伯努利方程求解，也可以直接利用公式求解。虹吸管的水计算gHdlAB212121表示：管道入口损失e管道转湾损失321,,bbb管道出口损失1c132121bbbe42dQ虹吸管的水计算——最大真空度gdlzzgppcACcca2211通过1-1、c-c断面，列伯努利方程][2max21vcACshgdlhhv][max211vABcACshHdldlhhv§7.4长管的水力计算一、简单管道沿程直径不变，流量也不变的管道称为简单管路。jfhhgH2222fhHfjhhg2222252282lQdggdlhf§7.4长管的水力计算一、简单管道沿程直径不变，流量也不变的管道称为简单管路。252282lQdggdlhf528dga2alQhHf令称为比阻上式为简单管道按比阻计算的基本公式。§7.4长管的水力计算一、简单管道沿程直径不变，流量也不变的管道称为简单管路。2alQhHf比阻a有多种计算公式。下面是土木工程中通用的一种312693.12dgn528dga代入式得：33.523.10dna§7.4长管的水力计算一、简单管道33.523.10dna§7.4长管的水力计算一、串联管路串联管路是由许多简单管路首尾相接组合而成管段相接之点称为节点，在每一个节点上都遵循质量平衡原理，即流人的质量流量与流出的质量流量相等，当ρ＝常数时，流入的体积流量等于流出的体积流量，取流入流量为正，流出流量为负，则对于每一个节点可以写出ΣQ=0。Ql＝Q2＝Q3＝Q4管路的串联与并联串联管路阻力损失，按阻力叠加原理有:结论：无中途分流或合流，则流量相等，阻力叠加，总管路的阻抗S等于各管段的阻抗叠加。23322221132131QSQSQShhhhllll管路的串联与并联二、并联管路流体从总管路节点a上分出两根以上的管段，而这些管段同时又汇集到另一节占b上，在节点a和b之间的各管段称为并联管路Q＝Q1十Q2十Q332131llllhhhh233222211QSQSQS3211111SSSS管路的串联与并联并联管路计算原则：并联节点上的总流量为各支管中流量之和；并联各支管上的阻力损失相等。总的阻抗平方根倒数等于各支管阻抗平方根倒数之和。§7.5有压管中的水击有压管中运动着的液体，由于阀门或水泵突然关闭，使得液体速度和动量发生急剧变化，从而引起液体压强的骤然变化，这种现象称为水击。水击所产生的增压波和减压波交替进行，对管壁或阀门的作用有如锤击一样，故又称为水锤。由于水击而产生的压强增加可能达到管中原来正常压强的几十倍甚至几百倍，而且增压和减压交替频率很高，其危害性很大，严重时会使管路发生破裂。有压管中水击分为四个阶段进行分析§7.5有压管中的水击有压管中水击分为四个阶段进行分析§7.5有压管中的水击有压管中水击分为四个阶段进行分析§7.5有压管中的水击水击的危害是较大的，当压力增加时，易将管子胀破，当压力为负值时，则管子易被大气压扁。所以必须减弱水击。具体的办法主要是满足Ts＞2l/C即l＜CTS/2条件，尽量减少直接水击，使△P值减小。(1)增加管路关闭(或开启)时间Ts，使过程延长；(2)在管路中装置各种安全瓣，这样在水锤发生瞬间有安全瓣将部分水从管中放出，或把部分空气引入管中。§7.5有压管中的水击