第七章 孔口、管嘴出流和有压管流.doc

第七章 有压流 学习要点：熟练掌握短管自由出流和淹没出流的水力计算（虹吸管的过流能力和安装高度、水泵的安装高度及倒虹吸的过流能力等）、长管的水力计算；掌握管嘴出流的工作条件及流量系数大的原因；水利和市政专业应掌握，其它专业要求了解串联、并联管路、均匀泄流管路的水力计算；市政专业应掌握，其它专业要求了解管网的水力计算。 第一节 孔口出流 本章应用流体力学基本原理，结合具体流动条件，研究孔口，管嘴及管路的流动。研究流体经容器壁上孔口或管嘴出流，以及流体沿管路的流动，对供热通风及燃气工程具有很大的实际意义。如自然通风中空气通过门窗的流量计算，供热管道中节流孔板的计算，工程上各种管道系统的计算，都需要掌握这方面的规律及计算方法。 薄壁小孔口恒定出流 当孔口具有锐缘，出流的水股与孔口只有周线上的接触、且孔口直径d＜0.1H，称为薄壁小孔口。当孔口泄流后，容器内的液体得到不断的补充，保持水头H不变，称为恒定出流。 1．小孔口自由出流 如图7—1所示，孔口中心的水头计保持不变，由于孔径较小，认为孔口各处的水头都为H，水流由各个方向向孔口集中射出，在惯性的作用下，约在离孔口处的d/2处的c—c断面收缩完毕后流入大气。c—c称为收缩断面。这类泄流主要是求泄流量。 以过孔口中心的水平面０—０为基准面，写出上游符合缓变流的0—0断面及收缩断面c—c的能量方程： +=+ （7—1） c—c断面的水流与大气接触，故=。若只计流经孔口的局部，即 hw=hj= （7—2） 其中Vc为收缩断面的平均流速。 令，H0称为有效水头或全水头，称为行近流速水头，并取=1.0， 于是式(7—2)可改写为 H0=(1+) （7—3） （7—4） 式中 ——流经孔口的局部阻力系数。 令 = ——流速系数。 （7—5） 设孔口的面积为A，收缩断面的面积为，则=1 式中 ——收缩系数。 于是孔口的出流量为 （7—6） 式中=为孔口出流的流量系数。式 （7—6）即为小孔口自由出流的流量公式。 2．孔口淹没出流 如图7—2所示，孔口位于下游水位以下， 从孔口流出的水流流入下游水体中，这种出流 称为孔口淹没出流。孔口断面各点的水头均相 同，所以淹没出流无大小孔口之分。 以过孔口中心的水平面作为基准面，写出 符合渐变流条件的1—1断面和2—2断面的能 量方程 H1++= H2+++hw （7—7） 式中H1-H2= H，P1= P2， H为上游、下游的水位差。所以 H+-= hw ， H0= hw 若上、下游水池较大，则0，有=H，水头损失只计水流流经孔口和从孔口流出后突然扩大的局部损失，则 hw==(+) （7—8） 式中突然扩大的局部损失=l，于是 H0=(1+) vc== （7—9） 流量的计算公式为 （7—10） 式中：——淹没出流的流量系数，与自由出流的流量系数相等。 3.影响流量系数的因素 流量系数决定于局部阻力系数，垂直收缩系数和流速系数，即=f（，，），与雷诺数和边界条件有关。当雷诺数较大，如水流在阻力平方区时与无关。工程中常遇到的出流雷诺数都较大，故可认为，和不随变，而只与边界条件有关。 在边界条件中，影响的因素为孔口形状、孔口在壁面的位置和孔口的边缘情况三方面。孔口形状是影响的因素之一，但实际表明，对小孔口，孔口形状不同，差别并不大。孔口的位置对收缩系数有直接的影响，如图7—3中的a孔，孔口的全部边界不与侧边和底边重合，其四周的流线都发生收缩，称为全部收缩孔口。孔口边与侧边的距离大于3倍的孔宽，称为完善收缩。孔b虽为全部收缩，但孔口边界与侧边的距离较小，故产生不完善收缩。孔d和孔c部分边界与侧边重合，故产生部分收缩。 孔口的边缘对收缩系数有影响，薄壁小孔口的收缩系数最小，圆边孔口的收缩系数最大，直至等于l。 根据试验资料，薄壁小孔口在全部、完善收缩情况下，各项系数列于表7—1中。 表7—1 薄壁小孔口各项数表 收缩系数 阻力系数 流速系数 流量系数 0.63～0.64 0.05～0.06 0.97～0.98 0.60～0.62 二、孔口