第六章-孔口、管嘴出流与气体射流newxinde

工程流体力学基础第六章孔口、管嘴出流与气体射流工程流体力学基础第六章孔口、管嘴出流与气体射流本章应用流体力学基本原理(连续性方程，伯努利方程等),结合具体流动条件，研究流体经孔口、管嘴及气体射流。第一节孔口自由出流1、孔口、管嘴分类（1）按结构形式分类dδd21δ薄壁孔口dδ4d3δ~厚壁孔口dL管嘴L=(3～4)d工程流体力学基础第六章孔口、管嘴出流与气体射流1）薄壁孔口：由于壁较薄，出流流股与孔口壁接触仅是一条周线，其厚度对流动不产生显著影响。2）厚壁孔口或管嘴：出流流股先收缩后扩张，与孔口壁接触形成面而不是线。（2）按出流方式分：自由出流：液体自孔口出流到大气中。淹没出流：液体自孔口出流到另一个充满液体的空间。2、薄壁孔口自由出流如图，容器中液体从四面八方流向孔口，由于质点惯性，当绕过孔口边缘时，流线不能成直角突工程流体力学基础第六章孔口、管嘴出流与气体射流然地改变方向，而只能以曲线继续弯曲且向中心收缩，到达某一距离（大约处），断面（C-C断面）收缩到达最小。1）00为基准线，列A-A与C-C两断面的伯努利方程：AAH00CCd21eCCCCAAAAhgVαγpZgVαγpZ2222gVζhhhhCmmfe221gVαγppZZgV)ζ(αAACACACC22221d/2工程流体力学基础第六章孔口、管嘴出流与气体射流讨论：1)H0——作用水头：包括了两断面的位差，压差以及上游来流速度头。一部份克服出口处局部阻力而损失掉，另一部份变成C-C断面的动能。2）对于孔口自由出流，gVαγpp)Z(ZHAACACA220令0121gHζαVCC则aCACAppp;HZZ0γppCA∴0AV（自由液面速度可忽略不计）AAH00CC工程流体力学基础第六章孔口、管嘴出流与气体射流3）计算流量：HZZHCA0∴gHζαVCC211∴——孔口出流收缩断面速度计算式11ζαC令——流速系数gHVC2则CCCAgHAVQ02AAεC（ε：收缩系数，A：孔口面积）εAgHQ02∴AAH00CC工程流体力学基础第六章孔口、管嘴出流与气体射流从以上可知，μ与φ及ε有关，但φ接近于1，所以μ主要受收缩系数的影响。μ另02gHμAQ∴640620980970.~.ε,.~.一般62060970640970620.~...~..μ∴——流量系数4)影响孔口收缩的因素•孔口形状•孔口位置•孔口边缘工程流体力学基础第六章孔口、管嘴出流与气体射流第二节孔口淹没出流以孔口中心线为基准，取1-1及2-2两列能量方程：ehgVαγpHgVαγpH22222222111111H1CC22H1mmfehhhhgVζgVζhCCm222221而1ζ——液体流经孔口处的局部阻力系数2ζ——液体在收缩断面后突然扩大的局部阻力系数工程流体力学基础第六章孔口、管嘴出流与气体射流讨论：1）对突然扩大2）计算流量，gVαVαγppHHgV)ζ(ζC22222211212121gVαVαγppHHH222221121210令0021221gHgHζζVC∴11221212)AA-()ζA(A111ζ∵AgHεAεVAVQCCC02εμ02gHμAQ令∴11H1CC22H1工程流体力学基础第六章孔口、管嘴出流与气体射流a21ppp3）若，且忽略上下游液面的速度头HHHH210则gHμAQ2∴(与自由出流公式完全相同)1.自由出流时，水头H值系水面至孔口形心的深度；2.淹没出流时，水头H值系孔口上、下游水面高差。流速、流量与孔口在水面下的深度无关。qV1qV2qV1qV2qV1qV2qV1=qV2工程流体力学基础第六章孔口、管嘴出流与气体射流0Δpappp014）若1-1面上为有压出流gVαVαγppp)Z(ZHaa22222110210γpH00p5）气体出流一般均为淹没出流，作用水头用压强差来表示。ABAB22200)VαVρ(α)p(pγHΔpBBAABA工程流体力学基础第六章孔口、管嘴出流与气体射流)p(pρμAQBA2ρΔpμAγγHgμAgHμAQ000222∴BABAppΔp,VV0对孔口流量计，管径不变则ABAB例5-1房间顶部设置夹层，把处理过的清洁空气用风机送入夹层中，并使层中保持300Pa的压强，清洁空气在此压强作用下，能过孔板的孔口向房间流出，μ=0.6，φ=0.97，孔口直径1cm，求每个孔口工程流体力学基础第六章孔口、管嘴出流与气体射流出流的流量及速度。解：由孔口流量公式：ρΔpμAQ22421078504m.dπAsm....Q3441051021300210785060Pa300PaΔp出流速度：ρΔpVC2sm...VC7321213002970工程流体力学基础第六章孔口、管嘴出流与气体射流第三节管嘴出流如果壁厚或侧壁孔口处接一段长的圆管时，此时流动情况为管嘴出流。特点：水流入管嘴时如同孔口出流一样，管流股也发生收缩，存在着收缩断面CC（大约在处），尔后流股逐渐扩张，至出口断面上完全充满管嘴断面流出——主要目的在于增大流量。4d3δ~4d3L~AA00CCLBB0.8dLC工程流体力学基础第六章孔口、管嘴出流与气体射流1、管嘴出流流量以管嘴中心线为基准线，列A-A及B-B断面伯努利方程：2gVζ2gVαγpZ2gVαγpZ22BBBB2AAAA2gVαγpp)Z(Z2gVζ)(α2AABABA2BB2gVαγpp)Z(ZH2AABABA0令00BB2gH2gHζα1V则00B2gHμA2gHAAVQ管嘴流量AA00CCLBB工程流体力学基础第六章孔口、管嘴出流与气体射流由于出口断面B-B流股完全充满（不同于孔口）1,ζα1μB则0.5dLζ2≈λ+ζ+ζ=1,1αB取0.820.511μ∴表达式完全相同，但02gHμAQ0.62μ与孔口出流孔口出流1.320.620.82μμ孔口管嘴∴AA00CCLBB工程流体力学基础第六章孔口、管嘴出流与气体射流故同样水头同样过流断面积，管嘴的过流能力是孔口过流能力的1.32倍。2、管嘴内的真空度在C-C断面前后流股与管壁分离，中间形成涡旋区，产生负压，出现了管嘴真空现象。在H0（作用水头）中，压差项里，pC（绝对压强）小于大气压，从而使H0增大，促使出流流量增大。通过收缩断面C-C与出口断面B-B建立能量方程得：γppCA为什么？AA00CCLBB工程流体力学基础第六章孔口、管嘴出流与气体射流he=突然扩大损失+沿程损失e2BBB2CCCh2gVαγp2gVαγpBBCCBC2BmV1VAAV;1αα;2gV)dLλ(ζ2gV)dLλζ11(γpγp2Bm2BC代入上式aB022B0Bpp;H2gV2gHV而2m1)1(ζ突然扩张代入上式0222aCHdLλ1)1(11γpγpAA00CCLBB工程流体力学基础第六章孔口、管嘴出流与气体射流讨论：1）在管嘴收缩断面上，产生一个大小取决于作用水头H0的真空度，其数值相对于H0来看是一个较大值。2）H0越大，hC越大，但当时，在常温时水发生汽化而产生气泡，真空破坏，气泡与外界相连。为保证管嘴正常出流，真空值应控制在以下，即：，则允许最大作用水头0aC0.75Hγpγp0.82,3dL,0.02λ,0.64将时，0CaC0.75Hγpph故：C-C断面真空度O8mH7h2C~O7mH2O7mHh2C工程流体力学基础第六章孔口、管嘴出流与气体射流3)与孔口自由出流比较,后者出流收缩断面在大气中,而管嘴出流收缩断面为真空区,真空度达到作用水头的0.75倍,真空对液体起抽吸作用,相当与把孔口的作用水头增加75%。4）管子太长，hf增加，Q下降；若管子太短，收缩后还没完全扩大充满，真空不能完全形成，Q下降，O9.3mH0.7570.75hH2C0，故实际。0HH4)d(3L~∴工程流体力学基础第六章孔口、管嘴出流与气体射流真空输水：右侧直径1520毫米、左侧600毫米,虹吸高度均为八米，如一条巨龙伴游一条小龙匐卧在浙江杭州萧山区黄石垅水库大坝上，颇为壮观。工程中常用的虹吸管工程流体力学基础第六章孔口、管嘴出流与气体射流例5-2图示水箱中用一薄壁孔口的隔板隔开，已知孔口及两出流管嘴直径相等，均为，流入左侧水箱流量，试求两管嘴流出的流量Q1及Q2。100mmd80L/sQQQ0H1dddQ1Q2H2虹吸灌溉工程流体力学基础第六章孔口、管嘴出流与气体射流解：设H1和H2分别为左、右两侧水箱水位高度，如图所示，根据孔口淹没出流公式：根据管嘴出流公式：∵H1及H2高度不变由连续性方程)H2g(HAμ2gHAμQ21000022112gHμAQ,2gHμAQ20QQ2101QQQQQ22102gHμA)H2g(HAμ∴2201H)μμ(1H∴QQ0H1dddQ1Q2H2工程流体力学基础第六章孔口、管嘴出流与气体射流202)μμ(11μAQ2gH2022)μμ(11Q2gHμAQ∴2202gH)μμ(11μA2202212gHμA)μμ(12gHμAQQQ则2021)μμ(12gHμAQ则QQ0H1dddQ1Q2H2工程流体力学基础第六章孔口、管嘴出流与气体射流例5-3液体从封闭的立式容器中经管嘴流入开口水池，管嘴直径，，要求流量为，试求作用于容器内液面上的压强为多少？解：按管嘴出流流量公式：4πdA,0.62μ,0.82μ20将代入sm1030Q332sm1050QQQ33218cmd3mhsm10532H1H2pahp002gHμAQQQ0H1dddQ1Q2H2工程流体力学基础第六章孔口、管嘴出流与气体射流∴2220A2gμQH20mKN4.4198004.5p0.82μ取7.5mH0则hγp)H(HγppH021210而又由4.5m37.5hHγp00∴H1H2pahp0工程流体力学基础第六章孔口、管嘴出流与气体射流各种管嘴参数种类阻力系数收缩系数流速系数流量系数薄壁孔口0.060.640.970.62外伸管嘴0.510.820.82内伸管嘴110.710.71收缩管嘴0.090.980.960.96扩张管嘴410.450.45流线型管嘴0.0410.980.98工程流体力学基础第六章孔口、管嘴出流与气体射流水泵Hsz1z2HgwhgvgpzHgvgpz222222221111wgwhHhzzH12在管路系统中，水泵的扬程H用于使水提升几何给水高度Hg和克服管路中的水头损失hw。水泵扬程H工程流体力学基础第六章孔口、管嘴出流与气体射流第四节气体射流特征气体自孔口、管嘴或条缝向外喷射所形成的流动——气体射流。1、气体射流分类（1）根据空间壁面对射流扩展影响不同自由射流：不受界壁限制，自由扩展。受限射流：扩展受界壁限制。（2）根据孔口和喷嘴的几何形状圆形矩形条缝工程流体力学基础第六章孔口、管嘴出流与气体射流（3）射流温度与周围空气温度之间有无温差等温射流：t出口＝t环境非等温射流：t出口≠t环境（4）根据射流流速方向集中射流：流速向量平行。分散射流：流速向量分散。2、自由紊流射流特征（1）射流断面1）起始段(AHD-BOE)2）过渡断面(BOE)3）主体段(BOE)t出口﹥t环境，热射流t出口﹤t环境，冷射流C核心边界层主