第六章有压管道恒定流动.ppt
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* 本章在定量分析沿程水头损失和局部水头损失的基础上,对工程实际中最常见的孔口、管嘴出流及有压管流进行水力计算。 第六章 孔口、管嘴出流与有压管流 孔口出流:在盛有流体的容器上开孔后,流体会通过孔口流出容器,称这种流动为孔口出流 6.1 孔口及管嘴的恒定出流 管嘴出流:在容器孔口处接上断面与孔口形状相同、长度为3~4倍管径尺寸的短管,形成的流动 液体从孔口以射流状态流出,流线不能在孔口处急剧改变方向,而会在流出孔口后在孔口附近形成收缩断面,此断面可视为处在渐变流段中,其上压强均匀。 收缩断面 H H0 O O C A AC D C vC v0 孔口、管嘴出流的分类 恒定出流、非恒定出流;H是否随时间发生变化 自由出流、淹没出流;是否流入大气 孔口、管嘴出流的分类 薄壁出流、厚壁出流。薄壁出流就是锐缘孔口出流,流体与孔壁只有周线上接触,孔壁厚度不影响射流形态。 否则就是厚壁出流,孔壁参与出流的收缩,但收缩断面还是在流出孔口后形成。 小孔口出流、大孔口出流(按D / H 是否小于等于0.1来判定); 如果壁厚达到3~4D,孔口就可以称为管嘴,收缩断面将会在管嘴内形成,而后再扩展成满流流出管嘴。 管嘴出流的能量损失只考虑局部损失,如果管嘴再长,以致必须考虑沿程损失时就是短管了。 H H0 O O C A AC D C vC v0 ?6.1.1 薄壁小孔口自由出流 取渐变流断面1-1和收缩断面c-c,列能量方程 非淹没出流的收缩断面上相对压强均为零,绝对压强为当地大气压强。 1.出流公式 小孔口非淹没出流公式 H H0 O O C A AC D C vC v0 H0 作用总水头 孔口流速系数 孔口流量系数 收缩系数 由于边壁的整流作用,它的存在会影响收缩系数,故有完全收缩与非完全收缩之分,视孔口边缘与容器边壁距离与孔口尺寸之比的大小而定,大于3则可认为完全收缩。 流量系数是流速系数与小孔口断面收缩系数的乘积 a b 完全收缩 非 完 全 收 缩 无收缩 孔口形状和边缘情况, 对流量系数的影响不大。 孔口的位置, 对流量系数的影响不大。 2.孔口收缩系数及流量系数 大孔口出流的流量公式形式不变。 相应的水头近似取孔口形心处的值。 具体的流量系数与小孔口出流不同。见表 小孔口淹没出流的相应公式只需将作用总水头改成孔口上下游水位差即可。 ?6.1.2 大孔口出流 ?6.1.3 薄壁孔口的淹没出流 厚壁孔口出流与薄壁孔口出流的差别在于收缩系数和边壁性质有关,注意到收缩系数定义中的A为孔口外侧面积,容易看出孔边修圆后,收缩减小,收缩系数和流量系数都增大。 ?厚壁孔口出流 A Ac Ac ?6.1.4管嘴出流 当孔口壁厚l等于(3~4)d时,孔口处接一段长l的圆管时。 特点:收缩断面在管嘴内形成,而后再扩展成满流流出管嘴 1.基本公式 取通过管嘴中心的水平面为基准面,列渐变流断面1-1和2-2的能量方程 其中 为管嘴局部阻力系数,相当于管道进口的局部阻力系数,一般取 ,所以 ?6.1.4管嘴出流 C D 3~4D v C vc 管嘴出流的局部损失由两部分组成,即孔口的局部水头损失及收缩断面后扩展产生的局部损失,水头损失大于孔口出流。但是管嘴出流为满流,收缩系数为1,因此流量系数仍比孔口大,其出流公式为 管嘴出流流量系数的加大也可以从管嘴收缩断面处存在的真空来解释,由于收缩断面在管嘴内,压强要比孔口出流时的零压低,必然会提高吸出流量的能力。 D 3~4D v C vc C 2.收缩断面压强 列渐变流收缩断面c-c和出口断面2-2的能量方程 将各项系数, , , 代入得 说明收缩断面存在真空,真空度为0.756H0,而孔口收缩断面在大气中,真空的抽吸作用使管嘴流量增加。 式中, , , 与孔口收缩系数基本相同,代入得 作用水头H0越大,管嘴内的真空度也越大,当超过7m水柱时真空区将被破坏,无法保持满管出流。所以管嘴水头限值 管嘴的正常工作条件 管嘴长度要求:(3~4)d。管嘴出流的能量损失只考虑局部损失,如果管嘴再长,以致必须考虑沿程损失时就是短管了。 当液流局部地区的压强降低到一定程度时,液流的内部会出现气体(或蒸汽)空泡或空穴,这种现象叫空化。空化会造成水力机械效率的降低以及气泡在随后压强稍高的区域溃灭时的空蚀危害。理论上认为压强低于当地温度下液体的蒸汽压强就要发生空化。 dz z H1 H2 A1(z) z 6.2 孔口及管嘴的非恒定出流 如图,孔口于底部,孔口面积A
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