《工程流體力學(xué)課件5孔口、管嘴出流及有壓管流》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《工程流體力學(xué)課件5孔口、管嘴出流及有壓管流（51頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 第 五 章 孔 口 、 管 嘴 出 流 及 有 壓 管 流第 一 節(jié) 孔 口 出 流第 二 節(jié) 管 嘴 恒 定 出 流第 三 節(jié) 短 管 的 水 力 計(jì) 算第 四 節(jié) 長 管 的 水 力 計(jì) 算第 五 節(jié) 離 心 式 水 泵 裝 置 及 其 水 力 計(jì) 算 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 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) H

2、H0OO CA ACd C vCv0 gv2 200 第 一 節(jié) 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) ： cAA 收 縮 斷 面 面 積 孔 口 斷 面 面 積 bl 32 al 31 1l2l ab 完 全 收 縮 非完全收縮無 收 縮邊 壁 的 整 流 作 用 會 影 響 收 縮 系 數(shù) ， 故 有 完 全

3、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 。 H H0OO CA ACd C vCv0 gv2 200 孔 口 出 流 的 分 類恒 定 出 流 、 非 恒 定 出 流 ；淹 沒 出 流 、 自 由 出 流 ；薄 壁 出 流 、 厚 壁 出 流 。101Hd 小 孔 口101Hd 大 孔 口對 薄 壁 小 孔 口 ： = 0.630.64 wcc hgvgvH 22 2200 對 0-0， c-c 列 能 量 方 程其 中 gvhh cjw

4、 220設(shè) gvHH 2 2000 000 221 gHgHv cc 98.097.0則 00 22 gHAgHAAvQ cc 流 速 系 數(shù) 流 量 系 數(shù)62.060.0其 中 1.薄 壁 小 孔 口 自 由 出 流H H0OO CA ACd C v Cv0 gv2 200其 中 00 111 c 則 H0 作 用 總 水 頭 孔 口 流 速 系 數(shù) 孔 口 流 量 系 數(shù)）（）（ gvaHgvaHH 22 222220010 流 經(jīng) 孔 口 的 局 部 阻 力 系 數(shù)0 收 縮 斷 面 突 擴(kuò) 的 局 部 阻 力 系 數(shù)e 98.097.0 62.060.0 2.薄 壁 小 孔 口 淹

5、沒 出 流對 1-1， 2-2 列 能 量 方 程 gvgvHgvH ce 2)(22 2022222001 000 221 gHgHv ec 00 22 gHAgHAAvQ cc 大 孔 口 出 流 的 流 量 系 數(shù) ， 可 查 表 大 孔 口 形 心 的 水 頭0H 3.大 孔 口 恒 定 出 流大 孔 口 出 流 的 流 量 公 式 形式 不 變 ， 只 是 相 應(yīng) 的 水 頭應(yīng) 近 似 取 為 孔 口 形 心 處 的值 ， 具 體 的 流 量 系 數(shù) 也 與小 孔 口 出 流 不 同 。由 于 孔 口 各 點(diǎn) 的 作 用 水 頭 差 異 很 大 ， 如 果 把 這種 孔 口 分 成

6、若 干 個(gè) 小 孔 口 ， 對 每 個(gè) 小 孔 口 出 流可 近 似 用 小 孔 口 出 流 公 式 ， 然 后 再 把 這 些 小 孔口 的 流 量 加 起 來 作 為 大 孔 口 的 出 流 流 量 。 在 dt 時(shí) 段 內(nèi) hAtghA dd2 0 hhgAAt d2d 0則 液 面 從 H 1 降 至 H 2 所 需 時(shí) 間)(22d2 210021 HHgAAhhgA At HH 容 器 放 空 （ 即 H 2 0） 時(shí) 間 m ax110100 2222 QVgHA HAgA HAt H 1 H 2 h dh A0H HH H 4. 孔 口 非 恒 定 出 流 第 二 節(jié) 管 嘴

7、恒 定 出 流一 . 管 嘴 出 流 的 水 力 現(xiàn) 象(a) 外 管 嘴內(nèi) 管 嘴(b) (c) (d) (e)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 二 、 管 嘴 恒 定 出 流對 1-1， 2-2 列 能 量 方 程 whgvgvH 22 2200 忽 略 管 嘴 沿 程 損 失 ， 且 令gvHH 2 2000 則 管 嘴 出 口 速 度 00 221 gHgHv n 00 22 gHAgHAvAQ nn 其 中 為 管 嘴 的 局 部 阻 力 系 數(shù) ， 取 0.5； 則流 量 系 數(shù) 82.05

8、.01 11 n流 速 系 數(shù) 說 明 管 嘴 過 流 能 力 更 強(qiáng)82.0 nn 62.060.0孔 口 98.097.0孔 口 ？ D 3 4D vC vcC 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 提 高 吸 出 流 量 的 能 力 。 對 B-B， c-c 列 能 量 方 程 wBccc hgvgpgvgp 22 22 取 真 空 壓 強(qiáng) 和 真 空 高 度 值 ， 得 Bjcccvcvc hgvgv

9、gph 22 22 由 02gHv n而 h w 按 突 擴(kuò) 計(jì) 算 ， 得 022222 )11(2)1(2 HgvAAgvhh ncjw 說 明 管 嘴 真 空 度 可 達(dá) 作 用 水 頭 的 75以 代 入1,82.0,64.0 n則 0222 )11( Hh nvc 得 0222 Hgv n所 以 0222 12 Hgv nc 075.0 Hhvc 得AA BBcc v2HH 0 HH vvAAv cc 1又 三 、 管 嘴 真 空 度 形 成 真 空 時(shí) 作 用 水 頭 不 可 能 無 窮 大 ， 因 為 當(dāng) 真空 度 達(dá) 到 一 定 時(shí) ， 其 壓 強(qiáng) 小 于 汽 化 壓 強(qiáng) ，

10、出 現(xiàn) 汽 蝕破 壞 ， 而 且 會 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 得 ， 當(dāng) 液 流 為 水 流 ， 管 嘴 長 度 l =(34)d 時(shí) ， 管 嘴 正 常 工 作 的 最 大 真 空 度 為 7.0m， 則 作 用 水頭 m975.0 m7 0 H 說 明 圓 柱 形 外 管 嘴 正 常 工 作 條 件 是 ： l = (3 4) dH 09m 212222221111 22 whgvpzgvpz 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 路 水 力 計(jì) 算 已 能

11、 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 管 ： hf 與 hj 均 較 大 ， 不 能 忽 略 不 計(jì) （ hj 5 hf）h f 很 大 ， 不 能 忽 略 ， 而 hj可 忽 略 不 計(jì) （ hj 5 hf） jf hhgvpzgvpz 212222221111 2)()2( = H 0 =0 gvdl 22gv22 gv2)( 2=管 系流 量系 數(shù)作 用水 頭 H 一 、 短 管 的 水 力 計(jì) 算gHdlv 21 1 gHAvAQ c 2 dlc 1 1 v OO 11 22 H自 由 出 流 v OO 1

12、1 22 33 Hh jf hhgvpzgvpz 212222221111 2)()2( = H+h 0 = gvdl 2 2gv22 gv2)( 2=h作 用水 頭 H 淹 沒 出 流 v OO 11 22 33 Hh 3221212333321111 2)()2( jjf hhhgvpzgvpz = H+h 0 = gvdl 2 2 gv2)( 2= 用 3-3斷 面 作下 游 斷 面 0h gvgvv 22 )( 2232 =出 口 水 頭 損 失按 突 擴(kuò) 計(jì) 算 v OO 11 22 33 Hh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

13、系 流 量 系數(shù) 相 同 ，局 部 損 失中 不 包 含2-2斷 面 出口 損 失 。 dl c 1 1gHAvAQ c 2 gHdlv 21 1 zz241 2 3 511 22 33l2l1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 L1， 壓 水 管 長 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 zz241 2 3 511 22 33l2l1 0.

14、15 Q， d v【 解 】 水 泵 允 許 安 裝 高 度 zz241 2 3 511 22 33l2l1 0.15 水 泵 揚(yáng) 程 = 提 水 高 度 + 全 部 水 頭 損 失 l1 132 l22 有 壓 泄 水 道 的 水 力 計(jì) 算 泄 流 量 Q，畫 出 水 頭 線 圓 形 隧 洞 求已 知 21 l1 132 l2出 口 斷 面 由 A縮 小 為 A2出 口 流 速 管 內(nèi) 流 速 新 增 出 口 局 部 損 失 321 l1 132 l2出 口 斷 面 縮 小出 口 流 速 稍 有 增 大 管 中 流 速 卻 顯 著 減 小出 流 量 減 小 沿 程 壓 強(qiáng) 增 高 入 口

15、斷 面 0-0， 任 意 斷 面 i-i 通 過 有 壓 管 道 定 常 流 動(dòng) 的 水 力 計(jì) 算 ， 容 易 確 定 沿 程 壓強(qiáng) 的 分 布 ， 得 到 測 壓 管 水 頭 線 。 測 壓 管 水 頭 線 低 于 管 軸線 ， 為 負(fù) 壓 。 工 程 中 有 時(shí) 需 要 避 免 壓 力 的 低 值 ， 為 此 找出 管 道 中 的 壓 力 最 低 點(diǎn) ， 檢 驗(yàn) 其 是 否 滿 足 要 求 。 如 壓 力過 低 ， 可 采 取 調(diào) 整 管 道 位 置 高 程 、 降 低 流 速 等 措 施 解 決 。壓 強(qiáng) 沿 程 變 化 和 水 頭 線 的 繪 制 v122g v222g管道突然縮小總

16、水頭線測壓管水頭線v 122g v222g管道突然放大總水頭線測壓管水頭線 作 用 水 頭 全 部 用 于 支 付 沿 程 損 失11 22 Hv v 2 20 02 2 wv vH hg g 則 2522 82 lQdggvdlhH f 二 、 長 管 的 水 力 計(jì) 算一 、 簡 單 管 路比 阻 單 位 流 量 通 過 單位 長 度 管 段 產(chǎn) 生 的 水頭 損 失 528 dgS smvdS /2.1001736.0 3.5 ； smvdvS /2.1)001736.0(867.01852.0 3.53.0 ；）（ 226.0774.4000915.0 QdS 比 阻 S由 謝 才 公

17、 式 和 曼 寧 公 式對 鋼 管 和 鑄 鐵 管對 塑 料 管 材 阻 力 平 方 區(qū) 過 渡 粗 糙 區(qū) 【 例 】 已 知 簡 單 管 路 的 l =2500m， H =30m， Q =250l/s， n =0.011。 求 管 徑 d?！?解 】 2SlQH 由 得 622 /ms192.0 lQHS由 謝 才 及 曼 寧 公 式 ， 得 33.5 23.10d nS 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 ni iiini fi QlShH 1 21 并 聯(lián) 管 路 iQQQQ 21Q 1Q2Q3 QQ11 22H A

18、B wiwwwBwA hhhhh 321 ni iQQ 11 1 22H l1 d1 l2 d2Q1 Q2二 、 復(fù) 雜 管 路 【 例 】 已 知 簡 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 33.5 23.10d nS 其 中 取 d 1=400mm， d2=350mm， 得采 用 串 聯(lián) 管 路 ， 則2 21 1 2 21 2 302500H S lQ S l Ql l l 1 2404m , 2096ml l 沿 程 均 勻 泄 流 管 路x dx 管 路 中 任

19、一 點(diǎn) 處 流 量 xlQQQQ yyzx 則 xlQQQSxSQh yyzf d)(dd 22 取 比 阻 S為 常 量 ， 上 式 積 分 得 2 221( )3( 0.55 )f z z y yz yh Sl Q Q Q QSl Q Q 水 處 理 構(gòu) 筑 物 的 多 孔 配 水 管 ， 冷 卻 塔 的 布 水 管 ， 以 及 城 市自 來 水 管 道 的 沿 途 泄 流 ， 隧 道 工 程 中 長 距 離 通 風(fēng) 管 道 的 漏 風(fēng) 等水 力 計(jì) 算 。 2cSlQ若 無 轉(zhuǎn) 輸 流 量 Qz=0， 則 213f yh SlQH QzQyl 管 網(wǎng) 樹 狀 管 網(wǎng) ：環(huán) 狀 管 網(wǎng) ：

20、 管 線 短 ， 管 徑 相 對 大 ， 投 資 小 ， 但 可 靠 性 差管 線 長 ， 管 徑 相 對 小 ， 投 資 大 ， 但 可 靠 性 好 分 叉 管 路H A B CD 各 支 管 按 串 聯(lián) 算 ， 支 管 之 間按 并 聯(lián) 算 。 第 四 節(jié) 水 泵 水 力 計(jì) 算裝 置 原 理 自 灌 式 ： 水 泵 泵 軸 低 于 吸 水 池 水 面吸 入 式 ： 水 泵 泵 軸 高 于 吸 水 池 水 面性 能 參 數(shù)Ht 揚(yáng) 程Q 流 量N 軸 功 率 N 有 效 功 率 效 率n 轉(zhuǎn) 速h v 允 許 吸 水 真 空 度wdst hHHH tgQHN 【 例 】 水 泵 功 率 N

21、=25kW,流 量 Q =60L/s,效 率 p=75%,吸 水管 l1=8m, d1=250mm,壓 水 管 l2=50m,d2=200mm,=0.025,底 閥fv=4.4,彎 頭 b=0.2,閥 門 v=0.5,逆 止 閥 sv=5.5,水 泵 允 許 真 空 度hv =6m。 求 水 泵 安 裝 高 度 zs,水 泵 提 水 高 度 H g。H s zsd1 d2l1 l2水泵 閥門 逆止閥底 閥1 1 22 【 解 】 1 214 0.446m /sQv d 2 0.7m /sv 對 1， 2列 伯 努 利 方 程 211(1 )2s v fv bl vz h d g 6 0.09

22、5.91m 28 0.4466 (1 0.025 4.4 0.2)0.25 2 9.8 H s zsd1 d2l1 l2水泵 閥門 逆止閥底 閥1 1 3 3 2 21 1 2 2 1 2(1 ) ( )2 2g t fv b v sv bl v l vH H d g d g 對 1， 3列 伯 努 利 方 程 tp gQHN 31.89mpt NH gQ 250 0.731.89 0.09 (0.025 0.5 5.5 0.2)0.2 2 9.8 31.49m 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 突 然 關(guān) 閉 、 水 泵

23、 或 水 輪 機(jī) 組 突 然 停 車 等 ） ， 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 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

24、。第 五 節(jié) 水 擊 現(xiàn) 象 及 其 預(yù) 防 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

25、 傳 播 p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 閥 門 關(guān) 閉 時(shí) 間 ；（ 2） 縮 短 管 路 長 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 ，

26、 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 于 無 動(dòng) 力 和 電 源 的 地 方 是 很 方 便 的 。 本 章 作 業(yè)習(xí) 題 5.2，習(xí) 題 5.4，習(xí) 題 5.10，習(xí) 題 5.16 第 五 章 習(xí) 題 解 答5.2 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 Q n; 3、 管 嘴 收 縮 斷 面 的 真 空 。 解 ：2、3、 1、 slggHAQ 219.122402.062

27、.02 2 slggHAQ nn 612.122402.082.02 2 mHgpv 5.1275.075.0 kPaPapv 7.1414700 解 ：5.4 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 d 2=30mm的 外 管 嘴 ， 管 嘴 長 l=0.1m,H 1=3m。 試 求在 恒 定 出 流 時(shí) 的 水 深 H 2和 水 箱 出 流 流 量 Q1， Q 2。 1.08.9203.0482.0 2 3204.0460.0 2 22 222 22 2111 Hl

28、HgAQ HgHHgAQ n 解 ：5.10 如 圖 所 示 虹 吸 管 ， 上 下 游 水 池 的 水 位 差 H=2.5m， 管 長LAC=15m,LCB=25m， 管 徑 d=200mm,沿 程 阻 力 系 數(shù) =0.025，入 口 局 部 阻 力 系 數(shù) c=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 hs。最 大 允 許 超 高 ： smgHdlv beAB /5392.22131 smvAQ /0798.0 3 mhgp vv 7 mgvdlgph ACACvs 5938.56.19539

29、2.2)22.012.015025.01(7 2)( 2 5.16 如 圖 已 知 水 泵 的 功 率 N=25kW， 流 量 Q=60L/s， 水 泵 的效 率 p=75%,L1=8m,L2=50m,d1=250mm,d2=200mm, =0.025,底 閥 =4.4， 一 個(gè) 彎 頭 =0.2， 閥 門 =0.5，逆 止 閥 =5.5， 水 泵 的 允 許 真 空 度 hv=6m,求 ： 1、 水 泵 的 安 裝 高 度 zs; 2、 水 泵 的 提 水 高 度 Hg.解 ： smAQv /22.125.0785.0 06.0 211 smAQv /91.120.0785.0 06.0 2

30、22 以 水 池 水 面 為 基 準(zhǔn) 面 0 0， 先 對 0 0與 水 泵 進(jìn) 口 前 1 1列 能 量 方 程 ：仍 以 水 池 水 面 為 基 準(zhǔn) 面 0 0， 對 0 0與 水 塔 水 面 2 2列 能 量 方 程 ：10211 200 wsa hgvgpzgp mgvdlhhgvgppz bfvvwas 51.52)1(2 211110211 2000000 wgt hHH 20 wtg hHHp tgQHN mgQNH pt 89.3106.09800 10002575.0 mgvdlgvdlh bsvvbfvw 91.25.241.02)(2)( 22220211120 mH g 98.2891.289.31