實驗8孔口管咀流量系數(shù)實驗.doc

實驗八 孔口管嘴流量系數(shù)試驗1實驗?zāi)康暮鸵?1.觀測孔口及管嘴自由出流的水流現(xiàn)象，以及圓柱形管嘴內(nèi)的局部真空現(xiàn)象。 2.測定薄壁圓形孔口及管嘴自由出流的流量系數(shù)2孔口管嘴出流流量系數(shù)實驗的原理 水流經(jīng)過孔口流出的流動現(xiàn)象稱為孔口出流；在孔口上連接長34倍的短管，水流經(jīng)過短管并在出口斷面滿管流動的水流現(xiàn)象稱為管嘴出流?？卓诤凸茏熘饕脕砜刂埔毫骱土繙y流量。給排水工程中的各類取水、液壓傳動中的閥門、氣化器、噴射器以及某些量測流量的設(shè)備等都屬于孔口出流。在水力采煤、水力挖掘、消防等設(shè)備中使用的水槍、水力沖土機(jī)、消火龍頭、水力沖刷機(jī)及沖擊式水輪機(jī)等都屬于管嘴出流。2.1孔口出流的分類 根據(jù)孔口的的出流條件，孔口出流可以分為以下幾種類型： 1.從出流的下游條件看，孔口出流可分為自由出流和淹沒出流。出流水股射入大氣中稱為自由出流，下游水面淹沒孔口時稱為淹沒出流。 2.從射流速度的均勻性看，分為小孔口出流和大孔口出流?？卓诟鼽c的流速可認(rèn)為是常數(shù)時稱為小孔口出流，否則稱為大孔口出流。一般認(rèn)為孔口高度時為小孔口出流，這時，作用與孔口斷面上各點的水頭可近視認(rèn)為與形心處的水頭相等。若時，則稱為大孔口出流，作用于大孔口的上部和下部的水頭有明顯的差別。 3.按孔口作用水頭是否穩(wěn)定分為常水頭孔口出流和變水頭孔口出流。 4.按孔壁厚度及形狀對出流的影響分為薄壁孔口和厚壁孔口出流。若孔口具有銳緣，流體與孔壁幾乎只有周線上接觸，孔壁厚度不影響射流形狀時，稱為薄壁孔口出流，反之，稱為厚壁孔口出流。當(dāng)孔壁厚度達(dá)到孔口高度的34倍時，出流充滿孔壁的全部周界，此時便是管嘴出流。2.2恒定流圓形薄壁小孔口出流的流量系數(shù)當(dāng)孔口直徑時稱為圓形薄壁小孔口出流。當(dāng)液體從孔口流出時，由于水流的慣性作用，流線不是折線而只能是一條光滑的曲線，因此在孔口斷面上各流線互不平行，而是水流在出口后繼續(xù)形成收縮，在距離孔口約0.5處水股斷面完全收縮到最小，該斷面稱為收縮斷面c-c。過收縮斷面以后，液體在重力作用下下落。收縮分為完善收縮、非完善收縮部分收縮。完善收縮是指孔口距離器壁及液面相當(dāng)遠(yuǎn)，器壁對孔口的收縮情況毫無影響。一般認(rèn)為，只有當(dāng)孔口和器壁的距離大于孔口尺寸的3倍時才會發(fā)生完善收縮。當(dāng)孔口和器壁的距離小于3倍的孔口尺寸時，其收縮情況受器壁的影響，這種收縮稱為非完善收縮。如果只有部分的邊上有收縮的稱為部分收縮。如圖1所示的孔1前后左右和孔口距器壁底部的距離均大于3倍的孔口尺寸，所以是完善收縮，而孔2就不是完善收縮?？?和孔4有一邊不收縮，所以是部分收縮。對于圓形薄壁小孔口在完全收縮時的收縮系數(shù)=0.60.64（較小孔口取大值)。 而對于不完全收縮，收縮系數(shù)的計算見參考文獻(xiàn)12。圖1 各種收縮情況如圖2所示，對于薄壁圓形小孔口出流，設(shè)出流的收縮斷面面積為Ac，孔口的面積為A，Ac=A。對圖2a的1-1斷面和收縮斷面c-c 寫能量方程，即a 孔口出流 b 管嘴出流圖2孔口出流和管嘴出流 （1)式中，H為孔口形心以上的水深，pc為c-c斷面上的動水壓強(qiáng)，由于c-c斷面在孔口的外面，所以pa=pc，令 （2)則 （3)式中，vc為c-c斷面的流速； c為孔口的阻力系數(shù)；取c=1.0；孔為流速系數(shù)；如不計算行進(jìn)流速水頭，則式（3)變?yōu)?（4) （5)式中，孔=孔稱為流量系數(shù)。對于圓形薄壁小孔口，當(dāng)其為完善收縮時，由試驗求得孔=0.970.98，孔=1/2孔-1=0.06280.0412，=0. 60.64，,則孔=0.5820.627。有的文獻(xiàn)認(rèn)為，孔=0.600.62。對于非完善收縮，流量系數(shù)為 （6)部分收縮時 （7)式中，為孔口所在器壁的面積；x為不收縮的孔口周邊長；為孔口的全周長；為孔口的形狀系數(shù)，圓形孔口，方形孔口。2.3恒定流圓柱形外管嘴出流的流量系數(shù)常用的圓柱形外伸管嘴為L=(34)d的短管嘴。這樣的管嘴稱為文丘里管嘴。管嘴出流的流動現(xiàn)象如圖2b所示。當(dāng)水流剛一進(jìn)入管嘴時，首先產(chǎn)生一收縮現(xiàn)象，如同孔口出流，然后又逐漸擴(kuò)大而后滿管流出。管嘴出流的收縮斷面c-c在管嘴內(nèi)部，出口斷面的水流不發(fā)生收縮，故=1.0 與孔口出流比較，管嘴出流除有孔口阻力損失外，還有擴(kuò)大局部阻力和沿程阻力。 列1-1斷面和管嘴出口2-2斷面的能量方程得 （8)當(dāng)忽略行進(jìn)流速水頭時，仍可由上式解出 (9) (10)由上式可以看出，管嘴出流的流量系數(shù)等于流速系數(shù)，即嘴=嘴。 管嘴出流的水頭損失系數(shù)用下式計算 （11)則管嘴的流速系數(shù)為 （12)式中，；為沿程阻力系數(shù)。如果取=0.02，則 將以上各系數(shù)代入式（11)，并取2=1.0，得流速系數(shù)，則 （13)一般認(rèn)為，。2.4孔口出流與管嘴出流流量系數(shù)的比較 比較管嘴出流和孔口出流的流量系數(shù)可以看出，如果管嘴出口的面積與孔口的面積相等，作用水頭H也相等，管嘴出流的阻力大于孔口出流的阻力，但管嘴出流的流量系數(shù)大于孔口出流的流量系數(shù)，這時為什么呢？為了分析原因，現(xiàn)列管嘴出流的1-1斷面和收縮斷面的能量方程進(jìn)行分析，由圖2b可得 （14) 忽略行近流速水頭，得 （15) （16) 由上式可以看出，在管嘴出流的流量公式中，多了一項，也就是收縮斷面的真空高度，正是由于收縮斷面真空高度的存在，對水流產(chǎn)生抽吸作用，因而使管嘴出流的流量增大。比較式（5)和（16)可得，則，所以。 由式（14)可以得出， ??； ，則 （17)上式就是收縮斷面出的真空度與作用水頭的關(guān)系。由式中可以看出，管嘴內(nèi)部收縮斷面上的真空度與水頭H0有關(guān)，H0越大，真空度也越大，這樣，似乎為加大管嘴出流的流量，要求真空度盡可能的大。然而在實際情況中，真空度過大，會使收縮斷面處的絕對壓強(qiáng)過低，其結(jié)果是該處液體發(fā)生汽化，產(chǎn)生氣泡，被液流帶出管嘴，而管嘴口外的空氣也將在大氣壓作用下沿管嘴內(nèi)壁沖進(jìn)管嘴內(nèi)，使管嘴內(nèi)的液流脫離內(nèi)管壁，成為非滿管出流。此時管嘴實際上已不起作用，猶如孔口出流一樣。理論上最大真空度為10.33m水柱，所以要保證收縮斷面的真空度，最大作用水頭不超過。實際上，在作用水頭遠(yuǎn)不到時，管嘴中的液流因真空度過大已產(chǎn)生空化，發(fā)生了空蝕，因而流束脫離開管嘴壁面。通常在作用水頭為89m時已發(fā)生上述空蝕現(xiàn)象。如果管嘴和孔口的過水?dāng)嗝婷娣e相同，作用水頭相同，要使二者的過流量相同，則管嘴的長度應(yīng)為多長呢？這就是說，此時孔口和管嘴的流量系數(shù)是相同的，即，求，則由式（12)可得=0.6 （18)由上式解出?？梢姡粝胍嗤目卓诩肮茏煸谕瑯拥淖饔盟^下有相同的出流流量，管嘴的長度約為其斷面直徑的66倍。若管嘴長度大于此長度，則沿程阻力增加，出流量將減小，反之出流量將增大。 3孔口管嘴流量系數(shù)實驗的儀器設(shè)備 實驗裝置為自循環(huán)實驗系統(tǒng)。實驗裝置為下供水箱、水泵、上水管、上試驗水箱、調(diào)節(jié)板、溢流管、試驗水箱上裝有孔口或管嘴、測量真空度的U形測壓管、導(dǎo)水渠道、接水盒、盛水容器、回水系統(tǒng)。實驗儀器為兩種，一種是傳統(tǒng)的量測方法，儀器為量筒、鋼尺和秒表；另一種為自動化的量測方法，儀器為導(dǎo)水抽屜、限位開關(guān)、差壓傳感器、稱重傳感器、排水泵及水位流量電測儀組成。水位流量電測儀可顯示重量、時間、壓差。實驗的設(shè)備儀器如圖3所示。圖3孔口管嘴實驗裝置4孔口管嘴流量系數(shù)實驗的方法和步驟 1.記錄孔口和管嘴的直徑。2.打開供水泵，將實驗水箱上的調(diào)節(jié)板調(diào)至最大，給實驗水箱充滿水，并保持溢流狀態(tài)，待水流穩(wěn)定后，用量杯和秒表測量流量，用鋼尺測量孔口或管嘴上的作用水頭。3.調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)板，使流量逐漸減小或增加。4.重復(fù)第2步次。5.實驗結(jié)束后將儀器恢復(fù)原狀。5數(shù)據(jù)處理和成果分析 實驗設(shè)備名稱 儀器編號 同組學(xué)生姓名 已知數(shù)據(jù)： 孔口直徑= cm； 管嘴直徑= cm 1.實驗數(shù)據(jù)及計算成果1.孔口出流實驗數(shù)據(jù)及計算測次傳統(tǒng)實驗方法Q實cm3/sQ計cm3/s孔 水位流量測量儀Q實cm3/sQ計cm3/s孔Hcm體積cm3時間秒Hcm體積cm3時間秒指導(dǎo)教師簽名 實驗日期 2管嘴出流實驗數(shù)據(jù)及計算測次傳統(tǒng)實驗方法Q實cm3/sQ計cm3/s嘴 水位流量測量儀Q實cm3/sQ計cm3/s嘴Hcm體積cm3時間秒Hcm體積cm3時間秒23456指導(dǎo)教師簽名 實驗日期3.成果分析（1).根據(jù)實驗點繪硫量系數(shù)和水頭的關(guān)系，求出孔口和管嘴出流時的流量系數(shù)。 （2)解釋為什么管嘴出流的流量系數(shù)比孔口出流的流量系數(shù)大6實驗中應(yīng)注意的問題 1.實驗時實驗水箱必須溢流，測量過程中一定要保證水頭恒定。 2.管嘴出流必須是滿管流。思考題 1.管嘴出流為什么要取管嘴長度？如果將管嘴縮短或加長會帶來什么結(jié)果？ 2.對水來說，防止接近汽化壓力并允許真空度m，要保證不破壞管嘴正常出流，最大限制水頭應(yīng)為多少？ 3.試推導(dǎo)薄壁小孔口和管嘴淹沒出流時的流量公式。 4.孔口和管嘴有各種各樣的形狀，對于其它形狀的孔口和管嘴，其實驗方法是否與本文講的實驗方法一樣