工程流体力学 教学课件 作者 侯国祥 孙江龙 第四章1.ppt

第4章 孔口出流与缝隙流动 本章主要内容： 孔口出流：孔口的分类孔口出流的基本公式推导 （Bernoulli’s Equations应用）； 缝隙流动：各种缝隙流动的流体计算（The Navier-Stokes Equations）； 4.1 孔口出流的分类 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、水处理工程中各类取水，泄水闸孔，以及某些量测流量设备均属孔口。 黄河小浪底工程为控制黄河水沙的关键性骨干工程，是国内外首次采用孔板泄洪洞的大型工程。孔板泄洪洞工作弧门的最大工作水头为140m，孔口出流流速高达35m，单洞最大泄洪功率超过2000MW。 船闸闸室的充水、泄水 水处理（沉淀水池） 等等 根据l/d可以分为薄壁孔口和厚壁孔口（图4.1.1） 薄壁孔口（thin-wall orifice ）： ，边缘厚度的变化对流体出流不产生影响。仅考虑收缩而产生的局部能量损失，收缩断面的位置在出孔后1/2d处； 厚壁孔口： ，也叫长孔口、管嘴。壁厚对射流影响显著，射流在孔内收缩后又扩散而附壁。考虑沿程阻力损失和局部阻力损失。应用在消防水枪和水力机械化施工用水枪等。 根据d/H的比值大小可分为：大孔口、小孔口 大孔口（big orifice） ：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 。 小孔口（small orifice ）：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。 根据出流条件的不同，可分为自由出流和淹没出流 。 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=pa，则该孔口出流称为孔口自由出流。 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。 根据孔口水头变化情况，出流可分为：定常出流（steady discharge）、非定常出流（unsteady discharge）。 4.2 薄壁孔口的定常出流 本节解决的问题是：推导薄壁孔口定常自由出流的流量公式，由此推广得到薄壁定常淹没出流的流量公式。 2. 薄壁小孔口恒定自由出流流量计算 二、大孔口自由出流 流量关系式与式（4.2.3）的形式一样 ,不同的是流量系数 ，由于水头较小，大孔口的收缩系数较大，因而 值较大。例如，矩形大孔口的流量系数值约为 三、薄壁孔口定常淹没出流 流动特性与自由出流相同，因此流速和流量也采用式（4.2.2）和式（4.2.3）来计算，其中H为左右两容器液面的高度差。实验证明，孔口淹没出流的流量系数与自由出流时完全一样。 例4.2.1 思考题 请写出下图中两个孔口Q1和Q2的流量关系式（A1=A2)。图1：Q1???Q2；图2：Q1???Q2。（填、 或＝） 薄壁小孔淹没出流时，其流量与??? 有关。 A.上游水头； B.下游水头； C.孔口上、下游水面差； D.孔口壁厚。???? 如图所示，孔1为大孔，孔2为小孔，则其过流量Q1和Q2的关系式为：? 图(A)：Q1???Q2；图(B)：Q1???Q2。 4.3 厚壁孔口的定常出流 本节解决的问题是：推导厚壁孔口（管嘴）定常自由出流的流量公式，由此推出厚壁定常淹没出流的流量公式。采用的基本方法与4.2节推导薄壁的相同，不同的是计算水头损失的内容。 图4.3.1中，设水箱水位保持不变，表面为大气压强，管嘴为自由出流，取为b-b基准面，对s-s与s1-s1两断面列伯努利方程。（这里不做详细推导。) 其中突然扩大局部水头损失系数 当取 、 、 、 时， ，为薄壁孔口的1.34倍； 讨论：当H相同，孔径相同时，厚壁孔口的流量大于薄壁孔口的流量，而流速小于薄壁孔口的流量。 ， ，厚壁孔口的内收缩断面上产生真空，从容器中抽吸流体，使得流量比面积相同的薄壁孔口的大。 对于淹没厚壁（管嘴）出流的计算方法相同，此时H取自由水面的高度差。 思考题 如何求解圆形管嘴出流中收缩断面处的真空度