流体力学课件5章孔口、管嘴出流剖析.ppt

5 孔口、管嘴出流和管路流动 在实际工程中，除了涉及大量的管路计算问题外，研究流体经孔口、管嘴出流与气体射流，对供热通风与空调工程也具有很大的实用意义。例如，在通风与空调工程中，通过风口或顶棚的多孔板向室内送风，自然通风中空气通过门窗的流量计算；供热工程中，管道内设置的调压板及孔板流量计算，都属于这类流动。本章应用流体力学的基本原理，结合流体运动的具体条件，研究孔口、管嘴及气体射流的运动规律及计算方法。 5 孔口、管嘴出流和管路流动 5.1 孔口出流 在容器侧壁或底部开孔，容器内的流体经孔口流出的流动现象，称为孔口出流。 孔口出流时，如图5.1所示，孔口具有很薄的边缘，流体与孔壁接触仅是一条周线，孔的壁厚对出流无影响，这样的孔口称为薄壁孔口。反之，称为厚壁孔口。 根据液面至侧壁孔口中心的深度H与孔口高d的比值（d/H），将孔口分为大孔口与小孔口两类： 若d≤H/10，这种孔口称为小孔口，这种情况可认为孔口断面上各点的水头都相等，各点的流速相同。 若dH/10，则称为大孔口，计算中应考虑孔口断面上不同高度的水头不相等，因此流速也是变化的。 5.1 孔口出流 经孔口出流的流体与周围的静止流体是属于同一相时，这种孔口出流称为淹没出流。如果不是同一相时，则属于自由出流，例如从水箱侧壁孔口流出的水流如进入空气中就是自由出流。 孔口出流时，H不随时间变化时，称为恒定出流。反之，称为非恒定出流。 本节讨论在恒定流条件下，流体通过圆形薄壁小孔的出流规律。 5.1 孔口出流 如图5.1所示，水箱中水流从各个方向趋进孔口，由于水流运动的惯性，流线只能以光滑的曲线逐渐弯曲，因此在孔口断面上流线互不平行，而使水流在出口后继续形成收缩，直到距孔口约为d/2处收缩完毕，流线在此趋于平行，这一断面称为收缩断面，如图5.1中的c-c断面。 设收缩断面c-c处的过流断面面积为Ac，孔口的面积 为A，则两者的比值 反映了水流经过孔口后的收缩 程度，称为收缩系数，以符号 表示，即 。 5.1 孔口出流 为了计算流体经小孔口出流的流速和流量，现以通过孔口中心的水平面为基准面，列出水箱水面1-1与收缩断面c-c的能量方程式 式中孔口的局部水头损失 ，而且p0=pc=pa，令α0=αc=1.0，则有 令 ，代入上式整理得 5.1 孔口出流 收缩断面流速 （式5.1） 孔口出流量 （式5.2） 式中 H0——孔口的作用水头，如v0≈0，则H0≈H； ζc——孔口的局部阻力系数，根据实测，对圆形薄壁小孔口ζc=0.06； φ——孔口的流速系数，从公式可得 ，对圆形薄壁小孔口ζc=0.06， 所以 6.1 孔口出流 μ——孔口的流量系数，根据实测，对于圆形薄壁小孔口ε=0.62~0.64，μ=εφ=0.60~0.62； A——孔口面积，m2； Q——孔口出流的流量，m3/s。 式（5.1）、（5.2）即为圆形薄壁小孔口恒定出流的基本公式。 5.1 孔口出流 如前所述，当液体从孔口直接流入另一个充满相同液体的空间时称之为淹没出流，如图5.2所示。 同孔口自由出流一样，由于惯性作用，水流经孔口后仍然形成收缩断面，然后扩大。孔口淹没出流与自由出流的不同之处在于孔口两侧都有一定的液体深度，因而作用水头有所不同。 5.1 孔口出流 现以通过孔口形心的水平面作为基准面，列出水箱两侧水面1-1与2-2断面的能量方程式 由于p1=p2=pa，取α1=α2=1.0，忽略两断面之间的沿程水头损失，而局部损失包括孔口的局部损失和收缩断面之后突然扩大的局部水头损失，设它们的局部阻力系数分别为 和 ，则水头损失 5.1 孔口出流 将上述已知条件代入能量方程式得 为孔口淹没出流的作用水头。上式可写为： 5.1 孔口出流 则孔口淹没出流的流量为 （式5.4） 式中 ——孔口处的局部阻力系数； ——流体在收缩断面之后突然扩大的局部阻力系数。 由于2-2断面远大于c-c断面，所以突然扩大局部阻