流體力學(xué)_05孔口管嘴管路流動

1、2022-5-275.1 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(jì)算基礎(chǔ)管網(wǎng)計(jì)算基礎(chǔ)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2022-5-275.1 5.1 孔口自由出流孔口自由出流 在容器側(cè)壁或底壁上開一孔口，在容器側(cè)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(dāng)流體通過此接觸壁面時(shí)，條周線，當(dāng)流體通過此接觸壁面時(shí)，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。2022-5-27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、2702cVgH012ccVgH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)，0.600.622022-5-272 . 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2022-5-275.2 5.2 孔口淹沒出流孔口淹沒出流 當(dāng)液體通過孔口出流到另一個(gè)充滿液體的空間時(shí)稱為淹沒出當(dāng)液體通過孔口出流到另一個(gè)充滿液體的空間時(shí)稱為淹沒出流，當(dāng)液面為大氣壓時(shí)，根據(jù)伯努利能量方程，可寫出：流，當(dāng)

4、液面為大氣壓時(shí)，根據(jù)伯努利能量方程，可寫出：令令2022-5-27n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1212cVgH2QAgH2022-5-27當(dāng)當(dāng)p1 p2 0時(shí)，淹沒出流流量分析：時(shí)，淹沒出流流量分析：2022-5-27當(dāng)為氣體淹沒出流時(shí)，其流量表達(dá)式為：當(dāng)為氣體淹沒出流時(shí)，其流量表達(dá)式為：綜上所述，當(dāng)為液體淹沒出流時(shí)：綜上所述，當(dāng)為液體淹沒出流時(shí)：2022-5-27孔口淹沒出流的應(yīng)用孔口淹沒出流的應(yīng)用 在管道中裝設(shè)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(jì)。孔板流量計(jì)：孔板

5、流量計(jì)：2022-5-27 因?yàn)榱髁?、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(jì)：孔板流量計(jì)：2022-5-275.3 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(dāng)圓孔壁厚當(dāng)圓孔壁厚等于等于3-4d時(shí)，或者在孔口處外接一段時(shí)，或者在孔口處外接一段長長l3-4d的圓管時(shí)，此時(shí)的出流稱為圓柱形外管嘴出的圓管時(shí)，此時(shí)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。2022-5-27令令2022-5-27對于銳緣進(jìn)口：對于銳緣進(jìn)口：2022-5-27n比較自由出流、淹沒出流和管嘴出流流量計(jì)算的比較自由出流

6、、淹沒出流和管嘴出流流量計(jì)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)=0.822022-5-27柱狀管嘴內(nèi)的真空度柱狀管嘴內(nèi)的真空度2200022cccBBlpVVhggg2222CCCBBBCBlpVpVzzhgggg2()2BlmVlhdg221(1) 2BlVlhdg2022-5-271cBcAVVVA22222cccVVgg221(1) 2BlVlhdg2200022cccBBlpVVhggg2022-5-270.64,0.02,3,0.82l d當(dāng)時(shí)

7、00.75cappHgg2022-5-27n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(kuò)大圓錐形管嘴三、擴(kuò)大圓錐形管嘴2022-5-27作業(yè)：作業(yè)：5-3，5-4，5-102022-5-275.4 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(fù)雜管路的基本單元。的管段，他們是組成各種復(fù)雜管路的基本單元。20

8、22-5-27令令則：則：2022-5-27對于風(fēng)機(jī)帶動的氣體管路，有：對于風(fēng)機(jī)帶動的氣體管路，有：令令則有：則有： 對已給定的管路是一個(gè)定數(shù)，它綜合反映了管路對已給定的管路是一個(gè)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。2022-5-274.24.2水泵水泵水頭水頭 水泵水頭（又稱揚(yáng)程）不僅用來克服流動阻水泵水頭（又稱揚(yáng)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(qiáng)水頭，使之力，還用來提高液體的位置水頭、壓強(qiáng)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(yáng)程又稱揚(yáng)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(qiáng)水頭，使之體的位置水頭、壓強(qiáng)水頭，使之流到高位壓力水箱中。流到高位壓力水箱中。2022-5-274.34.3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。2022-5-274.34.3虹吸管虹吸管令：令：于是于是式中式中2022-5-27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：2022-5-275.5 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(fù)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(fù)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。2022-5-27節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)：管段相接之點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)，如圖中管段相接之點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)，如圖中a點(diǎn)、點(diǎn)、b點(diǎn)。點(diǎn)。 在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上都遵循質(zhì)量平衡原理，即流入的質(zhì)量在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)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(dāng)流量與流出的質(zhì)量流量相等，當(dāng)常數(shù)時(shí)，流入的體積常數(shù)時(shí)，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(fù)，則對于每一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以寫出負(fù)，則對于每一個(gè)節(jié)點(diǎn)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：2022-5-275.2并聯(lián)管路并聯(lián)管路 流體從總管路節(jié)點(diǎn)流體從總管路節(jié)點(diǎn)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(shí)又匯集到另一節(jié)點(diǎn)段同時(shí)又匯集到另一節(jié)點(diǎn)b b上，在節(jié)點(diǎn)上，在節(jié)點(diǎn)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(shí)，應(yīng)常數(shù)時(shí)，應(yīng)滿足滿足Q0，則。點(diǎn)上流量，則。點(diǎn)上流量為為2022-5-27 于是得到并聯(lián)管路計(jì)算原則：并聯(lián)節(jié)點(diǎn)上的總流量為各于是得到并聯(lián)管路計(jì)算原則：并聯(lián)節(jié)點(diǎn)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(shè)設(shè)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：2022-5-27 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?yàn)楦鞫我馕吨鼈兊哪芰繐p失也相等，因?yàn)楦鞫巫枇Σ煌髁恳簿筒煌?，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。2022-5-275.6 管網(wǎng)計(jì)算基礎(chǔ)按能量損失大小按能

14、量損失大小按管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)按管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jì)算中，同時(shí)考慮在水力計(jì)算中，同時(shí)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(fù)雜管道復(fù)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2022-5-276.1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(gè)吸氣所給出的，是由三個(gè)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(fēng)枝狀管網(wǎng)。排風(fēng)枝狀管網(wǎng)。 根據(jù)并、串聯(lián)管路的計(jì)算原則，根據(jù)并、串聯(lián)管路的計(jì)算原則，可得到該風(fēng)機(jī)應(yīng)具備的壓頭為可得到該風(fēng)機(jī)應(yīng)具備的壓頭為風(fēng)機(jī)應(yīng)具有的風(fēng)量為風(fēng)機(jī)應(yīng)具有的風(fēng)量為2022-5-27 常遇到的水力計(jì)算，基本有兩類：常遇到的水力計(jì)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(gòu)件的型式和數(shù)量均和局部構(gòu)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(shù)、經(jīng)濟(jì)要求所規(guī)定的合適速度在這個(gè)速，是專業(yè)中根據(jù)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)要求所規(guī)定的合適速度在這個(gè)速度下輸送流量經(jīng)濟(jì)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(jì)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(shè)計(jì)手冊中查得。度。各類管路有不同的限定流速，可在設(shè)計(jì)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(jìn)行阻力計(jì)算。然確定之后，對枝狀管網(wǎng)便可進(jìn)行阻力計(jì)算。

17、然后按總阻力及總流量選擇泵或風(fēng)機(jī)。后按總阻力及總流量選擇泵或風(fēng)機(jī)。 2022-5-272已有泵或風(fēng)機(jī)，即已知作用水頭已有泵或風(fēng)機(jī)，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(gòu)件型式及尺寸。，并定出局部構(gòu)件型式及尺寸。最后進(jìn)行校核計(jì)算，計(jì)算出總阻力與已知水頭核對。最后進(jìn)行校核計(jì)算，計(jì)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。2022-5-276.2環(huán)狀管網(wǎng)環(huán)

18、狀管網(wǎng) 如圖如圖518所示。它的特點(diǎn)是管段在某一共同的節(jié)點(diǎn)所示。它的特點(diǎn)是管段在某一共同的節(jié)點(diǎn)分支，然后又在另一共同節(jié)點(diǎn)匯合。是很多個(gè)并聯(lián)管路組分支，然后又在另一共同節(jié)點(diǎn)匯合。是很多個(gè)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(jì)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(jì)算原則，并存在下列兩個(gè)條件：并存在下列兩個(gè)條件： (1)任一節(jié)點(diǎn)任一節(jié)點(diǎn)(如如G點(diǎn)點(diǎn))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。2022-5-27 (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(shí)針方向流動中，如規(guī)定順時(shí)針方向流動的阻力損失

19、為正，反之為負(fù)，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(fù)，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(diǎn)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(diǎn)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(gè)條件進(jìn)行計(jì)算，理論上沒什么困環(huán)狀管網(wǎng)根據(jù)上述兩個(gè)條件進(jìn)行計(jì)算，理論上沒什么困難，但在實(shí)際計(jì)算程序上是相當(dāng)繁瑣的。因此環(huán)狀管網(wǎng)的計(jì)難，但在實(shí)際計(jì)算程序上是相當(dāng)繁瑣的。因此環(huán)狀管網(wǎng)的計(jì)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(jì)算機(jī)程序。采用此方法，易于編制計(jì)算機(jī)程序。 20

20、22-5-27 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(gè)閉合環(huán)三個(gè)閉合環(huán)路，按節(jié)點(diǎn)流量平衡確定流量路，按節(jié)點(diǎn)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(fù)值，求出每一環(huán)在環(huán)路中的正負(fù)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(jì)算出來的，若計(jì)算出來的hi 不為零，不為零，則每段管路應(yīng)加校正流量則每段管路應(yīng)加校正流量Q，而與此相適應(yīng)的阻力損失修，而與此相適應(yīng)的阻力損失修正值為正值為hi。2022-

21、5-270.150.150.150.10-0.03-0.08-0.01-0.010.04-0.032022-5-275.7 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(fù)、迅速的變化，從而造成管中液體的壓力顯著、反復(fù)、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(qiáng)增加可能達(dá)到管中原來由于水擊而產(chǎn)生的壓強(qiáng)增加可能達(dá)到管中原來正常壓強(qiáng)的幾十倍甚至幾百倍，而且增壓和減壓交正常壓強(qiáng)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(yán)重對會便管路發(fā)生替頻率很高，其危害性很大，嚴(yán)重對會便管路發(fā)生破裂。破裂。2022-5-27水擊傳播過程水擊傳播過程a a、壓縮過程在時(shí)間為、壓縮過程在時(shí)間為 時(shí)，水擊波傳播到管道進(jìn)口，時(shí)，水擊波傳播到管道進(jìn)口，這時(shí)整個(gè)管道壓力都升高了這時(shí)整個(gè)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(fù)過程由、壓縮恢復(fù)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(guān)閉時(shí)算起，經(jīng)過傳播。從閥門關(guān)閉時(shí)算起，經(jīng)過 時(shí)間后，管

23、道中液體壓縮恢復(fù)，各處壓力正常時(shí)間后，管道中液體壓縮恢復(fù)，各處壓力正常P P022Vlt 2022-5-27d d、膨脹恢復(fù)過程壓力的恢復(fù)由、膨脹恢復(fù)過程壓力的恢復(fù)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?，從關(guān)閉閥門時(shí)算起，經(jīng)過斷面?zhèn)鞑?，從關(guān)閉閥門時(shí)算起，經(jīng)過 時(shí)，管道中液體壓力都恢復(fù)到正常情況下的密度，結(jié)時(shí)，管道中液體壓力都恢復(fù)到正常情況下的密度，結(jié)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?，從關(guān)閉閥門算起，面?zhèn)鞑?，從關(guān)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 2022-5-27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(dá)閥門時(shí)，閥即反射的膨脹波陸續(xù)到達(dá)閥門時(shí)，閥門還沒有完全關(guān)閉，閥門