流體力學_05孔口管嘴管路流動

1、2022-5-265.1 5.1 孔口自由出流孔口自由出流5.2 5.2 孔口淹沒出流孔口淹沒出流5.3 5.3 管嘴出流管嘴出流5.4 5.4 簡單管路簡單管路5.5 5.5 管路的串聯(lián)與并聯(lián)管路的串聯(lián)與并聯(lián)5.6 5.6 管網(wǎng)計算基礎管網(wǎng)計算基礎5.7 5.7 有壓管中的水擊有壓管中的水擊第五章第五章 孔口管嘴管路流動孔口管嘴管路流動2022-5-265.1 5.1 孔口自由出流孔口自由出流 在容器側壁或底壁上開一孔口，在容器側壁或底壁上開一孔口，容器中的液體自孔口出流到大氣中，容器中的液體自孔口出流到大氣中，稱為孔口自由出流稱為孔口自由出流 由于水在容器中流動的沿程損由于水在容器中流動的

2、沿程損失甚微，故僅在孔口處發(fā)生能量損失甚微，故僅在孔口處發(fā)生能量損失。右圖所示為一具有銳緣的小孔失。右圖所示為一具有銳緣的小孔口，出流流股與孔口壁接觸僅是一口，出流流股與孔口壁接觸僅是一條周線，當流體通過此接觸壁面時，條周線，當流體通過此接觸壁面時，由于流線不能成直線突然改變方向，由于流線不能成直線突然改變方向，只能以圓滑曲線逐漸彎曲。只能以圓滑曲線逐漸彎曲。2022-5-26薄壁小孔口出流公式薄壁小孔口出流公式2222CCCAAAACepVpVzzhgggg222000222CCCAAVVVHggg22022CCCVVHgg2()2CCVg012CCVgH1. 孔口自由出流令令2022-5-

3、2602cVgH012ccVgH稱為速度系數(shù)，cAA稱為收縮系數(shù)0022ccQAVAgHAgH 稱為孔口流量系數(shù)，0.600.622022-5-262 . 收縮系數(shù)收縮系數(shù)全部收縮全部收縮非全部收縮非全部收縮完善收縮完善收縮不完善收縮不完善收縮全部收縮全部收縮非全部收縮非全部收縮 =0.620.64 =0.97 =0.600.62完善收縮的薄壁圓形小孔口完善收縮的薄壁圓形小孔口2022-5-265.2 5.2 孔口淹沒出流孔口淹沒出流 當液體通過孔口出流到另一個充滿液體的空間時稱為淹沒出當液體通過孔口出流到另一個充滿液體的空間時稱為淹沒出流，當液面為大氣壓時，根據(jù)伯努利能量方程，可寫出：流，當

4、液面為大氣壓時，根據(jù)伯努利能量方程，可寫出：令令2022-5-26n比較自由出流和淹沒出流的基本公式比較自由出流和淹沒出流的基本公式自由出流自由出流012ccVgH02QAgH淹沒出流1212cVgH2QAgH2022-5-26當當p1 p2 0時，淹沒出流流量分析：時，淹沒出流流量分析：2022-5-26當為氣體淹沒出流時，其流量表達式為：當為氣體淹沒出流時，其流量表達式為：綜上所述，當為液體淹沒出流時：綜上所述，當為液體淹沒出流時：2022-5-26孔口淹沒出流的應用孔口淹沒出流的應用 在管道中裝設孔板，測得孔板前后漸變斷面上的壓差，即可求得管中流量。這種裝置叫孔板流量計?？装辶髁坑嫞嚎装?/p>

5、流量計：2022-5-26 因為流量、管徑在給定條件下不變，所以測壓斷面上流速相等，故BAppH0對于液體：對于氣體：BAppp0孔板流量計：孔板流量計：2022-5-265.3 5.3 管嘴出流管嘴出流n圓柱形外管嘴出流圓柱形外管嘴出流 當圓孔壁厚當圓孔壁厚等于等于3-4d時，或者在孔口處外接一段時，或者在孔口處外接一段長長l3-4d的圓管時，此時的出流稱為圓柱形外管嘴出的圓管時，此時的出流稱為圓柱形外管嘴出流，外接短管稱為管嘴。流，外接短管稱為管嘴。2022-5-26令令2022-5-26對于銳緣進口：對于銳緣進口：2022-5-26n比較自由出流、淹沒出流和管嘴出流流量計算的比較自由出流

6、、淹沒出流和管嘴出流流量計算的基本公式基本公式淹沒出流1212cVgH2QAgH012ccVgH02QAgH自由出流自由出流管嘴出流管嘴出流012cBVgH02QAgH流量系數(shù)相等，0.60.62流量系數(shù)=0.822022-5-26柱狀管嘴內(nèi)的真空度柱狀管嘴內(nèi)的真空度2200022cccBBlpVVhggg2222CCCBBBCBlpVpVzzhgggg2()2BlmVlhdg221(1) 2BlVlhdg2022-5-261cBcAVVVA22222cccVVgg221(1) 2BlVlhdg2200022cccBBlpVVhggg2022-5-260.64,0.02,3,0.82l d當時

7、00.75cappHgg2022-5-26n其它類型管嘴出流其它類型管嘴出流一、流線形管嘴一、流線形管嘴二、收縮圓錐形管嘴二、收縮圓錐形管嘴三、擴大圓錐形管嘴三、擴大圓錐形管嘴2022-5-26作業(yè)：作業(yè)：5-3，5-4，5-102022-5-265.4 簡單管路簡單管路4.1簡單管路中的流動簡單管路中的流動 為了研究流體在管路中流動規(guī)律，首先要討論在簡單管為了研究流體在管路中流動規(guī)律，首先要討論在簡單管路中的流動。所謂簡單管路就是具有相同管徑路中的流動。所謂簡單管路就是具有相同管徑d，相同流量，相同流量Q的管段，他們是組成各種復雜管路的基本單元。的管段，他們是組成各種復雜管路的基本單元。20

8、22-5-26令令則：則：2022-5-26對于風機帶動的氣體管路，有：對于風機帶動的氣體管路，有：令令則有：則有： 對已給定的管路是一個定數(shù)，它綜合反映了管路對已給定的管路是一個定數(shù)，它綜合反映了管路上的沿程阻力和局部阻力情況，故稱為管路阻抗。引入這上的沿程阻力和局部阻力情況，故稱為管路阻抗。引入這一概念對分析管路流動較為方便。一概念對分析管路流動較為方便。 兩式所表示的規(guī)律為：簡單管路中，總阻力損失與體積兩式所表示的規(guī)律為：簡單管路中，總阻力損失與體積流量平方成正比。流量平方成正比。2022-5-264.24.2水泵水泵水頭水頭 水泵水頭（又稱揚程）不僅用來克服流動阻水泵水頭（又稱揚程）不

9、僅用來克服流動阻力，還用來提高液體的位置水頭、壓強水頭，使之力，還用來提高液體的位置水頭、壓強水頭，使之流到高位壓力水箱中。流到高位壓力水箱中。 水泵水頭水泵水頭( (又稱揚程又稱揚程) )不僅用不僅用來克服流動阻力，還用來提高液來克服流動阻力，還用來提高液體的位置水頭、壓強水頭，使之體的位置水頭、壓強水頭，使之流到高位壓力水箱中。流到高位壓力水箱中。2022-5-264.34.3虹吸管虹吸管 所謂虹吸管即管道中一部分高出上游供水液面的所謂虹吸管即管道中一部分高出上游供水液面的簡單管路。簡單管路。2022-5-264.34.3虹吸管虹吸管令：令：于是于是式中式中2022-5-26虹吸管最大真空

10、高度虹吸管最大真空高度代入代入v得：得：2022-5-265.5 5.5 管路的串聯(lián)與并聯(lián)管路的串聯(lián)與并聯(lián) 任何復雜管路都是由簡單管路經(jīng)串聯(lián)、并聯(lián)組合而成。因任何復雜管路都是由簡單管路經(jīng)串聯(lián)、并聯(lián)組合而成。因此研究串聯(lián)、并聯(lián)管路的流動規(guī)律十分重要。此研究串聯(lián)、并聯(lián)管路的流動規(guī)律十分重要。 5.1串聯(lián)管路串聯(lián)管路 串聯(lián)管路是由許多簡單管路首尾相接組合而成，如圖串聯(lián)管路是由許多簡單管路首尾相接組合而成，如圖5-14所示。所示。2022-5-26節(jié)點節(jié)點：管段相接之點稱為節(jié)點，如圖中管段相接之點稱為節(jié)點，如圖中a點、點、b點。點。 在每一個節(jié)點上都遵循質(zhì)量平衡原理，即流入的質(zhì)量在每一個節(jié)點上都遵循質(zhì)

11、量平衡原理，即流入的質(zhì)量流量與流出的質(zhì)量流量相等，當流量與流出的質(zhì)量流量相等，當常數(shù)時，流入的體積常數(shù)時，流入的體積流量等于流出的體積流量，取流入流量為正，流出流量為流量等于流出的體積流量，取流入流量為正，流出流量為負，則對于每一個節(jié)點可以寫出負，則對于每一個節(jié)點可以寫出Q=0。因此對串聯(lián)管路。因此對串聯(lián)管路（無中途分流或合流）則有：（無中途分流或合流）則有：Q1=Q2Q3 因流量因流量Q各段相等，于是得各段相等，于是得 串聯(lián)管路阻力損失，按阻力疊加原理有：串聯(lián)管路阻力損失，按阻力疊加原理有：2022-5-265.2并聯(lián)管路并聯(lián)管路 流體從總管路節(jié)點流體從總管路節(jié)點a a上分出兩根以上的管段，

12、而這些管上分出兩根以上的管段，而這些管段同時又匯集到另一節(jié)點段同時又匯集到另一節(jié)點b b上，在節(jié)點上，在節(jié)點a a和和b b之間的各管段稱之間的各管段稱為并聯(lián)管路，如圖為并聯(lián)管路，如圖5-155-15所示。所示。 同串聯(lián)管路一樣，遵循質(zhì)同串聯(lián)管路一樣，遵循質(zhì)量平衡原理，量平衡原理，常數(shù)時，應常數(shù)時，應滿足滿足Q0，則。點上流量，則。點上流量為為2022-5-26 于是得到并聯(lián)管路計算原則：并聯(lián)節(jié)點上的總流量為各于是得到并聯(lián)管路計算原則：并聯(lián)節(jié)點上的總流量為各支管中流量之和；并聯(lián)各支管上的阻力損失相等?？偟淖杩怪Ч苤辛髁恐?；并聯(lián)各支管上的阻力損失相等?？偟淖杩蛊椒礁箶?shù)等于各支管阻抗平方根倒數(shù)

13、之和。平方根倒數(shù)等于各支管阻抗平方根倒數(shù)之和。設設S為并聯(lián)管路的總阻抗，為并聯(lián)管路的總阻抗，Q為總流量，則有：為總流量，則有：1231111()QHHSSSS代入式代入式有：有：2022-5-26 注意：注意：igQ 并聯(lián)管路各段上的水頭損失相等并不并聯(lián)管路各段上的水頭損失相等并不意味著它們的能量損失也相等，因為各段意味著它們的能量損失也相等，因為各段阻力不同，流量也就不同，以同樣的水頭阻力不同，流量也就不同，以同樣的水頭損失乘以不同的重力流量（即損失乘以不同的重力流量（即 ）所）所得到的各段功率損失是不同的。得到的各段功率損失是不同的。2022-5-265.6 管網(wǎng)計算基礎按能量損失大小按能

14、量損失大小按管道系統(tǒng)結構按管道系統(tǒng)結構長管長管短管短管 凡局部阻力和出口速度水頭凡局部阻力和出口速度水頭在總的阻力損失中，其比例在總的阻力損失中，其比例不足不足 5 5 的管道系統(tǒng)，稱為的管道系統(tǒng)，稱為水力長管水力長管 在水力計算中，同時考慮在水力計算中，同時考慮沿程損失和局部損失的管沿程損失和局部損失的管道系統(tǒng)道系統(tǒng) 簡單管道簡單管道復雜管道復雜管道串聯(lián)串聯(lián)并聯(lián)并聯(lián)枝狀枝狀網(wǎng)狀網(wǎng)狀2022-5-266.1枝狀管網(wǎng)枝狀管網(wǎng) 例如，作為枝狀管網(wǎng)類型之一，例如，作為枝狀管網(wǎng)類型之一，圖圖517所給出的，是由三個吸氣所給出的，是由三個吸氣口，六根簡單管路，并串聯(lián)而成的口，六根簡單管路，并串聯(lián)而成的排

15、風枝狀管網(wǎng)。排風枝狀管網(wǎng)。 根據(jù)并、串聯(lián)管路的計算原則，根據(jù)并、串聯(lián)管路的計算原則，可得到該風機應具備的壓頭為可得到該風機應具備的壓頭為風機應具有的風量為風機應具有的風量為2022-5-26 常遇到的水力計算，基本有兩類：常遇到的水力計算，基本有兩類： 1管路布置已定，則管長管路布置已定，則管長L和局部構件的型式和數(shù)量均和局部構件的型式和數(shù)量均已確定。在已知各用戶所需流量已確定。在已知各用戶所需流量Q及末端要求壓頭及末端要求壓頭hc的條件的條件下，求管徑下，求管徑d和作用壓頭和作用壓頭H。 這類問題先按流量這類問題先按流量Q和限定流速和限定流速v求管徑求管徑d。所謂限定流。所謂限定流速，是專業(yè)

16、中根據(jù)技術、經(jīng)濟要求所規(guī)定的合適速度在這個速，是專業(yè)中根據(jù)技術、經(jīng)濟要求所規(guī)定的合適速度在這個速度下輸送流量經(jīng)濟合理。如除塵管路中，防止灰塵沉積堵速度下輸送流量經(jīng)濟合理。如除塵管路中，防止灰塵沉積堵塞管路，限定了管中最小速度；熱水采暖供水干管中，為了塞管路，限定了管中最小速度；熱水采暖供水干管中，為了防止抽吸作用造成的文管流量過少，而限定了干管的最大速防止抽吸作用造成的文管流量過少，而限定了干管的最大速度。各類管路有不同的限定流速，可在設計手冊中查得。度。各類管路有不同的限定流速，可在設計手冊中查得。 在管徑在管徑d確定之后，對枝狀管網(wǎng)便可進行阻力計算。然確定之后，對枝狀管網(wǎng)便可進行阻力計算。

17、然后按總阻力及總流量選擇泵或風機。后按總阻力及總流量選擇泵或風機。 2022-5-262已有泵或風機，即已知作用水頭已有泵或風機，即已知作用水頭H，并知用戶所，并知用戶所需流量需流量Q及末端水頭及末端水頭hc，在管路布置之后已知管長，在管路布置之后已知管長，求管徑求管徑d。在求出在求出J之后根之后根據(jù)據(jù)求出管徑求出管徑d，并定出局部構件型式及尺寸。，并定出局部構件型式及尺寸。最后進行校核計算，計算出總阻力與已知水頭核對。最后進行校核計算，計算出總阻力與已知水頭核對。這類問題首先按這類問題首先按H-hc求得單位長度上允許損失的水頭。求得單位長度上允許損失的水頭。2022-5-266.2環(huán)狀管網(wǎng)環(huán)

18、狀管網(wǎng) 如圖如圖518所示。它的特點是管段在某一共同的節(jié)點所示。它的特點是管段在某一共同的節(jié)點分支，然后又在另一共同節(jié)點匯合。是很多個并聯(lián)管路組分支，然后又在另一共同節(jié)點匯合。是很多個并聯(lián)管路組合而成。因此環(huán)狀管網(wǎng)遵循串聯(lián)和并聯(lián)管路的計算原則，合而成。因此環(huán)狀管網(wǎng)遵循串聯(lián)和并聯(lián)管路的計算原則，并存在下列兩個條件：并存在下列兩個條件： (1)任一節(jié)點任一節(jié)點(如如G點點)流人流人和流出的流量相等。即和流出的流量相等。即0GQ這是質(zhì)量平衡原理的反映。這是質(zhì)量平衡原理的反映。2022-5-26 (2)任一閉合環(huán)路任一閉合環(huán)路(如如ABGFA)中，如規(guī)定順時針方向流動中，如規(guī)定順時針方向流動的阻力損失

19、為正，反之為負，則各管段阻力損失的代數(shù)和必的阻力損失為正，反之為負，則各管段阻力損失的代數(shù)和必等于零。即等于零。即 0ABGFAh 這是并聯(lián)管路節(jié)點間各分支管段阻力損失相等的反映。這是并聯(lián)管路節(jié)點間各分支管段阻力損失相等的反映。 環(huán)狀管網(wǎng)根據(jù)上述兩個條件進行計算，理論上沒什么困環(huán)狀管網(wǎng)根據(jù)上述兩個條件進行計算，理論上沒什么困難，但在實際計算程序上是相當繁瑣的。因此環(huán)狀管網(wǎng)的計難，但在實際計算程序上是相當繁瑣的。因此環(huán)狀管網(wǎng)的計算方法較多，教材僅對算方法較多，教材僅對哈迪哈迪克羅斯克羅斯的方法做一簡單介紹，的方法做一簡單介紹，采用此方法，易于編制計算機程序。采用此方法，易于編制計算機程序。 20

20、22-5-26 1將管網(wǎng)分成若干環(huán)路如圖將管網(wǎng)分成若干環(huán)路如圖519上分成上分成I、II、III三個閉合環(huán)三個閉合環(huán)路，按節(jié)點流量平衡確定流量路，按節(jié)點流量平衡確定流量Q，選取限定流速選取限定流速v，定出管徑，定出管徑D。 2按照上面規(guī)定的流量與損失按照上面規(guī)定的流量與損失在環(huán)路中的正負值，求出每一環(huán)在環(huán)路中的正負值，求出每一環(huán)路的總損失路的總損失 hH(以后寫作以后寫作hi)。 3根據(jù)上面給定的流量根據(jù)上面給定的流量Q，若計算出來的，若計算出來的hi 不為零，不為零，則每段管路應加校正流量則每段管路應加校正流量Q，而與此相適應的阻力損失修，而與此相適應的阻力損失修正值為正值為hi。2022-

21、5-260.150.150.150.10-0.03-0.08-0.01-0.010.04-0.032022-5-265.7 5.7 有壓管中的水擊有壓管中的水擊 水擊：水擊：在壓力管路中，由于液體流速的急劇變化，在壓力管路中，由于液體流速的急劇變化，從而造成管中液體的壓力顯著、反復、迅速的變化，從而造成管中液體的壓力顯著、反復、迅速的變化，對管道有一種對管道有一種“錘擊錘擊”的特征，稱這種現(xiàn)象為水擊。的特征，稱這種現(xiàn)象為水擊。( (或叫水錘或叫水錘) ) 由于水擊而產(chǎn)生的壓強增加可能達到管中原來由于水擊而產(chǎn)生的壓強增加可能達到管中原來正常壓強的幾十倍甚至幾百倍，而且增壓和減壓交正常壓強的幾十倍

22、甚至幾百倍，而且增壓和減壓交替頻率很高，其危害性很大，嚴重對會便管路發(fā)生替頻率很高，其危害性很大，嚴重對會便管路發(fā)生破裂。破裂。2022-5-26水擊傳播過程水擊傳播過程a a、壓縮過程在時間為、壓縮過程在時間為 時，水擊波傳播到管道進口，時，水擊波傳播到管道進口，這時整個管道壓力都升高了這時整個管道壓力都升高了PhPh，液體受到壓縮，密度增，液體受到壓縮，密度增高，管壁膨脹。高，管壁膨脹。01Vlt b b、壓縮恢復過程由、壓縮恢復過程由M-MM-M斷面以水擊波的傳播速度向斷面以水擊波的傳播速度向管道末端管道末端N-NN-N傳播。從閥門關閉時算起，經(jīng)過傳播。從閥門關閉時算起，經(jīng)過 時間后，管

23、道中液體壓縮恢復，各處壓力正常時間后，管道中液體壓縮恢復，各處壓力正常P P022Vlt 2022-5-26d d、膨脹恢復過程壓力的恢復由、膨脹恢復過程壓力的恢復由M-MM-M斷面以水擊波的傳斷面以水擊波的傳播速度向播速度向N-NN-N斷面?zhèn)鞑ィ瑥年P閉閥門時算起，經(jīng)過斷面?zhèn)鞑?，從關閉閥門時算起，經(jīng)過 時，管道中液體壓力都恢復到正常情況下的密度，結時，管道中液體壓力都恢復到正常情況下的密度，結束膨脹狀態(tài)。束膨脹狀態(tài)。044vlt c c、膨脹過程與壓縮過程的傳、膨脹過程與壓縮過程的傳播情形一樣，膨脹將由播情形一樣，膨脹將由N-NN-N斷斷面以水擊波傳播速度向面以水擊波傳播速度向M-MM-M斷斷面?zhèn)鞑ィ瑥年P閉閥門算起，面?zhèn)鞑ィ瑥年P閉閥門算起，經(jīng)過經(jīng)過 后，管道中液體后，管道中液體處于膨脹狀態(tài)，壓力比正常處于膨脹狀態(tài)，壓力比正常情況下低情況下低PhPh033Vlt 2022-5-26水擊類型水擊類型vlts2間接水擊：間接水擊： 即反射的膨脹波陸續(xù)到達閥門時，閥即反射的膨脹波陸續(xù)到達閥門時，閥門還沒有完全關閉，閥門