第五章-孔口管嘴管路流动(改)

第五章孔口管嘴管路流动本章将运用前几章中的流体力学理论，主要是流体连续性方程、能量方程和能量损失规律，研究孔口、管嘴与有压管道的过流能力（流量）、流速及压强的计算及其工程应用。另外还将介绍有压管中的水击现象。孔口、管嘴出流与有压管流是工程中最常见的流动现象。例如通风工程中通过门、窗的气流；给排水工程中的各类取水；泄水孔口中的水流；以及某些流量测量设备中的流动等均与孔口出流有关。消防水枪则属于管嘴出流。有压管流则是市政建设、给水排水、采暖通风、热能动力等工程中最常见的流动。因此，研究该种流动现象的基本特性与计算方法具有重要的工程实际意义。第一节薄壁孔口自由出流一.孔口自由出流在盛有流体的容器上开孔后，流体会通过孔口流出容器，这种流动称为孔口出流。液体经孔口流入大气的出流称为自由出流。液体经孔口流入充满液体的空间称为淹没出流。孔口断面上：急变流。薄壁孔口：孔口具有尖锐边缘，出流流股与孔口壁接触仅是一条周线。厚壁孔口或管嘴：孔壁厚度和形状促使流股收缩后又扩开，与孔壁接触形成面而不是线。收缩断面：出流流股距1/2孔径处，断面收缩达到最小，流线趋于平直，成为渐变流。对A—A液面与C—C断面列能量方程：eCCCCAAAAhgpZgpZ2222ghhcme221薄壁孔口gppZZgAACACACC2)(2)(221移项整理gppZZHAACACA2)(20令0121gHCC出口流速cH0称为作用水头，是促使出流的全部能量。0aACppp自由出流、自由液面gHCC2)(210即自由液面速度0A显然HH0令11111C称为流速系数，它表示无能量损失时，理想流速与实际流速之比。。98.0~97.0出口流量：0022gHAgHAAQCC02gHC其中，称为孔口收缩系数。，称为流量系数。。。AAc64.0~62.062.0~60.0当计算流量Q时，根据具体的孔口及出流条件，确定及H0。二、各种收缩情况1．全部收缩与非全部收缩当孔口离容器的其它各壁面有一定距离时，水股在四周方向上均能够发生收缩，称之为全部收缩（如孔口Ⅰ、Ⅲ和Ⅵ），否则为非全部收缩（如孔口Ⅱ）。2．完善收缩与不完善收缩当孔口距离容器的其它各壁面的距离足够大以后，水股在四周各方向上可以充分地收缩，与孔口离容器其它各壁面的距离无关，称这种收缩为完善收缩（如图中孔口Ⅰ、Ⅵ），否则为不完善收缩（如孔口Ⅲ）。XSC1非全部收缩时式中—全部收缩时孔口流量系数；—不完善收缩时孔口流量系数；S—未收缩部分周长；X—孔口全部周长；C—系数，圆孔取0.13，方孔取0.15。当发生不完善收缩时，会增加，相应流量系数值亦将增大。两者之间关系可用经验公式表示。不完善收缩时及亦将增大，亦可按经验公式估算，如式中—全部完善收缩时孔口流量系数；—不完善收缩时孔口流量系数；A—孔口面积；A0—孔口所在壁面的全部面积。2064.01AA上面的计算公式适用条件是，孔口在壁面的中心位置，各方向上影响不完善收缩的程度近于一致的情况。第二节孔口淹没出流对1、2两断面列能量方程（参见图A）：gppHHH222221121210令一.液体淹没出流gggpHgpHCC222222212222221111gHC2)(2210001021221121gHgHgHC121111)111(11C孔口自由出流若，，则021021ppHH0。流量：0022gHAgHAQgHAQ2二.压力容器出流gppZZHAAaCA2)(200液体自由出流：02002pHgpHHAA液体淹没出流：gppHHHBBAAaBA2)(2200gpHHBBAA22200BAppp002pAQ三.气体淹没出流2)()(220BBAABAppp孔板流量计（参见图B）)(220BAppApAQ例5—1.已知：mmH2O，mm，mm求：50p200D80d?Q解：mH2O，，阻力平方区查图C得m3/s05.01000509807807.950210ppHDdRe,4.0208Dd61.0003033.0Q2.15.490p61.000502.008.042A0876.02pAQ解：m3/sm2，Pa，kg/m3，例5—2（气体）.已知：例5—3.已知：Pa，cm300p1d01.06.097.02.14210785.04dA4105.102pAQ73.212pcmkg/m3m2m/sm3/s解：，，，第三节管嘴出流dl4~3d4~3一.圆柱形外管嘴出流对A、B两断面列能量方程：gppHHAABA220或第三节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，促使出流流量增大，这是管嘴出流不同于孔口出流的基本特点。ggpZgpZBBBBBAAAA222222ggppZZBBAABABA2)(2)(22gHBB2)(20对C、B两断面列能量方程：82.05.000221gHgHBB，gHAgHAgHAAQB22200111B锐缘进口lBBBCCChgpgp2222gdlhBml221BCBC1aBppgdlppBBmBC2122∵∴0222HgB211m0222111HdlppaC64.002.03/dl82.0若075.0HppaC则075.0HHC断面C—C真空值075.0HppCa当OmHHC28~7断面C—C产生气泡，进来空气，真空破坏。为保证管嘴正常出流OmHHC27OmHHH20093.0][外管嘴正常工作条件之一管嘴正常工作条件之二dl4~3二.其它类型的管嘴1.流线型管嘴：，适用于要求流量大，水头损失小，出口断面上速度分布均匀的情况。97.02.收缩圆锥型管嘴：出流与收缩角度有关。＝30°24´，＝0.963，=0.943为最大值。适用于要求加大喷射速度的场合。如消防水枪。3.扩大圆锥型管嘴：当＝5~7°时，。用于要求将部分动能恢复为压能的情况如引射器的扩压管。50.0~42.008.0d3h2105Q?0p02gHAQmhHp5.40041.40pEx5—4.已知：m，m，m3/s求：解：＝＞kPa22202AgQH82.0mH5.70第四节简单管路•一.管道的分类1.按结构划分：①简单管路：管径不变，没有分叉的管道,Q或v相同。②复杂管路：两根或两根以上的简单管道组合成的管道系统。•2.按管中压力分：•①有压管道：管内表压不等于零（），供水、煤气、通风、电站引水管。•②无压管道（涵管）：管内表压等于零（），非满管流动(如排水管道，管内存在自由液面的情况)。0p0p二.简单管路的计算1.阻抗及简单管路流动规律2428QgddlH其中称为液体管路阻抗从而2QSHHl其中包括105242/8msgddlSH对于气体管路22QSQSppH称为气体管路阻抗对于一定的流体，在d、l已给定时，S只随和变化。当流动处在阻力平方区时，仅与k/d有关，所以在管路的管材已定的情况下，值可视为常数。中只有进行调节的阀门的可以改变，而其它局部构件已确定的局部阻力系数是不变的。所以SP、SH对已给定的管路是一个定数，它综合反映了管路上的沿程阻力和局部阻力情况，故称为管路阻抗。742/8mkgddlSSHp其中简单管路流动规律：总阻力损失与体积流量平方成正比，比例系数为管路阻抗。•Ex5—5.已知：m2，m，，•m3/s，m2/s•求：•解：mm，m，m/s，••，•查Moody图2.11A50l5.214Q6107.15?lp5.1K09.12baabde65.11AQ5108Reed31038.1edK021.084.28222AQdlpPa)20(Ct20210QSpHhpHHHli2.水泵系统管路计算对1、2两液面列能量方程，得水泵水头(又称扬程)，不仅用来克服流动阻力，还用来提高液体的位置水头、压强水头，使之流到高位压力水箱中。3.虹吸管路计算虹吸管：管道中一部分高出上游供水液面的简单管路。出现气候汽化。为了保证虹吸管正常流动，必须限定虹吸管中存在真空区段。当或][VVhhsppmhV5.8~7][HSHQ0][VCahppEx5—6.已知：m，m，m，m，，，，m求：及2H151l202l2.0d1e2.0b10025.07vh?Q?maxh解：2QSHHgddllSbeH4202138m3/sm3/sm3/ssmSHQH/0745.03•对1、C两断面列能量方程：max212222hgdlgppbeCamax21221hgdlppbeCamax21221hgdlhbev＝＞m78.5maxh第五节管路的串联与并联•一.串联管路321QQQQ321SSSS32131llllhhhh2321)(QSSS串联管路计算原则：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。不可压缩流体管段相接之点称为节点。每个节点上都遵循质量平衡原理。0m321mmmm或＜—＞I＜—＞U＜—＞R二.并联管路节点a：分流点；节点b：合流点；a和b之间各管段称为并联管路。321QQQQblalllhhhh3212233222211SQQSQSQS3211111SSSS＜—＞I＜—＞U＜—＞R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。3113SSQQ1221SSQQ2332SSQQEx5—7.已知：m，m，；m，，，m3/s02.01d201l15102.02d102l152025.03101Qm求：及?1Q?2Q321321111SSSQQQ：：：：并联管路流量分配规律：各分支管路的几何尺寸、局部构件确定后，按照节点间各分支管路的阻力损失相等，来分配各支管上的流量，阻抗S大的支管其流量小，S小的支管其流量大。解：122121SSQQQQQ解之得：311045.0Q321055.0Qm3/sm3/s7111/1003.2mkgS7112/1039.1mkgS阻力平衡：1.在满足用户需要的流量条件下，设计合适的管路尺寸及局部构件，使各并联支管上阻力损失相等。2.若要求并联支管流量相等