流體力學(xué)第二版(蔡增基)第五章

第五章孔口管嘴管路流動(dòng)流體力學(xué)§5-1孔口自由出流§5-2孔口淹沒(méi)出流§5-3管嘴出流第五章孔口管嘴管路流動(dòng)§5-4管道基本概念孔口、管嘴出流是給水排水、環(huán)境、通風(fēng)、水利等許多工程領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的問(wèn)題，因此對(duì)它們的研究具有重要的實(shí)際意義。給排水工程中各類取水、泄水閘孔，均屬孔口；消防水槍和水力機(jī)械化施工用水槍都是管嘴的應(yīng)用；有壓管道則是一切生產(chǎn)、生活輸水系統(tǒng)的重要組成部分?？卓?、管嘴出流和有壓管流的水力計(jì)算，是連續(xù)性方程、能量方程以及流動(dòng)阻力和水頭損失規(guī)律的具體應(yīng)用?！?.1孔口自由出流在容器壁上開(kāi)一孔口，若孔壁的厚度對(duì)水流現(xiàn)象影響較小，這種孔口稱為薄壁孔口。一般來(lái)說(shuō)，孔口上下緣在水面下深度不同，經(jīng)過(guò)孔口上部和下部的出流情況也不相同。但是，當(dāng)孔口直徑d與孔口形心以上的水頭高H相比較很小時(shí)，就認(rèn)為孔口斷面上各點(diǎn)水頭相等。因此，根據(jù)d/H的比值大小將孔口分為大孔口與小孔口兩類：若d≤H/10，這種孔口稱為小孔口，可認(rèn)為孔口斷面上各點(diǎn)的水頭都等。若d>H/10，稱為大孔口。孔口出流時(shí)，H不變這種情況稱為恒定出流。在容器側(cè)壁或底壁上開(kāi)一孔口，容器中的液體自孔口出流到大氣中，稱為孔口自由出流。如圖，箱中水流的流線從各個(gè)方向趨近孔口，由于水流運(yùn)動(dòng)的慣性，流線不能成折角地改變方向，只能光滑、連續(xù)地彎曲，因此在孔口斷面上各流線1．小孔口的自由出流平行，使水流在出孔后繼續(xù)收縮，直至距孔口約為d/2處收縮完畢，形成斷面最小的收縮斷面。流線在此趨于平行，然后擴(kuò)散，c-c斷面稱為孔口出流的收縮斷面。取斷面1-1和收縮斷面C-C，列伯努利方程水箱中的微小沿程水頭損失可以忽略，于是hw只是水流經(jīng)孔口的局部水頭損失，即方程可改寫(xiě)為H0—為孔口的總水頭；—收縮斷面的平均流速；

—孔口局部損失系數(shù)；—孔口流速系數(shù)。取，則式中流速系數(shù)。值由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，大小與孔口形狀、大小、位置等因素有關(guān)?？卓诔隽髁髁苛钍湛s系數(shù)其值通常由實(shí)驗(yàn)確定。式中流量系數(shù)，：ejm=j==2AcgH0AcvcQm2gH0AQ=—孔口自由出流的基本公式。

在容器側(cè)壁或底壁上開(kāi)一孔口，容器中的液體自孔口出流到液體中，稱為孔口淹沒(méi)出流。

如圖，以0-0面為基準(zhǔn)面列1、2兩斷面的能量方程有斷面1到2的能量損失可看作斷面1至斷面c的能量損失與斷面

c至斷面2的能量損失之和。前者與自由出流的能量損失相同，為，后者可看成圓管突擴(kuò)的能量損失，為：§5.2孔口淹沒(méi)出流001122

注意到，可整理得其中速度系數(shù)孔口淹沒(méi)出流流量淹沒(méi)出流流量系數(shù)與自由出流形式完全相同，在孔口條件相同的情況下

在自由出流情況下，孔口的水頭H系水面至孔口形心的深度；而在淹沒(méi)出流情況下，孔口的水頭H則系孔口上、下游的水面高差。因此，孔口淹沒(méi)出流的流速和流量均與孔口的淹沒(méi)深度無(wú)關(guān)。1122§5.3管嘴出流§5.3管嘴出流在孔口斷面處接一直徑與孔口完全相同的圓柱形短管，其長(zhǎng)度L≈(3～4)d，或當(dāng)孔壁厚等于δ=(3～4)d，此時(shí)的出流稱為圓柱形外管嘴出流，如圖所示。水流進(jìn)入管嘴后，同樣形成收縮，并在收縮斷面c-c處主流與管壁分離，形成旋渦區(qū)；然后又逐漸擴(kuò)大，在管嘴出口斷面上，水流充滿整個(gè)斷面流出。管嘴自由出流的流速和流量公式與孔口自由出流的流速和流量公式的形式類似。

由于收縮斷面C-C流體與管壁分離，中間形成真空區(qū)，出現(xiàn)管嘴的真空現(xiàn)象，這就使相同直徑、相同作用水頭下的圓柱形外管嘴的流量比孔口大。

如圖為五種常見(jiàn)的管嘴形式：a為圓柱形外管嘴，b為圓柱形內(nèi)管嘴，c為圓錐形收斂管嘴，d為圓錐形擴(kuò)張管嘴，e為流線形管嘴?！?-4管道概念工程上把不同聯(lián)接方式聯(lián)接所組成的管系稱為管道。一、管道系統(tǒng)分類

1．按能量損失大小長(zhǎng)管：凡局部阻力在總的阻力損失中，其比例不足5％的管道系統(tǒng)，稱為水力長(zhǎng)管，也就是說(shuō)只考慮沿程損失。短管：在水力計(jì)算中，同時(shí)考慮沿程損失和局部損失的管道系統(tǒng)，稱為短管。

2．按管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單管道：管徑和粗糙度均相同的一根或數(shù)根管子串聯(lián)在一起的管道，如圖(a)所示。復(fù)雜管道：除簡(jiǎn)單管道以外的管道系統(tǒng)，稱為復(fù)雜管道，又可分成：

1）串聯(lián)管道：不同管徑或不同粗糙度的數(shù)段管子串聯(lián)聯(lián)接所組成的管道系統(tǒng)，如圖(b)。

2）并聯(lián)管道：是指數(shù)段管道并列聯(lián)接所組成的管道系統(tǒng)，如圖(c)所示。

管道系統(tǒng)分類

3）枝狀管道：如圖(d)所示，各不相同的出口管段在不同位置分流，形狀如樹(shù)枝。

4）網(wǎng)狀管道：如圖(e)所示，通過(guò)多路系統(tǒng)相互連接組成一些環(huán)形回路，而節(jié)點(diǎn)的流量來(lái)自幾個(gè)回路的管道。二、串聯(lián)管道根據(jù)連續(xù)性原理，通過(guò)串聯(lián)管道各管段中的流量相等，因而對(duì)不可壓縮流體有

或串聯(lián)管道的總能量損失是各段管道中的能量損失之和，即

三、并聯(lián)管道如圖所示，對(duì)于不可壓縮流體，根據(jù)連續(xù)性方程，總流量應(yīng)等于各支管流量之和，即