物理-流體第五章孔口管嘴

第五章孔口、管嘴和管道的流動(dòng)INDEX孔口自由出流孔口淹沒流管嘴出流簡(jiǎn)單管道管路的串聯(lián)與并聯(lián)計(jì)算管網(wǎng)計(jì)算基礎(chǔ)有壓管中的水擊第一節(jié)孔口自由出流在容器側(cè)壁或低壁上開一孔口，容器中的液體自孔口出流到大氣中，稱為孔口自由出流。如出流到充滿液體的空間，則稱為淹沒出流。

為孔口流速，為作用水頭，是促使水流的全部能量

為收縮面的面積，為流量系數(shù)上式為孔口自由出流的孔口流量基本公式，其中具有銳緣的孔口，出流流股與孔口壁接觸僅是一條周線，這種條件的孔口稱為薄壁孔口。若孔壁厚度和形狀促使流股收縮后又?jǐn)U開，與孔壁接觸形成面而不是線，這種孔口稱為厚壁孔口或管嘴。無論薄璧、厚壁孔口或管嘴，能量損失都發(fā)生在孔與嘴的局部為局部損失，對(duì)比管路流動(dòng)而言，這正是這種流動(dòng)的特點(diǎn)。第二節(jié)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)稱為淹沒出流。淹沒出流流量公式與自由出流時(shí)不同，這里的中速度不再全部轉(zhuǎn)化為作用水頭，而僅是上下游速度頭之差轉(zhuǎn)化為作用水頭。孔口自由出流與淹沒出流其公式形式完全相同。只需要注意作用水頭中各項(xiàng)，按具體要求帶入。氣體管路中，裝一有薄壁孔口的隔板，稱為孔板，此時(shí)通過孔口的出流是淹沒出流。在管路中裝設(shè)如上說孔板，測(cè)定孔板前后漸變斷面上的壓差，即可求得管中流量，這種裝置叫做孔板流量計(jì)。孔板流量計(jì)的流量系數(shù)是通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得的。第三節(jié)管嘴出流1.圓柱形外管嘴出流 當(dāng)圓孔壁厚等于3~4倍的管徑時(shí)，或者在孔口出外接一段長(zhǎng)為3~4倍管徑的圓管時(shí)，此時(shí)的出流被稱為圓柱形外管嘴出流，外結(jié)短管稱為管嘴。

上式即為管嘴出流流量公式，其中，為管嘴出流的作用水頭。水流入管嘴時(shí)如同孔口出流一樣，流股也發(fā)生收縮，存在著收縮斷面。而后流股漸漸擴(kuò)張，至出口斷面上完全充滿管嘴斷面流出。在收縮面前后流股與管壁分離，中間形成漩渦區(qū)，出現(xiàn)了管嘴的真空現(xiàn)象。由于管嘴出流出現(xiàn)真空現(xiàn)象，促使出流流量增大，這是管嘴出流不同于孔口出流的基本特點(diǎn)。當(dāng)真空值達(dá)到7~8毫米水柱時(shí)，常溫下的水發(fā)生氣化而不斷產(chǎn)生氣泡，破壞連續(xù)流動(dòng)。同時(shí)，空氣在較大的壓差下，沖入真空區(qū)，破壞了真空。氣泡及空氣都使管嘴內(nèi)部液流脫離管內(nèi)壁，不再充滿斷面，于是形成為孔口出流。其次，管嘴長(zhǎng)度也有一定極限值。太長(zhǎng)阻力大，使流流量減小。太短則流股收縮后來不及擴(kuò)大到整個(gè)斷面而成非線性滿流流出。2.其它類型的管嘴出流

1）流線型管嘴；

2）收縮圓錐形管嘴；

3）擴(kuò)大圓錐形管嘴3.管嘴更多種類（a）圓柱外伸管嘴；（b）圓柱內(nèi)伸管嘴；（c）外伸收縮型管嘴；（d）外伸擴(kuò)張型管嘴；（e）流線型外伸管嘴類型特點(diǎn)ζφεμ圓柱外伸管嘴損失較大，流量較大0.50.8210.82圓柱內(nèi)伸管嘴損失大、隱蔽10.7110.71外伸收縮形管嘴損失小、速度大（消防龍頭）0.090.960.980.95外伸擴(kuò)張形管嘴損失大、流速低、壓力大（擴(kuò)壓管）40.4510.45流線形外伸管嘴損失小、動(dòng)能大、流量大0.040.9810.98※應(yīng)用：孔板流量計(jì)注意：A——孔口面積，μ也可查表第四節(jié)簡(jiǎn)單管路為了研究流體在管路中的流動(dòng)規(guī)律，首先討論流體在簡(jiǎn)單管路中的流動(dòng)。所謂簡(jiǎn)單管路就是具有相同管徑，相同流量的管段，它是組成各種復(fù)雜管路的基本單元。管道中一部分高出上游供水液面的簡(jiǎn)單管路，稱為虹吸管。正因?yàn)楹缥艿囊徊糠指哂谏嫌喂┧好妫厝辉诤缥苤写嬖谡婵諈^(qū)段。當(dāng)真空達(dá)到某一限值時(shí)，將使溶解在水中的空氣分離出來，隨真空度的加大，空氣量也增加。大量氣體集結(jié)在虹吸管頂部，縮小了有效過流斷面阻礙流動(dòng)。嚴(yán)重時(shí)，造成氣塞，破壞流體連續(xù)輸送。基本公式：1）不可壓縮氣體管路計(jì)算，利用公式：2）液體管路計(jì)算，利用公式：※虹吸現(xiàn)象流速虹吸管正常工作條件最大真空度列1-1和最高斷面C-C的能量方程流量※虹吸現(xiàn)象最大安裝高度※虹吸現(xiàn)象第九節(jié)管路的串聯(lián)與并聯(lián)任何復(fù)雜管路都是由簡(jiǎn)單管路經(jīng)串聯(lián)、并聯(lián)組合而成。一、串聯(lián)管路串聯(lián)管路是由許多簡(jiǎn)單管路首尾相聯(lián)組合而成。管段相接之處稱為節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上滿足質(zhì)量平衡定理。無中途分流或合流，則流量相等，阻力疊加，總管路的阻抗等于各管段的阻抗疊加。這就是串聯(lián)管路的計(jì)算原則。類比電路一、串聯(lián)管路例1：鑄鐵管長(zhǎng)L=2500m，流量Q=0.25m3/s，作用水頭H=25m，為充分利用水頭，設(shè)計(jì)串聯(lián)管道解：（1）如按簡(jiǎn)單長(zhǎng)管計(jì)算水力計(jì)算表aH1=0.105→d1=450mm浪費(fèi)水頭，投資加大aH2=0.196→d2=400mm水頭不夠（2）設(shè)計(jì)串聯(lián)管路d1=450mm→L1d2=400mm→L2解得二、并聯(lián)管路流體從總管路節(jié)點(diǎn)a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)b上，在節(jié)a點(diǎn)b和之間的各管段成為并聯(lián)管路。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。總的阻抗平方根倒數(shù)等于各支管阻抗平方根倒數(shù)之和。并聯(lián)管路的質(zhì)量分布規(guī)律并聯(lián)管道類比電路流體的自調(diào)性，阻力平衡例2：某兩層樓的供暖立管，管段1的d=20mm，總長(zhǎng)20m，Σζ1=15，管段2的d=20mm，總長(zhǎng)10m，Σζ2=15，管路λ=0.025，干管總流量Q=1L/s，求Q1和Q2解：并聯(lián)解得阻力平衡水平失調(diào)異程→同程例3：流量Q=4L/s的泵從兩個(gè)有初始液位差h=0.5m的油箱中吸油，在節(jié)點(diǎn)A以前的兩條管路有相同的長(zhǎng)度l=10m和直徑d=50mm，若λ=0.03，不計(jì)局部阻力，求：（1）泵開始吸油時(shí)，每個(gè)油箱流出的流量q1和q2各為多少？解：A點(diǎn)連續(xù)性方程解得（1）必須pA≥0，列低油箱到A點(diǎn)的能量方程會(huì)出現(xiàn)高位油箱向低位油箱倒灌的現(xiàn)象注意：因q1=0，故q2=Q，解得z≥1.27m（2）當(dāng)h是多少時(shí)，由低位油箱流出的q2=0？（4）當(dāng)z為多高，高位油箱泄空后空氣不會(huì)進(jìn)入泵內(nèi)，且又可使低位油箱可泄空？令q2=0，解得h=1.27m（3）當(dāng)h>1.27m時(shí)會(huì)出現(xiàn)什么情況？第六節(jié)管網(wǎng)計(jì)算基礎(chǔ)管網(wǎng)即是簡(jiǎn)單管路、并聯(lián)、串聯(lián)管路組合而成，基本上可以分為支狀管網(wǎng)和環(huán)狀管網(wǎng)兩種。1.支狀管網(wǎng) 水力計(jì)算的兩種情形：

1）管路布置已定，則管長(zhǎng)和局部構(gòu)件的形式和數(shù)量均已確定。在已知各用戶所需流量及末端要求丫頭的條件下，求管徑和作用壓頭。

2）已有泵和風(fēng)機(jī)，即已知作用壓頭，用戶所需流量及末端水頭，在管路布置之后一直管長(zhǎng)，求管徑。2.環(huán)狀管網(wǎng) 環(huán)狀管網(wǎng)的特點(diǎn)是在某一共同的節(jié)點(diǎn)分支，然后又在另一共同節(jié)點(diǎn)回合。環(huán)狀管網(wǎng)遵循串聯(lián)和并聯(lián)的計(jì)算原則，并存在下列兩個(gè)條件：

1）任意節(jié)點(diǎn)流入和流出的流量相等。

2）任意閉合環(huán)路，如規(guī)定順時(shí)針方向流動(dòng)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。2.環(huán)狀管網(wǎng) 環(huán)狀管網(wǎng)的特點(diǎn)是在某一共同的節(jié)點(diǎn)分支，然后又在另一共同節(jié)點(diǎn)回合。環(huán)狀管網(wǎng)遵循串聯(lián)和并聯(lián)的計(jì)算原則，并存在下列兩個(gè)條件：

1）任意節(jié)點(diǎn)流入和流出的流量相等。

2）任意閉合環(huán)路，如規(guī)定順時(shí)針方向流動(dòng)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。1.枝狀管網(wǎng)的水力計(jì)算（兩類）（1）管網(wǎng)布置已定（Li，ζ，用戶Qc，末端壓力pc或hc），求di，作用壓力p或H——新建管網(wǎng)a.由連續(xù)性方程確定節(jié)點(diǎn)流量b.由流量確定各管段管徑ve——經(jīng)濟(jì)流速（規(guī)范要求）c.由控制線確定作用壓力或d.阻力平衡，調(diào)整支管管徑（2）管網(wǎng)布置和作用壓力已定，求di——校核計(jì)算，擴(kuò)建管網(wǎng)a.由連續(xù)性方程確定節(jié)點(diǎn)流量b.由控制線確定水力坡度l’——局部損失折算成沿程損失的長(zhǎng)度，稱為局阻的當(dāng)量長(zhǎng)度（手冊(cè)可查）c.由各管段J相等條件，計(jì)算各管段管徑和損失d.校核e.計(jì)算支管管徑，并進(jìn)行阻力平衡→標(biāo)準(zhǔn)化2.環(huán)狀管網(wǎng)的水力計(jì)算（1）節(jié)點(diǎn)方程（2）回路方程校正流量ΔQ展開，略去二階微量由第七節(jié)有壓管中的水擊1.水擊的物理過程

有壓管中流動(dòng)著的流體，由于閥門或水泵突然關(guān)閉，使得液體速度和動(dòng)量發(fā)生急劇變化，從而引起液體壓強(qiáng)的驟然變化，這種現(xiàn)象稱為水擊。水擊所產(chǎn)生的增壓波和減壓波交替進(jìn)行，對(duì)管壁或閥門的作用猶如捶擊一樣，故又稱為水錘水擊具有破壞性第一階段水擊速度a在t=l/a時(shí)到達(dá)管道口水錘揚(yáng)水機(jī)演示第二階段在t=2l/a時(shí)到達(dá)閥門第三階段在t=3l/a時(shí)到達(dá)管道口第四階段在t=4l/a時(shí)到達(dá)閥門循環(huán)、衰減2.直接水擊與間接水擊t=2l/a——相長(zhǎng)Ts——閥門關(guān)閉時(shí)間閥門處a0——水中聲音傳播速度（1435m/s）ε——水的彈性系數(shù)（2×109Pa）E——管材