流體力學(xué)第五章-孔口出流--ppt課件

1、孔口出流孔口出流孔口出流（孔口出流（orifice dischargeorifice discharge）：）： 在容器壁上開孔，水經(jīng)孔口流出的水力現(xiàn)在容器壁上開孔，水經(jīng)孔口流出的水力現(xiàn)象就稱為孔口出流，象就稱為孔口出流， 薄壁孔口出流：薄壁孔口出流：L/d 2厚壁孔口出流：管嘴出流厚壁孔口出流：管嘴出流 小孔口（小孔口（small orifice small orifice ）：當(dāng)孔口直徑）：當(dāng)孔口直徑d d（或高度（或高度e e）與）與孔口形心以上的水頭高度孔口形心以上的水頭高度H H的比值小于的比值小于0.10.1，即，即d d/ /H H0.10.10.1時，需考時，需考慮在孔口射流斷

2、面上各點的水頭、壓強、速度沿孔口高度的慮在孔口射流斷面上各點的水頭、壓強、速度沿孔口高度的變化，這時的孔口稱為大孔口。變化，這時的孔口稱為大孔口。 1.1.根據(jù)根據(jù)d d/ /H H的比值：大孔口、小孔口的比值：大孔口、小孔口 一、分類一、分類二、管嘴出流：在孔口周邊連接一長為二、管嘴出流：在孔口周邊連接一長為334 4倍孔徑的短管，水倍孔徑的短管，水經(jīng)過短管并在出口斷面滿管流出的水力現(xiàn)象，稱為管嘴出流。經(jīng)過短管并在出口斷面滿管流出的水力現(xiàn)象，稱為管嘴出流。 圓錐形擴張管嘴：較大過流能力，較低出口流速。圓錐形擴張管嘴：較大過流能力，較低出口流速。 引射器，水輪機尾水管，人工降雨設(shè)備。引射器，水

3、輪機尾水管，人工降雨設(shè)備。圓錐形收縮管嘴：較大出口流速。水力挖土機噴嘴，圓錐形收縮管嘴：較大出口流速。水力挖土機噴嘴， 消防用噴嘴。消防用噴嘴。流線形外管嘴：無收縮擴大，阻力系數(shù)最小。水壩泄流流線形外管嘴：無收縮擴大，阻力系數(shù)最小。水壩泄流 圓柱形外管嘴：先收縮后擴大到整滿管。圓柱形外管嘴：先收縮后擴大到整滿管。2ld一般孔口邊緣呈刃口形一般孔口邊緣呈刃口形狀，各種結(jié)構(gòu)形式的閥狀，各種結(jié)構(gòu)形式的閥口大多都屬于薄壁小孔口大多都屬于薄壁小孔類型。類型。5.1 薄壁孔口出流薄壁孔口出流5.1.1 孔口出流的速度和流量計算孔口出流的速度和流量計算收縮系數(shù)收縮系數(shù)ccACA在在1-1,C-C斷面列伯努利

4、方程：斷面列伯努利方程：42121ccpvdCD22211222cccpvvpvgggggAvCAvAvcccc11根根據(jù)據(jù)連連續(xù)續(xù)方方程程：理理得得，代代入入伯伯努努利利方方程程，整整，所所以以，221ppvDdCvccc014DdDd，有有）對對于于小小孔孔口口：（1221cvppvC出流速度出流速度 簡化為：簡化為：cv22vcccccvqppqA vC AvC C AC A流量為：流量為：其中：其中：11vC稱為流速系數(shù)。稱為流速系數(shù)。其中：其中：1cqcvCCC C稱為流量系數(shù)。稱為流量系數(shù)。40.630.37cdCD 442222211cvccpgHvCgHddCCDD出流速度為出

5、流速度為42221vcccqcgHqA vC AC AgHdCD流量為流量為4211vcCdCD流速系數(shù)流速系數(shù)421cqcvcCCC CdCD流量系數(shù)流量系數(shù)vC一、流速系數(shù)一、流速系數(shù) :5.1.2 孔口出流系數(shù)孔口出流系數(shù)出流速度出流速度 ：gHCpCpvvvc22211而理想流速為而理想流速為 ：gHpv22T（1）（2）比較（比較（1）、（）、（2）兩式：）兩式：TcvvvC 孔口阻力系數(shù)越大，實際流速越小，流速系數(shù)也就越小。孔口阻力系數(shù)越大，實際流速越小，流速系數(shù)也就越小。實際流速與理想流速之比，實際流速與理想流速之比，流速系數(shù)的測定流速系數(shù)的測定應(yīng)注意到：孔口出流進入大氣后即成平

6、拋運動。應(yīng)注意到：孔口出流進入大氣后即成平拋運動。 流量系數(shù)流量系數(shù) ：qC。就可以得到就可以得到和和，測得，測得可見，只要測得可見，只要測得qVCqAH實際流量與理想流量之比。實際流量與理想流量之比。流量為：流量為：gHACpACqqqV22而理想流量：而理想流量：（1）（2）比較（比較（1）、（）、（2）兩式：）兩式：TVqqqC gHApAq22TvqcCCC收縮系數(shù)收縮系數(shù) ：cC112vC阻力系數(shù)阻力系數(shù) ：0.640.06流量系數(shù)流量系數(shù) ：qCTVqqqC 0.62流速系數(shù)流速系數(shù)vC0.975.2 厚壁孔口出流厚壁孔口出流24ld厚壁孔口：厚壁孔口：1. 厚壁孔口只有內(nèi)收縮而無

7、外厚壁孔口只有內(nèi)收縮而無外收縮，此時收縮系數(shù)收縮，此時收縮系數(shù)CC=1與小孔口出流對比，其特點特與小孔口出流對比，其特點特點：點：2. 總局部阻力系數(shù)包括三部分：總局部阻力系數(shù)包括三部分：a) 入口系數(shù)（相當(dāng)于薄壁孔口入口系數(shù)（相當(dāng)于薄壁孔口出流；出流；b) c-c斷面后擴張阻力系數(shù)（可按突擴計算），斷面后擴張阻力系數(shù)（可按突擴計算），c) 后半段后半段上的沿程當(dāng)量系數(shù)。上的沿程當(dāng)量系數(shù)。）（dle21212211vpvgHCgH22vvqqAvC AgHC AgH5.2.1 厚壁孔口出流的速度和流量厚壁孔口出流的速度和流量5.2.2 厚壁孔口出流系數(shù)厚壁孔口出流系數(shù)1C c收縮系數(shù)收縮系數(shù)

8、：cC321阻力系數(shù)阻力系數(shù) ：流速系數(shù)流速系數(shù) ：vC11vC流量系數(shù)流量系數(shù) ：vCvqCC 10.50.820.825.3 幾種孔口出流性能比較幾種孔口出流性能比較小小。的的大大小小并并不不代代表表流流量量大大積積不不等等時時，出出口口面面積積和和器器壁壁上上的的面面qC為什么厚壁孔口流量大于薄壁孔口流量？為什么厚壁孔口流量大于薄壁孔口流量？5.4 機械中的氣穴現(xiàn)象機械中的氣穴現(xiàn)象5.4.1 5.4.1 氣穴概念氣穴概念氣穴產(chǎn)生的條件：局部地區(qū)的高速和低壓。氣穴產(chǎn)生的條件：局部地區(qū)的高速和低壓。5.4.2 5.4.2 節(jié)流氣穴節(jié)流氣穴5.4.3 5.4.3 泵進口處的氣穴泵進口處的氣穴防

9、止泵前氣穴的方法：防止泵前氣穴的方法：1. 降低吸水高度；降低吸水高度；2. 降低吸水管、吸油管的局部沿程阻力；降低吸水管、吸油管的局部沿程阻力；3. 加大管徑以降低流速；加大管徑以降低流速；4.減少進水管輸送長度。減少進水管輸送長度。5.5.1 相似概念相似概念力學(xué)相似力學(xué)相似是指實物流動與模型流動在對應(yīng)點上物理量都是指實物流動與模型流動在對應(yīng)點上物理量都應(yīng)該有一定的比例關(guān)系，具體包括應(yīng)該有一定的比例關(guān)系，具體包括幾何相似、運動相似幾何相似、運動相似及動力相似：及動力相似：1）幾何相似）幾何相似： 即模型流動與實物流動有相似的邊界形即模型流動與實物流動有相似的邊界形狀，一切對應(yīng)的線性尺寸成比

10、例。狀，一切對應(yīng)的線性尺寸成比例。 如果用無上標(biāo)的物理量符號來表示實物流動，用有如果用無上標(biāo)的物理量符號來表示實物流動，用有上標(biāo)上標(biāo)“”的物理量符號表示模型流動。則有下述比例尺：的物理量符號表示模型流動。則有下述比例尺：lll長長度度比比例例尺尺：222lAllAA面積比例尺：面積比例尺：333lVllVV體積比例尺：體積比例尺：速度比例尺速度比例尺 時間比例尺時間比例尺加速度比例尺加速度比例尺vvVvltvlvlttlvtvatvtvaa2流量比例尺流量比例尺運動粘度比例尺運動粘度比例尺角速度比例尺角速度比例尺vltlvvqtltlqq2333vltlvtltlvv2222lvlvlv密度比

11、例尺密度比例尺質(zhì)量比例尺質(zhì)量比例尺力的比例尺力的比例尺力矩比例尺力矩比例尺3lmVVmm22vlamFammaFF23vllFMlFFl2vAFpAFAFvlvvv3223vltvlPPP1c 在相似的實物流動與模型流動之間存在著在相似的實物流動與模型流動之間存在著一切無一切無量綱系數(shù)皆對應(yīng)相等的關(guān)系量綱系數(shù)皆對應(yīng)相等的關(guān)系，這提供了在模型流動上，這提供了在模型流動上測定實物流動中的流速系數(shù)、流量系數(shù)、阻力系數(shù)等測定實物流動中的流速系數(shù)、流量系數(shù)、阻力系數(shù)等等的可能性。等的可能性。 所有力學(xué)相似的比例尺中，所有力學(xué)相似的比例尺中，基本比例尺基本比例尺 l l、 v v 、 是各自獨立的，是各自

12、獨立的，基本比例尺確定后，其它一切物理基本比例尺確定后，其它一切物理量的比例尺都可確定，模型流動與實物流動之間一切量的比例尺都可確定，模型流動與實物流動之間一切的物理量的換算關(guān)系也就都可以確定了。的物理量的換算關(guān)系也就都可以確定了。 實物和模型大多是處于同樣的地心引力范圍，因此實物和模型大多是處于同樣的地心引力范圍，因此單位質(zhì)量重力的比例尺一般等于單位質(zhì)量重力的比例尺一般等于1，即：，即：1g1 1）、）、弗勞德弗勞德(Froude)(Froude)數(shù)數(shù)代表慣性力與重力之比。代表慣性力與重力之比。弗勞德數(shù)弗勞德數(shù)lgvglv 22glvFr25.5.2 相似準(zhǔn)則相似準(zhǔn)則）、歐拉數(shù)）、歐拉數(shù)代表

13、壓力與慣性力之比。代表壓力與慣性力之比。歐拉數(shù)歐拉數(shù)）、雷諾數(shù)）、雷諾數(shù)代表慣性力與粘性力之比。代表慣性力與粘性力之比。 雷諾數(shù)雷諾數(shù)22vpvpuEvp2lvvleRvleeuurrRREEFF vlvplgv22 、vl20322)()(PrReTTLgGrTTkqLNukcUTLStgLUFraUMaULwwpReynolds numberMach numberFroude numberStrouhal numberPrandtl numberNusselt numberGrashov number ：lgvglv 2222vpvp同時同時幾何相似幾何相似一般模型流動與實物流動中的一般模

14、型流動與實物流動中的重力加速度重力加速度是相同的，于是是相同的，于是222lvlv或或21lv 此式說明在弗勞德模型法中，速度比例尺可以不再作為需此式說明在弗勞德模型法中，速度比例尺可以不再作為需要選取的基本比例尺。要選取的基本比例尺。 弗勞德模型法在水利工程上應(yīng)用甚廣，大型水利工程設(shè)計弗勞德模型法在水利工程上應(yīng)用甚廣，大型水利工程設(shè)計必須首先經(jīng)過模型實驗的論證而后方可投入施工。必須首先經(jīng)過模型實驗的論證而后方可投入施工。 管中有壓流動是在壓差作用下克服管道摩擦而產(chǎn)生的流管中有壓流動是在壓差作用下克服管道摩擦而產(chǎn)生的流動，粘性力決定壓差的大小，粘性力決定管內(nèi)流動的性質(zhì)，動，粘性力決定壓差的大小

15、，粘性力決定管內(nèi)流動的性質(zhì)，此時重力是無足輕重的次要因素，因此此時可以用雷諾模型此時重力是無足輕重的次要因素，因此此時可以用雷諾模型法解決問題，雷諾準(zhǔn)則是：法解決問題，雷諾準(zhǔn)則是： lvvl 雷諾模型法在管道流動、液壓技術(shù)、水力機械等雷諾模型法在管道流動、液壓技術(shù)、水力機械等方面應(yīng)用廣泛。方面應(yīng)用廣泛。同時同時幾何相似幾何相似22vpvp 粘性流動中有一種特殊現(xiàn)象，當(dāng)雷諾數(shù)增大到一定界粘性流動中有一種特殊現(xiàn)象，當(dāng)雷諾數(shù)增大到一定界限以后，慣性力與粘性力之比也大到一定程度，粘性力的限以后，慣性力與粘性力之比也大到一定程度，粘性力的影響相對減弱，此時繼續(xù)提高雷諾數(shù)，也不再對流動現(xiàn)象影響相對減弱，此

16、時繼續(xù)提高雷諾數(shù)，也不再對流動現(xiàn)象和流動性能發(fā)生質(zhì)和量的影響，此時盡管雷諾數(shù)不同，但和流動性能發(fā)生質(zhì)和量的影響，此時盡管雷諾數(shù)不同，但粘性效果卻是一樣的。這種現(xiàn)象叫做粘性效果卻是一樣的。這種現(xiàn)象叫做自動模型化自動模型化，產(chǎn)生這，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的雷諾數(shù)范圍叫做自動模型區(qū)，雷諾數(shù)處在自動模種現(xiàn)象的雷諾數(shù)范圍叫做自動模型區(qū)，雷諾數(shù)處在自動模型區(qū)時，雷諾準(zhǔn)則失去判別相似的作用。型區(qū)時，雷諾準(zhǔn)則失去判別相似的作用。 這也就是說，研究雷諾數(shù)這也就是說，研究雷諾數(shù)處于自動模型區(qū)時的粘性流處于自動模型區(qū)時的粘性流動不滿足雷諾準(zhǔn)則也會自動出現(xiàn)粘性力相似。動不滿足雷諾準(zhǔn)則也會自動出現(xiàn)粘性力相似。因此設(shè)計模因此設(shè)計模

17、型時，粘性力的影響不必考慮了；如果是管中流動，或者型時，粘性力的影響不必考慮了；如果是管中流動，或者是氣體流動，其重力的影響也不必考慮；這樣我們只需考是氣體流動，其重力的影響也不必考慮；這樣我們只需考慮代表壓力和慣性力之比的歐拉準(zhǔn)則就可以了。慮代表壓力和慣性力之比的歐拉準(zhǔn)則就可以了。 歐拉模型法用于自動模型區(qū)的管中流動、風(fēng)洞實驗及氣歐拉模型法用于自動模型區(qū)的管中流動、風(fēng)洞實驗及氣體繞流等情況。體繞流等情況。22vpvp即：即：或或2222LvFLvF （2 2）在模型上測得流量）在模型上測得流量 收縮斷面的速度收縮斷面的速度 作用在閘門上的力作用在閘門上的力 力矩力矩例題例題1 1 ： 圖示表

18、示為深圖示表示為深H=6H=6米的水在弧形閘門下的流動。米的水在弧形閘門下的流動。 求（求（1 1）試求模型上的水深）試求模型上的水深201l試求實物流動上的流量、試求實物流動上的流量、 收縮收縮斷面上的速度、作用在閘門上斷面上的速度、作用在閘門上的力和力矩。的力和力矩。slqv/30smv/2NmMNF11092HmHHl3 . 0206LgvLgv22smLLvLLvLgvLgv/9104. 822(2) 解；閘門下的水流是在重力作用下的流動，因而模解；閘門下的水流是在重力作用下的流動，因而模型應(yīng)該是按照弗勞德模型法設(shè)計。型應(yīng)該是按照弗勞德模型法設(shè)計。(1) （弗勞德數(shù)相等）（弗勞德數(shù)相等）vlvlvvvvvqqqAvvAqAvvAqq252322lvlamFFF4llFLFFLMMvvvvqAvvAqAvvAqq22222222LvLvFFLvFLvFMLFFLMLFFLMM例題例題2 2：設(shè)計新型汽車主高：設(shè)計新型汽車主高h=1.5mh=1.5m，車速，車速v=108km/h