流體力學(xué)第六章

1、Fluid Mechanics and Machinery流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械第第 六六 章章 孔口管嘴孔口管嘴、堰流與閘孔出流堰流與閘孔出流Fluid Mechanics and Machinery流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械v 本章主要介紹流體力學(xué)基本方法和水頭損失計(jì)算方法在 孔口與管嘴出流中的應(yīng)用。v 推導(dǎo)孔口、管嘴出流的基本公式。v 分析堰流與閘孔出流的流動現(xiàn)象 、特點(diǎn)及水力計(jì)算方法。第六章第六章 孔口管嘴、堰流與閘孔出流孔口管嘴、堰流與閘孔出流引言Fluid Mechanics and Machi

2、nery流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械第一節(jié) 孔口出流1 孔口出流 在容器壁上開孔，水經(jīng)孔口流出的水力現(xiàn)象稱為孔口出流。 應(yīng)用：排水工程中各類取水， 泄水閘孔， 某些量測流量設(shè)備均屬孔口。 第第六六章章 孔口管嘴、堰流與閘孔出流孔口管嘴、堰流與閘孔出流Fluid Mechanics and Machinery流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械第一節(jié)第一節(jié) 孔口出流孔口出流（1）孔口分類 按孔口直徑d（或高度e）與孔口淹沒深度的比值（d/H）可分為：大孔口： ，需考慮在孔口射流斷面上各點(diǎn) 的水頭、壓強(qiáng)、速度沿孔口高度的變化。

3、( )0.1d eH1( )0.1d eH小孔口： ，可認(rèn)為孔口射流斷面上的各點(diǎn) 流速相等， 且各點(diǎn)水頭亦相等。 Fluid Mechanics and Machinery流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械第一節(jié)第一節(jié) 孔口出流孔口出流 根據(jù)孔口水頭變化情況可分為： 恒定出流： 當(dāng)孔口出流時(shí)，水箱中水量如能得到源源不斷 的補(bǔ)充，從而使孔口水頭不變的流動。非恒定出流：當(dāng)孔口出流時(shí)，水箱中水量得不到補(bǔ)充，則 孔口水頭不斷變化的流動。 按孔口出流情況可分為：自由出流：液體流經(jīng)孔口射入大氣中的流動。淹沒出流：液體流經(jīng)孔口流入另一部分液體中，孔口被 淹沒在下游液面之下。

4、Fluid Mechanics and Machinery流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械2 薄壁小孔口的自由出流 第一節(jié)第一節(jié) 孔口出流孔口出流 當(dāng)孔口具有銳緣時(shí)，孔壁與水流僅在一條周線上接觸，即孔口的壁厚對出流并不發(fā)生影響。這種孔口叫做薄壁孔口。 水流特征：液流從各個(gè)方向涌向孔口，由于慣性作用，流線只能逐漸彎曲，水股在出口后繼續(xù)收縮，直至離開孔口1/2孔徑處，過流斷面達(dá)到最小，即收縮斷面c-c斷面。Fluid Mechanics and Machinery流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械列 A-A 斷面與 c-c 斷面

5、間的能量方程： 2222cccAAAAcmppzzhgg 22cmhg式中 cAAcppHzz令： 202AAHHg 稱為作用水頭。22AAg 稱為行進(jìn)水頭。第一節(jié)第一節(jié) 孔口出流孔口出流Fluid Mechanics and Machinery流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械00122ccgHgH第一節(jié)第一節(jié) 孔口出流孔口出流時(shí)是理想流體的流動；這時(shí) 。10且無損失情況下，即1c其中 為流速系數(shù)。若02cccQAAgH000222cQAgHAgHAgHcAA令 其中為流量系數(shù)Fluid Mechanics and Machinery流 體 力 學(xué) 與 流

6、體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械3 孔口類型 第一節(jié)第一節(jié) 孔口出流孔口出流孔口的位置對流動的收縮程度有很大的影響。 四周的流線全部發(fā)生彎曲，水股在各方向都 發(fā)生收縮為全部收縮孔口。 孔口只有1、2 邊發(fā)生收縮，其它 3 、 4 邊 沒有收縮稱為非全部收縮孔口。 在相同作用水頭下，非全部收縮的收縮系數(shù)比全部收縮的大。 孔口周邊離側(cè)壁的距離 ，此時(shí)出流流線 彎曲率最大，收縮得最充分，為全部完善收縮。其它孔 口為非完善收縮孔口。 123 ,3la lbFluid Mechanics and Machinery流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械2 薄壁小

7、孔口的淹沒出流 第一節(jié)第一節(jié) 孔口出流孔口出流取上下游自由液面 1 - 1 及 2 - 2 ，列能量方程：222211 122212122222ccppHHgggg Fluid Mechanics and Machinery流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械第一節(jié)第一節(jié) 孔口出流孔口出流0.64,0.06,0.97,0.62對薄壁小孔口：孔口自由出流與淹沒出流其公式形式完全相同， 在孔口相同條件下亦相等，只需注意作用水頭 H0。、令作用水頭 22121 1220122ppHHHg 則 0012122cgHgH0022ccQAAgHAgHFluid Mechan

8、ics and Machinery流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械第二節(jié) 管嘴的恒定出流 在孔口周邊連接一長為34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。 第第六六章章 孔口管嘴、堰流與閘孔出流孔口管嘴、堰流與閘孔出流Fluid Mechanics and Machinery流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械第二節(jié)第二節(jié) 管嘴的恒定出流管嘴的恒定出流管嘴出流的局部損失由兩部分組成，即孔口的局部水頭損失及收縮斷面后擴(kuò)展產(chǎn)生的局部損失，水頭損失大于孔口出流。但是管嘴出流為滿流，收縮系數(shù)為1，因此流量

9、系數(shù)仍比孔口大，其出流公式為管嘴出流的特點(diǎn)是在距管道入口約為 處有一收縮斷面cc，經(jīng)cc后逐漸擴(kuò)張并充滿全管泄出。dLc8 . 01 管嘴恒定出流 Fluid Mechanics and Machinery流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械第二節(jié)第二節(jié) 管嘴的恒定出流管嘴的恒定出流現(xiàn)以o-o為基準(zhǔn)面，列A-A和B-B的能量方程2222AAABBBABlppzzhgg 202ABAAABppHzzg 令： 式中 hl 由三種損失組成：經(jīng)過孔口的局部損失，以收縮斷面的速度水頭表示為水流由收縮斷面到滿管流動時(shí)突然擴(kuò)大的損失沿程水頭損失222Bg212cg22Bldg

10、Fluid Mechanics and Machinery流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械第二節(jié)第二節(jié) 管嘴的恒定出流管嘴的恒定出流B2221220021220011,12122122cllhdggHgHldQAAgHAgH令22212222cBBllhggdgFluid Mechanics and Machinery流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械第二節(jié)第二節(jié) 管嘴的恒定出流管嘴的恒定出流10.06,0.64,3,0.020.821.32ld孔口取即同樣的水頭同樣的過流面積管嘴的過流能力是孔口過流能力的1.32倍。 Fl

11、uid Mechanics and Machinery流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械2 管嘴真空現(xiàn)象 第二節(jié)第二節(jié) 管嘴的恒定出流管嘴的恒定出流孔口外加了管嘴，增加了阻力，但流量并未減少，反而比原來提高了32，這是因?yàn)槭湛s斷面處真空起的作用。對A-A和c-c 斷面列能量方程2222cccAAAmpapaHhrgrgFluid Mechanics and Machinery流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械第二節(jié)第二節(jié) 管嘴的恒定出流管嘴的恒定出流22012221012210222210220.64,0.06,0.820,1

12、,22212110.75cAAAccmcHgcpaHHhrgggpHgphHhH Fluid Mechanics and Machinery流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械第二節(jié)第二節(jié) 管嘴的恒定出流管嘴的恒定出流與孔口自由出流相比，孔口出流收縮斷面在大氣中，而管嘴出流收縮斷面為真空區(qū)，真空度達(dá)作用水頭的0.75倍，真空對液體起抽吸的作用，相當(dāng)于把孔口的作用水頭增大75，這就是管嘴出流比孔口出流增大的原因。 Fluid Mechanics and Machinery流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械3 圓柱形外管嘴的正常工作

13、條件第二節(jié)第二節(jié) 管嘴的恒定出流管嘴的恒定出流作用水頭越大，收縮斷面的真空值越大。當(dāng)hv 7m 時(shí)， H09m ，液體內(nèi)部會放出大量的汽泡，這種現(xiàn)象稱為空化（或汽化）。低壓區(qū)放出的汽泡隨流帶走，當(dāng)?shù)竭_(dá)高壓區(qū)時(shí)，由于壓差的作用使汽泡突然潰滅，汽泡潰滅的過程時(shí)間極短，只有幾百分之一秒，四周的水流質(zhì)點(diǎn)以極快的速度去填充汽泡空間，以致這些質(zhì)點(diǎn)的動量在極短的時(shí)間變?yōu)榱?，從而產(chǎn)生巨大的沖擊力，不停地沖擊固體邊界，致使固體邊界產(chǎn)生剝蝕，這就是汽蝕(或空蝕)。另外，當(dāng)汽泡被液流帶出管嘴時(shí)，管嘴外的空氣將在大氣壓的作用下沖進(jìn)管嘴內(nèi)，使管嘴內(nèi)液流脫離內(nèi)壁管，成為非滿管出流，此時(shí)的管嘴已不起作用。其次，管嘴的長度也

14、有一定的限制。長度過短，流束收縮后來不及擴(kuò)到整個(gè)斷面，其空不能形成，管嘴不能發(fā)揮作用；長度過長，沿程損失不能忽賂，出流將變?yōu)槎坦芰?，因此圓柱形外管嘴的工作條件是： （1）作用水頭H09m ；（2）管嘴長度L(34)d。Fluid Mechanics and Machinery流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械第三節(jié) 堰流 在明渠流中，為控制水位和流量而設(shè)置的頂部溢流障礙物稱為堰，水流經(jīng)堰頂溢流使堰前水面壅高，堰上水面降落，這種急變流現(xiàn)象稱為堰流。 在水利工程中，溢流堰是主要的泄水建筑物，常用作溢流集水設(shè)備和量水設(shè)備；在實(shí)驗(yàn)室常用作流量量測設(shè)備。 研究堰流主要是

15、分析堰的上、下游水流流態(tài)，分析堰的過流能力。 第第六六章章 孔口管嘴、堰流與閘孔出流孔口管嘴、堰流與閘孔出流Fluid Mechanics and Machinery流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械第三節(jié) 堰流1 堰流的主要特征量上游渠道寬度 B 堰寬 b 水流漫過堰頂?shù)膶挾?堰頂厚度 堰前水頭H 上游水位在堰頂上最大超高 堰上、下游坎高 p 和 p 堰下游水深 h行近流速0 下游水位超出堰頂?shù)母叨菷luid Mechanics and Machinery流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械2 堰流的水力特征 堰的上游水流受阻

16、，水面壅高，勢能增大；堰頂水深變小，速度變大，動能增大，勢能轉(zhuǎn)化為動能; 堰流是從緩流到急流的過渡。堰流的水力計(jì)算中主要考慮局部阻力、忽略沿程阻力; 水流在流過堰頂時(shí)，一般在慣性作用下會脫離堰，水流會收縮。第三節(jié) 堰流Fluid Mechanics and Machinery流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械第三節(jié) 堰流3 堰流分類 薄壁堰 67. 0H按堰 比值范圍將堰分為薄壁堰、實(shí)用堰、寬頂堰三類。H薄壁堰主要用作測量流量的設(shè)備。水舌不受堰寬的影響，堰和過堰水流就只有一條邊線接觸，堰頂厚度對水流無影響。Fluid Mechanics and Machine

17、ry流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械 實(shí)用堰5 . 267. 0H第三節(jié) 堰流堰頂厚度大于薄壁堰，堰頂厚對水流有一定影響，堰上水面是一次性連續(xù)降落與下游水流銜接。實(shí)用堰有曲線型和折線型兩種，溢流壩一般都采用曲線型實(shí)用堰。Fluid Mechanics and Machinery流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械105 . 2H第三節(jié) 堰流堰頂厚度對水流有顯著影響，水流經(jīng)兩次降落，然后與下游相接。小橋過流屬于寬頂堰流。 當(dāng) 時(shí)，沿程水頭損失不能忽略，流動已屬于明渠流動。10H 寬頂堰Fluid Mechanics and Ma

18、chinery流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械堰流的分類堰流的分類堰的堰的外形及厚度外形及厚度不同，其能量損失及過水能力也會不同不同，其能量損失及過水能力也會不同堰高P1堰高P2堰頂厚度堰頂厚度堰頂厚度堰寬b堰頂水頭HHH按按/H分類分類/H0.67 薄壁堰流薄壁堰流0.67/H2.5 實(shí)用堰流實(shí)用堰流2.5/H10 寬頂堰流寬頂堰流曲線形曲線形折線形折線形有坎有坎無坎無坎Fluid Mechanics and Machinery流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械按下游水位對過堰水流是否有影響自由式堰流淹沒式堰流按有無側(cè)向收

19、縮無側(cè)收縮堰流 B = b有側(cè)收縮堰流 b B堰流的分類Fluid Mechanics and Machinery流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械4 堰流基本公式第三節(jié) 堰流以薄壁堰為例進(jìn)行推導(dǎo)列12的伯努利方程gggH22002022222200令令 （作用水頭作用水頭）gHH22000Fluid Mechanics and Machinery流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械第三節(jié) 堰流則則010222212gHgH令5 . 105 . 1002222202HgmbHgbkgHbeAQkmkHebeA令令堰流基本公式15

20、 . 102 HgmbQ Fluid Mechanics and Machinery流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械第三節(jié) 堰流5 . 120005 . 15 . 12005 . 120021211212222000HgmmHHggmbgHgmbQgHH令5 . 102 HgbmQ 則堰流基本公式2Fluid Mechanics and Machinery流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械5 薄壁堰的水力計(jì)算第三節(jié) 堰流 薄壁堰流由于具有穩(wěn)定的水頭和流量關(guān)系，常作為水力模型試驗(yàn)或野外測量的一種有效的量水工具。 常用的薄壁堰的

21、堰口形狀有矩形、三角形和梯形。（1） 矩形薄壁堰流 完全堰：無側(cè)收縮、自由式、水舌下通氣且水流穩(wěn)定。用堰流基本公式2計(jì)算較為方便。 m0采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。Fluid Mechanics and Machinery流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械第三節(jié) 堰流矩形堰三角堰 梯形堰Fluid Mechanics and Machinery流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械（2） 實(shí)用堰第三節(jié) 堰流 實(shí)用堰是水利工程中常見的堰型之一。作為擋水和泄水建筑物，低堰常用石料砌成折線型，高的溢流壩一般作成曲線型。 實(shí)用堰的水力計(jì)算公式5.1

22、02HgmbQs11s淹沒系數(shù)側(cè)收縮系數(shù)Fluid Mechanics and Machinery流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械（3） 寬頂堰第三節(jié) 堰流 2.5 /H 10時(shí)，進(jìn)口處形成水面跌落，堰頂范圍內(nèi)產(chǎn)時(shí)，進(jìn)口處形成水面跌落，堰頂范圍內(nèi)產(chǎn)生一段近似平行于堰頂?shù)臐u變流動，稱寬頂堰流。生一段近似平行于堰頂?shù)臐u變流動，稱寬頂堰流。自由式 淹沒式Fluid Mechanics and Machinery流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械第三節(jié) 堰流5 . 102 HgmbQ 5.102HgmbQ式中： 一般由經(jīng)驗(yàn)公式確定。進(jìn)口形式,Hpfm自由式淹沒式流量計(jì)算公式Fluid Mechanics and Machinery流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械0phkkHp1h phh ph0ph08 . 0 Hph淹沒標(biāo)準(zhǔn)當(dāng) 寬頂堰絕對不會淹沒。必要條件充分條件第三節(jié) 堰流Fluid Mechanics and Machinery流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械流 體 力 學(xué) 與 流 體 機(jī) 械第四節(jié) 閘孔出流第第六六章章 孔口管嘴、堰流與閘孔出流孔口管嘴、堰流與閘孔出流實(shí)際水利工程中的閘門一般是建在寬頂堰或?qū)嵱醚呱系?，閘門形式主要有平面和弧形兩種。當(dāng)閘門部分開啟，出閘水流