流體力學(xué)第五章

1、2022-4-251第五章第五章 流體的恒定出流與有壓流體的恒定出流與有壓管路流動(dòng)管路流動(dòng) 概述概述第一節(jié)第一節(jié) 孔口恒定出流孔口恒定出流第二節(jié)第二節(jié) 管嘴恒定出流管嘴恒定出流第三節(jié)第三節(jié) 有壓管路流動(dòng)有壓管路流動(dòng) 2022-4-252概概 述述 在工程中，工程中常見的一些流動(dòng)現(xiàn)象，如：在工程中，工程中常見的一些流動(dòng)現(xiàn)象，如：孔口出流、孔口出流、管嘴出流管嘴出流和和有壓管流有壓管流。這些流動(dòng)現(xiàn)象在專業(yè)中有很大的實(shí)用意。這些流動(dòng)現(xiàn)象在專業(yè)中有很大的實(shí)用意義，如：通風(fēng)工程中空氣義，如：通風(fēng)工程中空氣通過門窗的流量計(jì)算通過門窗的流量計(jì)算、通過孔板送風(fēng)通過孔板送風(fēng)量的計(jì)算量的計(jì)算和暖通空調(diào)系統(tǒng)中和暖通

2、空調(diào)系統(tǒng)中各種管道系統(tǒng)的計(jì)算各種管道系統(tǒng)的計(jì)算等。等。 本章將應(yīng)用前述的流體基本原理結(jié)合具體流動(dòng)條件，本章將應(yīng)用前述的流體基本原理結(jié)合具體流動(dòng)條件，研研究流體經(jīng)孔口、管嘴和在管路中的水力計(jì)算原理和方法。究流體經(jīng)孔口、管嘴和在管路中的水力計(jì)算原理和方法。p0 papa孔板送風(fēng)孔板送風(fēng)樓板夾樓板夾層層房間房間圖片圖片2022-4-253一、孔口、管嘴、管路區(qū)分一、孔口、管嘴、管路區(qū)分d dl當(dāng)當(dāng) 34d 或或 l 34d 為孔口；為孔口；當(dāng)當(dāng) = 34d 或或 l = 34d 為管嘴；為管嘴；當(dāng)當(dāng) 34d 或或 l 34d 為短管（管路）；為短管（管路）；2022-4-254二、孔口、管嘴出流與有

3、壓管流二、孔口、管嘴出流與有壓管流管嘴出流：管嘴出流：流體經(jīng)短管并在出口斷面滿管流體經(jīng)短管并在出口斷面滿管流流 出的流動(dòng)現(xiàn)象。出的流動(dòng)現(xiàn)象。有壓管流：有壓管流：沿管道滿管流動(dòng)的流動(dòng)現(xiàn)象。沿管道滿管流動(dòng)的流動(dòng)現(xiàn)象。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：無自由液面，流體壓強(qiáng)一般不等于大氣壓強(qiáng)。無自由液面，流體壓強(qiáng)一般不等于大氣壓強(qiáng)。d1Hd2qv1qv2有壓管流有壓管流孔口出流孔口出流：流體經(jīng)過孔口出流的流動(dòng)現(xiàn)象。流體經(jīng)過孔口出流的流動(dòng)現(xiàn)象。dHCC管嘴出流管嘴出流dHCC孔口出流孔口出流2022-4-255一、孔口出流分類一、孔口出流分類u按按d和和H的比值不同分：的比值不同分： 大孔口大孔口（d/H0.1）、小孔口、

4、小孔口（d/H0.1）dHCCu按作用水頭是否隨時(shí)間而變化分：按作用水頭是否隨時(shí)間而變化分：恒定出流、非恒定出流恒定出流、非恒定出流 u根據(jù)壁厚是否影響射流形狀分：根據(jù)壁厚是否影響射流形狀分：薄壁孔口、厚壁孔口薄壁孔口、厚壁孔口 u根據(jù)出流空間情況可分：根據(jù)出流空間情況可分：自由出流、淹沒出流自由出流、淹沒出流 孔壁與流體接孔壁與流體接觸為一條周線。觸為一條周線。壁厚不影響射壁厚不影響射流形狀流形狀壁厚影響射壁厚影響射流形狀流形狀 流體經(jīng)孔口流流體經(jīng)孔口流入同種流體中入同種流體中流體經(jīng)孔口流體經(jīng)孔口流入大氣流入大氣 淹沒出淹沒出流流淹沒出淹沒出流流自由出流自由出流5-1 孔口恒定出流孔口恒定出

5、流2022-4-256二、二、 薄壁小孔口恒定出流薄壁小孔口恒定出流u自由出流自由出流 在容器液面（在容器液面（A-A）和收縮斷面（）和收縮斷面（C-C）列能量方程，得：）列能量方程，得：收縮斷面流速：收縮斷面流速： 001221gHgHvCC （ 為為流速系數(shù)流速系數(shù)） 孔口出流量：孔口出流量：00CCvgH2AgH2AAvq 設(shè)孔口面積為設(shè)孔口面積為A，收縮斷面面積為，收縮斷面面積為AC，稱：稱：為為收縮系數(shù)收縮系數(shù)。AAC=（ 為為流量系數(shù)流量系數(shù)） 式中：式中：H0為為作用水頭，作用水頭，gvpp)zz(HAACACA220 -1為孔口局部阻力系數(shù)為孔口局部阻力系數(shù)dHCCpA62.

6、060. 0,64. 062. 0,98. 097. 0=：薄薄壁壁圓圓形形孔孔口口自自由由出出流流2022-4-257u 淹沒出流淹沒出流 取取11、22斷面列能量方程，斷面列能量方程，計(jì)算點(diǎn)取在液面，可得：計(jì)算點(diǎn)取在液面，可得：0012221gHgHvC 2211 H1 H2CC收縮斷面流速：收縮斷面流速： 孔口出流量：孔口出流量：00CCvgH2AgH2AAvq 式中，式中，H0為為作用水頭作用水頭,gvvpp)HH(H222221121210 - 1為孔口局部阻力系數(shù)為孔口局部阻力系數(shù);2為流體經(jīng)過孔口后，突然擴(kuò)大的局部阻力系數(shù)為流體經(jīng)過孔口后，突然擴(kuò)大的局部阻力系數(shù) ,2=1.0)(

7、62.060.0,64.062.0,98.097.0同同于于自自由由出出流流：薄薄壁壁圓圓形形孔孔口口淹淹沒沒出出流流=2022-4-258u 氣體淹沒出流氣體淹沒出流氣體出流一般為淹沒出流。氣體出流一般為淹沒出流。對(duì)于氣體，孔口出流量：對(duì)于氣體，孔口出流量： 式中：式中： 2220)vv()pp(pBBAABA 00vp2AgH2Aq u 孔口出流的應(yīng)用孔口出流的應(yīng)用孔板流量計(jì)孔板流量計(jì)AdDB 00vp2AgH2Aq 流量系數(shù)流量系數(shù)：與孔板幾何尺寸、構(gòu)造型式及雷諾數(shù)有關(guān)，計(jì)算與孔板幾何尺寸、構(gòu)造型式及雷諾數(shù)有關(guān)，計(jì)算時(shí)查看有關(guān)時(shí)查看有關(guān)圖表圖表。 計(jì)算公式：計(jì)算公式：動(dòng)畫動(dòng)畫2022-4

8、-2592022-4-2510一、圓柱形外管嘴恒定出流一、圓柱形外管嘴恒定出流 5-2 管嘴恒定出流管嘴恒定出流CCdHAABB 水流進(jìn)入管嘴不遠(yuǎn)處，形成收水流進(jìn)入管嘴不遠(yuǎn)處，形成收縮斷面縮斷面CC， 水流與管壁脫離，形水流與管壁脫離，形成漩渦區(qū)。其后逐漸擴(kuò)大，在管嘴出成漩渦區(qū)。其后逐漸擴(kuò)大，在管嘴出口斷面滿管出流?？跀嗝鏉M管出流。 出流特點(diǎn)：出流特點(diǎn)： 列列AA斷面和管嘴出口斷面和管嘴出口BB斷面能力方程，可得：斷面能力方程，可得：出口流速：出口流速： 0n0nBBgH2gH21v 管嘴出流量：管嘴出流量： 0022gHAgHAAvQnnB gvpp)zz(HAABABA220 式中：式中：

9、H0 作用水頭，作用水頭，82. 0 nn82. 05 . 0111 nn2022-4-2511 計(jì)算公式完全一樣，但流量系數(shù)不同，計(jì)算公式完全一樣，但流量系數(shù)不同，n=1.32，說明在相同水頭作用下，同樣過流斷面，管嘴過流能說明在相同水頭作用下，同樣過流斷面，管嘴過流能力是孔口過流能力的力是孔口過流能力的1.321.32倍，這是由于收縮斷面真空倍，這是由于收縮斷面真空作用的結(jié)果。作用的結(jié)果。 管嘴出流與孔口出流比較：管嘴出流與孔口出流比較：0vgH2Aq 62. 060. 0 孔出流口：孔出流口：0nvgH2Aq 82. 0 nn管嘴流口：管嘴流口：2022-4-2512二、圓柱外管嘴的正常

10、工作條件二、圓柱外管嘴的正常工作條件列收縮斷面列收縮斷面CC和出口斷面和出口斷面B-B的能量方程，可得的能量方程，可得 ：CCdHAABBgvgvgvppjcca222222 由連續(xù)方程有：由連續(xù)方程有： vvAAVcc 1 22111)()AA(cj 代入上式，得代入上式，得 ：gv)(ppca21111222 得：得：02gHvn ，即，即 0222Hgvn 82. 0 n再由再由64. 0 075. 0Hppphcavv 2022-4-2513075. 0Hppphcavv 表明在收縮斷面的真空度可達(dá)表明在收縮斷面的真空度可達(dá)0.75作用水頭，相當(dāng)于把管作用水頭，相當(dāng)于把管嘴作用水頭加大

11、了嘴作用水頭加大了75，從而使管嘴流量大為增加。，從而使管嘴流量大為增加。 實(shí)際上，當(dāng)收縮斷面真空度超過實(shí)際上，當(dāng)收縮斷面真空度超過 7m 水柱時(shí)，液體會(huì)汽化水柱時(shí)，液體會(huì)汽化且空氣將會(huì)從管嘴出口斷面被且空氣將會(huì)從管嘴出口斷面被“吸入吸入”，使收縮斷面真空被破，使收縮斷面真空被破壞，管嘴不能保持滿管出流。因此，對(duì)收縮斷面真空度的限制，壞，管嘴不能保持滿管出流。因此，對(duì)收縮斷面真空度的限制，決定了管嘴作用水頭有一個(gè)極限值，即決定了管嘴作用水頭有一個(gè)極限值，即 ： mmhHv0 . 975. 0775. 00作用水頭作用水頭H0愈大，收縮斷面真空度也愈大。愈大，收縮斷面真空度也愈大。圓柱形外管嘴的

12、正常工作條件是：圓柱形外管嘴的正常工作條件是：2、管嘴長(zhǎng)度、管嘴長(zhǎng)度 l =(34)d 1、作用水頭、作用水頭 mH90 2022-4-2514三、其它形式的管嘴三、其它形式的管嘴 流速、流量計(jì)算公式與圓柱形外管嘴完全相同，只是流流速、流量計(jì)算公式與圓柱形外管嘴完全相同，只是流速系數(shù)、流量系數(shù)不同而已。具體數(shù)值可查有關(guān)圖表。速系數(shù)、流量系數(shù)不同而已。具體數(shù)值可查有關(guān)圖表。 97. 0 圓錐形擴(kuò)張管嘴圓錐形擴(kuò)張管嘴：具有較大過流能力和較低出口流速；：具有較大過流能力和較低出口流速；圓錐形收斂管嘴圓錐形收斂管嘴：具有較大出口流速；：具有較大出口流速；流線型管嘴流線型管嘴：管嘴內(nèi)無收縮、擴(kuò)張，阻力系

13、數(shù)最小。：管嘴內(nèi)無收縮、擴(kuò)張，阻力系數(shù)最小。2022-4-2515孔口管嘴出流特性孔口管嘴出流特性2022-4-2516 5-3 有壓管路流動(dòng)有壓管路流動(dòng)一、有壓管路的分類一、有壓管路的分類簡(jiǎn)單管路簡(jiǎn)單管路“長(zhǎng)長(zhǎng)” ” 管：管：指管道中水頭損失以沿程損失為主指管道中水頭損失以沿程損失為主, ,局局部損失和流速水頭所占比重較小，一般可以不作專部損失和流速水頭所占比重較小，一般可以不作專門計(jì)算，按照沿程損失的百分比估算的管道。門計(jì)算，按照沿程損失的百分比估算的管道。 “短短” ” 管：管：指水頭損失中，局部損失和沿程損失都指水頭損失中，局部損失和沿程損失都占有相當(dāng)比重，均不能忽略的管道。占有相當(dāng)比

14、重，均不能忽略的管道。 簡(jiǎn)單管路：簡(jiǎn)單管路：管徑、流量均不變的管路系統(tǒng)。管徑、流量均不變的管路系統(tǒng)。串并聯(lián)管路：串并聯(lián)管路：簡(jiǎn)單管道串、并聯(lián)后形成的管道系統(tǒng)。簡(jiǎn)單管道串、并聯(lián)后形成的管道系統(tǒng)。 工程計(jì)算時(shí)，按長(zhǎng)管還是短管計(jì)算要根據(jù)所要求的精度確工程計(jì)算時(shí)，按長(zhǎng)管還是短管計(jì)算要根據(jù)所要求的精度確定。定。2022-4-2517二、簡(jiǎn)單管路二、簡(jiǎn)單管路2112 jfwhhhg2vdlh2f=gvhj22 gvgvdlhw222221 gv)dl(22 2v4221wqgd)dl8h （2vHwqSh 令：令：（稱（稱SH為管路的阻抗）為管路的阻抗）gddlSH42)( 8 2vdq4V 2vHqSH

15、 習(xí)慣寫成習(xí)慣寫成:對(duì)于一個(gè)給定的管路，對(duì)于一個(gè)給定的管路，其其SH是一個(gè)定值。是一個(gè)定值。V不變不變2022-4-2518對(duì)于輸送氣體的管路：對(duì)于輸送氣體的管路：42)(8ddlSSHp 令：令： 為管路阻抗，為管路阻抗，2vpwqSp 因此：因此：22vdlpf 22vpj 簡(jiǎn)單管路的流動(dòng)規(guī)律：簡(jiǎn)單管路的流動(dòng)規(guī)律： 簡(jiǎn)單管路的總阻力損失與體積流量的平方成正簡(jiǎn)單管路的總阻力損失與體積流量的平方成正比。比。2022-4-2519三、串、并聯(lián)管路三、串、并聯(lián)管路1、串聯(lián)管路、串聯(lián)管路各管段首尾相連各管段首尾相連3v2v1vvqqqq 3H2H1HHSSSS+=321HHHH Hqv1qv2qv3

16、節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)2022-4-25202、并聯(lián)管路、并聯(lián)管路各管段在同一點(diǎn)分開和匯合各管段在同一點(diǎn)分開和匯合3H2H1HHS1S1S1S1+=3v2v1vvqqqq 321HHHH Hqv1qv3qv2qv4qvAB1H2H2v1vSSqq 只有兩根管路并聯(lián)時(shí)：只有兩根管路并聯(lián)時(shí)：2022-4-2521沿程阻力系數(shù)均為沿程阻力系數(shù)均為 例例1：水泵抽水系統(tǒng)的吸水管路，：水泵抽水系統(tǒng)的吸水管路， ,mm250d1=,m20l1=,m3h=吸吸壓水管路壓水管路 ,mm200d2=,m260l2=;m17h=壓壓,03. 0 =局部阻力系數(shù)局部阻力系數(shù) ,3=進(jìn)進(jìn)口口,2 . 0=彎彎頭頭,5 . 0=閥門

17、閥門,5 . 0=出口出口水泵揚(yáng)程為水泵揚(yáng)程為 ,25mH 泵泵求流量。求流量。 解：在兩自由液面列能量方程解：在兩自由液面列能量方程 ：212222211122 whgvzpHgvzp 泵泵21 whhhH吸吸壓壓泵泵mhhHhw521 ）（吸吸壓壓泵泵-)/(6 .118)(8524121111msgddlSH s/m0477. 0Shq3H21wv _)m/s(7 .2196SSS522H1HH=+=)m/s(1 .2078S522H=同理：同理：吸吸h壓壓h（按短管計(jì)算）（按短管計(jì)算）2022-4-2522例例2：某鍋爐給水系統(tǒng)如圖，水被水泵提升，經(jīng)管路流入鍋爐，：某鍋爐給水系統(tǒng)如圖，

18、水被水泵提升，經(jīng)管路流入鍋爐，已知水池液面與鍋爐水面高差已知水池液面與鍋爐水面高差Z=12m，鍋爐水面蒸汽壓力為，鍋爐水面蒸汽壓力為p0=784.8kPa,管路管徑不變，當(dāng)流量管路管徑不變，當(dāng)流量qv=2.236L/s,管流全部的損管流全部的損失失hw=5m，供水溫度為，供水溫度為 t =40 C, 求水泵求水泵的揚(yáng)程和管路的阻抗。的揚(yáng)程和管路的阻抗。解：（解：（1）求水泵揚(yáng)程，在）求水泵揚(yáng)程，在1-1和和2-2斷面列能量方程斷面列能量方程212222222111 wihgvpzHgvpz 21012 wihp)zz(H 查表查表 t=40時(shí)，時(shí)，= 9731N/m3)m(.Hi69759731108784123 )m/s(1010236. 25qhS526622v21wH （2）管路阻抗）管路阻抗:p0Z2022-4-2523例例3：如圖，有兩根長(zhǎng)度、：如圖，有兩根長(zhǎng)度、直徑、材質(zhì)均相同的支管并聯(lián)。已直徑、材質(zhì)均相同的支管并聯(lián)。已知各支管長(zhǎng)知各支管長(zhǎng) l =6m，管徑，管徑 d =200mm，沿程阻力系數(shù)，沿程阻力系數(shù) =0.026，閥門開度均開到最大（閥門開度均開到最大（ =0.5）, 若干管中水流量為若干管中水流量為 Q=80m3/s，求兩支管內(nèi)流量求兩支管內(nèi)流量qv1、qv2。若將支管。若將支管2上的閥門開度減小到