薄壁小孔口恒定出流ppt课件.ppt

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1、第十一章 孔口、管嘴、闸孔出流及堰流,概念第一节 薄壁小孔口恒定出流 一、薄壁小孔口恒定自由出流 二、小孔口的淹没出流 三、影响孔口出流流量系数的因素第二节 管嘴出流第三节 孔口的非恒定泄流第四节 闸孔出流第五节 堰流,概 念,一、孔口出流（Orifice Discharge）：在容器壁上开孔，水经孔口流 出的水力现象就称为孔口出流。,应用：排水工程中各类取水，泄水闸孔，以及某些量测流量设备均属孔口。,二、管嘴出流（Nozzle Discharge） ：在孔口上连接长为34倍孔径的短管，水经过短管并在出口断面满管流出的水力现象。,应用：消防水枪和水力机械化施工用水枪。,第一节 薄壁小孔口恒定出

2、流,第一节 薄壁小孔口恒定出流,一、孔口出流分类,小孔口（Small Orifice ）：当孔口直径d（或高度e）与孔口形心以 上的水头高度H的比值小于0.1，即d/H0.1时，可认为孔口射流断面 上的各点流速相等， 且各点水头亦相等，这时的孔口称为小孔口。,大孔口（Big Orifice） ：当孔口直径d（或高度e）与孔口形心以上 的水头高H的比值大于0.1，即d/H0.1时，需考虑在孔口射流断面上 各点的水头、压强、速度沿孔口高度的变化，这时的孔口称为大孔 口。,1、根据d/H的比值大小分：大孔口、小孔口,恒定出流（Steady Discharge）：当孔口出流时，水箱中水量如能得到 源源

3、不断的补充，从而使孔口的水头不变，此时的出流称为恒定出流。,非恒定出流（Unsteady Discharge）：当孔口出流时，水箱中水量得不 到补充，则孔口的水头不断变化，此时的出流称为非恒定出流。,3、根据孔口水头变化情况分：恒定出流、非恒定出流,第一节 薄壁小孔口恒定出流,2、根据出流条件分：自由出流、淹没出流,淹没出流（Submerged Discharge）：若经孔口流出的水流不是进入 空气，而是流入下游水体中，致使孔口淹没在下游水面之下，这种情 况称为淹没出流。,自由出流（Free Discharge）：若经孔口流出的水流直接进入空气中， 此时收缩断面的压强可认为是大气压强，即pc

4、= pa ，则该孔口出流称 为孔口自由出流。,第一节 薄壁小孔口恒定出流,薄壁孔口（Thin- wall Orifice）：当孔口具有锐缘时，孔壁与水流仅在一条周线上接触，即孔口的壁厚对出流并不发生影响。这种孔口叫做薄壁孔口。 薄壁孔口厚度小于孔径或孔高的三倍,4、根据孔口厚度和形状：薄壁孔口出流、厚壁孔口出流,厚壁孔口（Thick- wall Orifice）：当孔口具有一定厚度时，孔壁与水流仅在面上接触。这种孔口叫做厚壁孔口。孔口厚度大于孔径或孔高的34倍，成为管嘴出流。,二、薄壁小孔口恒定自由出流,收缩断面与收缩系数,收缩系数：是指收缩断面面积与孔口断面面 积之比，以表示。,根据试验资料

5、，收缩断面直径dc=0.8d。,第一节 薄壁小孔口恒定出流,薄壁小孔口恒定自由出流的流速与流量计算,考虑到：1）小孔口自由出流，则有pc=pa； 2）水箱中的微小水头损失可忽略不计， 则有hw=hj=0c2/2g。,断面0-0和收缩断面C-C，列能量方程,流速系数， ，是收缩断面的实际流体流速vc对理想流体流速 的比值。圆形小孔口在Re很大的时候，流速系数 ，流径小孔口的局部阻力系数 。,则有：,孔口的流量系数， ，对于薄壁小孔口：,水流经孔口的局部阻力系数；,第一节 薄壁小孔口恒定出流,三、小孔口的淹没出流,说明：小孔口淹没出流时的作用水头全部转化为水流流经孔口和从孔口流 出 后突然扩大的局

6、部水头损失。,列断面1-1与断面2-2的能量方程,则,第一节 薄壁小孔口恒定出流,注意：自由出流时，水头H系水面至孔口形心的深度； 淹没出流时，水头H值系孔口上、下游水面高差。流速、流量与孔口 在水面下的深度无关，所以也无“大”，“小”孔口区别。,第一节 薄壁小孔口恒定出流,Q1 Q2,Q1 = Q2,四、影响孔口出流流量系数的因素,在边界条件中，影响c的因素有：孔口形状、孔口边缘情况、孔口在壁面 上的位置三个方面。,孔口形状对的影响,实验证明，对于小孔口，不同形状孔口的流量系数影响不大。,孔口边缘情况对的影响,孔口边缘情况对收缩系数会有影响： 薄壁孔口的收缩系数最小（=0.64）， 圆边孔口

7、收缩系数较大，甚至等于1。,第一节 薄壁小孔口恒定出流,全部收缩孔口（Full Contrastive Orifice）： 当孔口的全部边界都不与相邻的容器底边和侧边 重合时，孔口出流时的四周流线都发生收缩，这种 孔口称为全部收缩孔口 (如a,b) 。,完善收缩（Perfect Contraction）：凡孔口与相邻壁面的距离大于同 方向孔口尺寸的3倍（l3a或 l3b），孔口出流的收缩不受距壁面远近 的影响，这就是完善收缩(如a) 。 不完善收缩( Non-Perfect Contraction) ：不满足上述条件的孔口出流 为不完善收缩(如b) 。,全部收缩孔口又分完善收缩和不完善收缩。,

8、孔口在壁面上的位置对的影响,孔口在壁面上的位置对收缩系数有直接的影响。,第一节 薄壁小孔口恒定出流,1、什么是小孔口、大孔口？各有什么特点？,2、小孔口自由出流与淹没出流的流量计算公式有何不同？,3、影响孔口出流流量系数的因素有哪些？影响较大的因 素为哪个？,4、水位恒定的上、下游水箱，箱内水深为H和h。三个直 径相等的薄壁孔口1、2、3位于隔板上的不同位置，均 为完全收缩。问：三孔口的流量是否相等？为什么？ 若下游水箱无水，情况又如何？,1=2，3不等；三孔不等,第二节 管嘴出流,圆柱形外管嘴：先收缩后扩大到整满管。,流线形外管嘴：无收缩扩大，阻力系 数最小。水坝泄流,圆锥形扩张管嘴：较大过

9、流能力，较 低出口流速。引射器，小轮机尾 水管，人工降雨设备。,圆锥形收缩管嘴：较大出口流速。水力 挖土机喷嘴，消防用喷嘴。,管嘴出流分类,一、圆柱形外管嘴的恒定出流,设水箱水位保持不变，表面为大气压强，管嘴为自由出流，则由断面0-0与1-1的能量方程得：,结论：在相同水头H0的作用下，同样断面面积的管嘴的过流能力是孔口的1.32倍。,管嘴流量系数，因出口无收缩，,管嘴流速系数，,圆柱形外管嘴的正常工作条件是：（1）作用水头（2）管嘴长度,管嘴阻力系数，即管道锐缘进口局部阻力系数，取 ；,第三节 管嘴出流,圆柱形管嘴水流在收缩断面处出现真空，真空度为：,二、圆柱形外管嘴的真空,断面1-1与断面c-c写能量方程：,连续性方程,第三节 管嘴出流,结论：圆柱形管嘴收缩断面处真空度可达作用水头的0.75倍。相当于把管 嘴的作用水头增大了75%。这就是相同直径、相同作用水头下的圆柱形 外管嘴的流量比孔口大的原因。,第三节 管嘴出流,孔口出流与管嘴出流,2、管嘴出流与孔口出流的水流现象 有何不同？ 若在孔口2上安装一 圆柱形外管 嘴，1、2孔口的流量相等吗？为 什么？,1、圆柱形外管嘴正常工作的条件是什么？为什么必须要有 这两个限制条件？,请自己学习管嘴的淹没出流,