流體力學(xué)課件四

孔口、管嘴和管道的流動INDEX孔口出流管嘴出流簡單管道的水力計算復(fù)雜管道管網(wǎng)計算有壓管道的水擊自由紊流射流孔口出流薄壁小孔口1.自由出流列A-A、C-C斷面能量方程H0——自由出流的作用水頭物理意義：促使流體克服阻力，流入大氣的全部能量特例自由液面：PA=Pa，液面恒定：vA=0收縮斷面流速φ——孔口的流速系數(shù)，φ=0.97~0.98孔口流量全部收縮（完善收縮、不完善收縮）、部分收縮A是孔口面積，A0是孔口所在的壁面面積不完善收縮2.淹沒出流列上下游液面能量方程ζ2=1——突然擴大阻力系數(shù)H0——淹沒出流的作用水頭物理意義：促使流體克服阻力流入到下游的全部能量特例：P1=P2=Pa，v1=v2=0收縮斷面流速孔口流量與自由出流一致H0與孔口位置無關(guān)氣體：作用壓力（略去高差）流速流量排氣吸氣應(yīng)用：孔板流量計注意：A——孔口面積，μ也可查表3.非恒定出流（以液面下降為例）等截面S容器，t時刻孔口水頭hdt內(nèi)流出體積容器減少體積容器放空：h2=0V——放空容器器的體積Qmax——開始出流流時最大流量量放空時間是水水位不下降時時放空所需時時間的兩倍管嘴出流流l=3~4d的短管1.管嘴出流流列A-A、B-B斷面能能量方程H0——作用水頭頭流速流量真空的抽吸作用，，流量增加對銳緣進口的管嘴嘴，ζ=0.5，2.管嘴正常使用用條件防止氣蝕列C-C、B-B斷面能量方程連續(xù)性方程取解得C-C斷面真真空值允許真空值H0的極限值——管嘴正常使用用條件之一——管嘴正常使用用條件之二3.管嘴的種類（a）圓柱外伸管管嘴；（b）圓柱內(nèi)伸管管嘴；（c）外伸收縮型型管嘴；（d）外伸擴張型型管嘴；（e）流線型外伸伸管嘴類型特點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外伸擴張形管嘴損失大、流速低、壓力大（擴壓管）40.4510.45流線形外伸管嘴損失小、動能大、流量大0.040.9810.984.例：水箱中用一帶帶薄壁孔口的板隔隔開，孔口及兩出出流管嘴直徑均為為d=100mm，為為保證水位不變，，流入水箱左邊的的流量Q=80L/s，求求兩管嘴出流的流流量q1、q2解：設(shè)孔口的流量量為q對管嘴連續(xù)性方程解得簡單管道的水力計計算短管（室內(nèi)）、長長管（室外，局阻阻不計或按%折合合）1.短管的水力計計算類比孔口、管嘴的的作用水頭短管的作用水頭1→突擴ζ=1，H0→H代入，得SH——管路阻抗S2/m5Spkg/m7類比電路：S→RH(p)→UQ2→I非圓管例：某鋼管制風(fēng)道道，斷面尺寸為400×200mm2，管長80m，ΣΣζ=2.5，v=10m/s，空空氣溫度t=20℃，求壓強損失p解：解題步驟（1）當(dāng)量直徑de（2）Ret=20℃，υ=15.7×10-6m2/s（3）k/de鋼管制風(fēng)道，k=0.15mm（4）λ由Re和k/de查莫迪圖λ=0.0195或利用阿里特蘇蘇里公式λ=0.0194（5）Sp（6）p（7）選型p→1.2pQ→1.1Q揚程略去速度水頭虹吸現(xiàn)象流速虹吸管正常工作作條件最大真空度列1-1和最高高斷面C-C的的能量方程流量最大安裝高度2.長管的水力力計算局部損失（包括括速度水頭）不不計，損失線性性下降，總水頭頭線與測壓管水水頭線重合單位長阻抗———比阻as2/m6kg/m8復(fù)雜管道道1.串聯(lián)管道類比電路例：鑄鐵管長L=2500m，，流量Q=0.25m3/s，作用水頭頭H=25m，為充充分利用水頭，，設(shè)計串聯(lián)管道道解：（1）如按簡單長管計計算水力計算表aH1=0.105→→d1=450mm浪浪費水頭，投投資加大aH2=0.196→→d2=400mm水水頭不夠（2）設(shè)計串聯(lián)管路d1=450mm→→L1d2=400mm→→L2解得2.并聯(lián)管道類比電路流體的自調(diào)性，，阻力平衡例1：某兩層樓的供供暖立管，管段段1的d=20mm，總總長20m，ΣΣζ1=15，管段2的d=20mm，總總長10m，ΣΣζ2=15，管路λ=0.025，，干管總流量Q=1L/s，求求Q1和Q2解：并聯(lián)解得阻力平衡水平失調(diào)異程→同程例2：流量Q=4L/s的泵泵從兩個有初始始液位差h=0.5m的油油箱中吸油，在在節(jié)點A以前的的兩條管路有相相同的長度l=10m和直徑徑d=50mm，若若λ=0.03，不不計局部阻力，，求：（1）泵開始吸油時，，每個油箱流出出的流量q1和q2各為多少？解：A點連續(xù)性方程程解得（1）必須pA≥0，列低油箱箱到A點的能量量方程會出現(xiàn)高位油箱箱向低位油箱倒倒灌的現(xiàn)象注意：因q1=0，故q2=Q，解得z≥1.27m（2）當(dāng)h是多少時，由低低位油箱流出的的q2=0？（4）當(dāng)z為多高，高位油油箱泄空后空氣氣不會進入泵內(nèi)，且又可使低低位油箱可泄空空？令q2=0，解得h=1.27m（3）當(dāng)h>1.27m時會出現(xiàn)什么情情況？管網(wǎng)計算算特點1.枝狀管網(wǎng)的的水力計算（兩兩類）（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)性方程確確定節(jié)點流量b.由流量確定各管管段管徑ve——經(jīng)濟流速（（規(guī)范要求）c.由控制線確定作用壓力或d.阻力平衡，，調(diào)整支管管徑徑（2）管網(wǎng)布置和作用用壓力已定，求求di——校核計算，，擴建管網(wǎng)a.由連續(xù)性方程確確定節(jié)點流量b.由控制線確定水水力坡度l’——局部損失折折算成沿程損失失的長度，稱為為局阻的當(dāng)量長長度（手冊可查查）c.由各管段J相等條件件，計算算各管段段管徑和和損失d.校核核e.計算算支管管管徑，并并進行阻阻力平衡衡→標(biāo)準(zhǔn)化化2.環(huán)狀狀管網(wǎng)的的水力計計算（1）節(jié)節(jié)點方程程（2）回回路方程程校正流量量ΔQ展開，略略去二階階微量由例：兩個閉閉合回路路的管網(wǎng)網(wǎng)，參數(shù)數(shù)見圖，，不計局局部阻力力，求各各管段通通過的流流量（閉閉合差小小于0.3m即即可）解：取ABCD為環(huán)路路1，CDEF為環(huán)路路2，按按順時針針繞行（1）按按ΣQi=0分配流量量從A點和最最遠(yuǎn)點F點分配，可可假設(shè)（2）計計算各管管段損失失并填表表注意正負(fù)負(fù)號（3）計計算校正正流量ΔQ注意公共共段CD環(huán)路管段假定流量Qi

Sihihi/QiΔQ管段校正流量校正后的流量Qi校正后的hi1AB+0.1559.76+1.33468.897-0.0014-0.00140.14861.3196BD+0.1098.21+0.98219.821-0.00140.09860.9548DC-0.01196.42-0.01961.960-0.0014-0.0175-0.0289-0.1641CA-0.1598.21-2.209714.731-0.0014-0.1514-2.2512Σ0.087435.410-0.1409環(huán)網(wǎng)計算算表環(huán)路管段假定流量Qi

Sihihi/QiΔQ管段校正流量校正后的流量Qi校正后的hi2CD+0.01196.42+0.01961.9600.0175+0.0175+0.00140.02890.1641DF+0.04364.42+0.583014.575+0.01750.05751.2049FE-0.03911.05-0.819927.330+0.0175-0.0125-0.1424EC-0.08364.42-2.332329.154+0.0175-0.0625-1.4235Σ-2.549673.019-0.1969有壓管道道的水擊擊（水錘錘）可壓縮、、非恒定定流1.水擊擊的物理理過程水擊———流速突突然改變變，壓力力引起大大幅度波波動的現(xiàn)現(xiàn)象水擊具有有破壞性性第一階段段水擊速度度a在t=l/a時到達(dá)管管道口第二階段段在t=2l/a時到達(dá)閥閥門第三階段段在t=3l/a時到達(dá)管管道口第四階段段在t=4l/a時到達(dá)閥閥門循環(huán)、衰衰減2.直接接水擊與與間接水水擊t=2l/a——相長長Ts——閥門門關(guān)閉時時間閥門處a0——水中中聲音傳傳播速度度（1435m/s））ε——水的的彈性系系數(shù)（2×109Pa）E——管材材彈性系系數(shù)（鋼鋼：206×106kPa））δ——管材材壁厚（1）直直接水擊擊：（2）間間接水擊擊：3.水擊擊的危害害及減弱弱水擊的的措施（1）危危害：噪噪聲、氣氣蝕、管管道破裂裂、危及及設(shè)備（2）措措施a.延長長閥門關(guān)關(guān)閉（開開啟）時時間b.減小小流速v0c.增加加管道彈彈性d.安裝裝蓄能器器、安全全閥，進進行過載載保護一、自由由紊流射射流的一一般特征征自由紊流流射流射流質(zhì)量量逐漸增增加，速速度逐漸漸降低動量守恒恒——動動力特征征二、圓形形斷面的的射流1.射流流半徑Rφ——噴口口形狀系系數(shù)（圓圓：φ=3.4；長條條縫：φ=2.44）a——噴口口紊流強強度系數(shù)數(shù)a——射流流結(jié)構(gòu)的的幾何特特征系數(shù)數(shù)2.射流流中心速速度vm由動量守守恒方程程及半徑徑經(jīng)驗公公式通過變換換，得3.射流流斷面流流量Q通過變換換，得4.斷面面平均流流速v1由得5.質(zhì)量量平均流流速v26.核心心長度st和收縮角角φ由vm=v0，s=st代入射流流中心速速度vm表達(dá)式，，得工程上常常使用軸軸心附近近較高的的速度區(qū)區(qū)，因此此v2比v1更合適反反映射流流軸心附附近的平平均速度度由工作地帶帶一般應(yīng)應(yīng)在基本本段（初始段段公式不不再推導(dǎo)導(dǎo)）例：某車車間安裝裝一圓形形截面噴噴嘴的送送風(fēng)機（（a=0.08），，送風(fēng)口口直徑d0=0.4m，送送風(fēng)量Q0=2m3/s，求求：（1）離送風(fēng)口口5m處處工作區(qū)區(qū)的射流流半徑解：由（3）工工作區(qū)的的流量（2）此處最大大風(fēng)速三、平面面射流將圓形噴噴嘴d0（R0）換成噴口高高度2b0（b0是噴口的半高高度）系數(shù)平面射流比圓圓形射流具有有更大的射出出能力注：對貼附射射流，用2b0代替b0四、溫差、濃濃差射流射流本身的溫溫度或濃度與與周圍氣體的的溫度或濃度度有差異———除塵、采暖暖、通風(fēng)空調(diào)調(diào)工程熱量、濃度擴擴散比動量擴擴散要快些，，因此邊界層層比速度邊界界層發(fā)展要快快些、厚些（（為簡化，常常認(rèn)為相同））再介紹一些參參數(shù)和公式（（以圓斷面溫溫差射流為例例）出口斷面溫差差軸心上溫差截面上任一點點溫差下標(biāo)“e”表示周圍氣氣體1.軸心溫差差ΔTm由熱力學(xué)可知知，在等壓情情況下，射流流各橫截面上上相對焓值不不變——熱力力特征通過變換2.質(zhì)量平均均溫差ΔT2對平面射流濃差射流與溫溫差射流公式式一致，只需需將溫度T換成濃度χ即可五、射流彎曲曲溫差射流或濃濃差射流由于于密度與周圍圍密度不同，，所受的重力力與浮力不平平衡——射流流向上或向下下彎曲由牛頓定律通通過積分及等等壓過程狀態(tài)態(tài)方程，整理理Ar——阿基米德德準(zhǔn)數(shù)通常Ar≥|0.001|要考慮射射流彎曲（+）——向向上彎曲（-）——向向下彎曲例：室外空氣氣以射流方式式，由位于熱熱車間外墻上上離地板7m處的孔口送送入，孔口高高0.35m，長12m，室外空氣氣的溫度為