孔口出流

第6章 孔口出流 第13次课 年 月 日 章 题目 第1章 绪论 方式 课堂 模块 流体动力学模块 方法 启发式、重点内容学习法 单元 孔口管嘴出流 手段 多媒体+板书 教学目的 (1)理解孔口自由出流、淹没出流的概念，掌握薄壁小孔口和管嘴恒定出流的计算方法； (2)了解管嘴和机械中的气穴现象及管嘴的正常工作条件； 教学基本内容 本章讨论液体孔口出流中的主要概念、分析影响孔口出流性能的几个系数(流速系数、流量系数、收缩系数和阻力系数)，最后再简单介绍节流汽穴和变水头孔口出流问题。 重点 孔口及管嘴恒定出流的水力计算。 难点 孔口出流性能的几个系数的推导 内容拓展 工程应用 参考教材 1、 禹华谦. 工程流体力学(水利学). 成都：高等教育出版社 2、 孔 陇，《流体力学（I）》，高等教育出版社 作业 习题：6​-1、6-11 概述：（5分钟） 孔口、管嘴——流体输送过程中测定过流能力的泄流装置，也是工程上常见的水利现象。 孔口出流：在容器壁上开一个形状规则的孔，液体经孔口流出的水利现象。（如蓄水池排水口出流） 薄壁孔口： ≤2d 厚壁孔口： (2d，按管嘴考虑。 小孔口：d( ( 大孔口：d ( ( 管嘴出流就是在孔口上连接一段很短的管子，流体从此管流出 应用：水利工程上的闸孔，路基下的有压涵管，水力采煤用的水枪，消防用的龙头，汽油机中的汽化器，柴油机中的喷嘴，火炮中的驻退机，车俩中的减震器，喷射泵以及人工降雨器。机械制造的液压技术及矿山机械液压传动中的换向阀、减压阀、节流阀、溢流阀等都属于孔口或管嘴的出流问题，在自动控制的喷嘴挡板、阻尼器等处也同样会遇到孔口出流的问题。 三峡工程拦河大坝为混凝土重力坝，全长2309.47米，坝顶海拔高程185米，实际浇筑最大高度为181米。泄洪坝段位于河床中部，两侧为电站坝段和非溢流坝段，前缘总长483米。从上向下依次设有3层孔门：上部为22个泄洪孔，中部设有23个泄洪深孔，其主要作用是泄洪；下部设有22个底孔，其作用为临时泄洪和导流明渠截流之后过水。三峡工程最大泄洪能力可达102500立方米/秒，可宣泄可能出现的最大洪水。 SHAPE \* MERGEFORMAT 三峡大坝深孔泄洪 驻退机 SHAPE \* MERGEFORMAT 双向作用筒式减振器示意图 飞机起落架 6.1 薄壁孔口出流 一、小孔口出流公式（20分钟） 如图所示，液体在压强差 的作用下经过薄壁孔口出流时，由于流线不能突然折转，故从孔口流出后形成一个流束直径最小的收缩断面c—c，收缩断面的面积Ac与孔口断面面积A之比称为孔口的收缩系数，用Cc表示，则 对图中的1-1和c-c断面列伯努利方程式,令α =1，则 因为 整理得式 式中， ——孔口的流速系数。 从孔口流出的流量 为: ——孔口的流量系数。 如果是在水位差 或是在水头H作用下的孔口出流，则重力作用下的孔口出流公式为 二、孔口出流系数（15分钟） 孔口出流性能的主要标志是它的流速系数、流量系数、收缩系数与阻力系数。这些统称为孔口的出流系数。 1．流速系数 如果经孔口流动没有能量损失，孔口的阻力系数ζ＝0，则孔口的理想流速应该是 于是 这说明流速系数的物理意义就是实际流速 与理想流速 之比。 2．流量系数 这说明流量系数的物理意义就是实际流量 与理想流量 之比。 按(6—13)式，通过流量 与H、A的测定，很容易得出流量系数Cq的实验值。当Re≥105时，Cq=0.62。 3．收缩系数与阻力系数 用实验得出的Cq与Cv，可以算出收缩系数 当Re ≥105时，Cc＝0.64， 当Re ≥105时，ζ＝0.06。 三、大孔口的出流公式——常用于孔板流量计中（5分钟） 当d并非远小于D时，则管道侧壁与孔口外圆周靠近，这时从孔口流出时，其收缩程度大为减轻，或者说大孔口的收缩系数较大。大孔口收缩系数取决于孔口直径与管道直径之比。 大孔口出流公式表面上看起来与小孔口公式的形式是完全相同的。但大孔口的流速系数、流量系数、以及收缩系数均与小孔口不同，Cc、Cv、Cq均随d/D的增大而增大，也就是说孔口越大，它的Cc、Cv、Cq三个系数值也越大。 大孔口的性能主要通过它的三个系数来表现，有大孔口的流量系数Cq实验值和突然缩小的收缩系数Cc与阻力系数ζ的实验值。 6.2 厚壁孔口出流 当 时称为厚壁孔口，或外伸管嘴。 一、厚壁孔口出流公式（10分钟） 如图，厚壁孔口在入口处形成内收缩，总阻力系数包括三个组成部分。列1—1、2—2断面上的伯努利方程式，令α＝l，则 EMBED Equation.DSMT4 对厚壁小孔口 流速系数 流量 流量系数 厚壁孔口出流公式与薄壁孔口出流公式在形式上仍然是完全一致的．只是它的流速系数、流量系数与薄壁孔口不同而已。 二、厚壁孔口的出流系数（5分钟） 厚壁孔口的总阻力系数∑ζ＝ζ1＋ζ2＋ζe。其中入口阻力系数ζ1可根据薄壁孔口的ζ来计算为0.146，突然扩大阻力系数ζ2可按包达定理计算为0.316，沿程当量阻力系数ζe=0.04，则阻力系数∑ζ＝0.146+0.316+0.04=0.5 流量系数 因为厚壁孔口没有外收缩，其收缩系数Cc＝1，故 流量系数 三、孔口与管嘴出流性能的比较（10分钟） 从上述情况知道，不论薄壁、厚壁，也不论大孔、小孔，孔口出流的公式都可以写成同样形式，关键在于它们的出流系数各自不同。工程上常用的孔口与管嘴有下图所示的几种。其中从左向右分别称为(1)薄壁孔口，(2)厚壁孔口或外伸管嘴，(3)内伸管嘴，(4)收缩管嘴，(5)扩张管嘴，(6)流线形管嘴。 例：水箱中用一带薄壁孔口的板隔开，孔口及两出流管嘴直径均为d=100mm，为保证水位不变，流入水箱左边的流量qV=80L/s，求两管嘴出流的流量q1、q2 解：设孔口的流量为qV 对管嘴 连续性方程 解得 孔口与管嘴的比较 比较结果： 1、厚壁孔口或外伸管嘴 流速系数小于薄壁孔口，因此速度也小于薄壁孔口；阻力系数大于薄壁孔口，所以阻力远大于薄壁孔口；流量系数大于薄壁孔口，所以流量大于薄壁孔口。 流量大于薄壁孔口的物理原因：在收缩断面处存在真空度，这个真空度如同一个小水泵一样，有自水源向外抽吸液体的作用 对水来说，防止接近汽化压力而允许的真空度不应超过7m水柱，则圆柱形外管嘴的作用水头H0的极限值是 圆柱形外管嘴的正常工作条件是： (1)收缩断面处的真空度hv(7m水柱，或作用水头H0≤9m (2)管嘴长度l =（2~4）d。 2．内伸管嘴 它与外伸管嘴的差别是阻力较大，适合装置于外形需隐蔽之处。但与外伸管嘴相比，它的流速和流量大约要降低15％左右。 3．收缩管嘴 这种管嘴除内收缩以外，在出口处还有外收缩，它的特点是内收缩后不需过分扩张，因而阻力较小。这种管嘴流速系数较大，出口速度是这几种管嘴中最高的。在θ=13~14°时，不但出口速度大，而且有相当的流量，这时的动能达到最大值，如果θ继续增大，虽然速度提高，但流量要减小。这种管嘴最适用于需要大动能而不需要大流量的场所，如水力采煤，水力喷沙，水力远射，冲击式水轮机喷管等。 5．扩张管嘴 它的扩张阻力大，因而流速系数和流速皆小，在θ=5~7° 时阻力最小，为最佳扩张角。θ再大则流线脱离壁面形成薄壁孔口o 这种管嘴的真空度比外伸管嘴更大，因而它有更大的抽吸能力，它的流量系数表面上看来只有0.45，但这是对出口断面而言的，如果折合成其入口断面的数值，则流量系数是很大的，这是几种管嘴中流量最大的一种，它适用于大流量而低流速的场所，水轮机的尾水管、喷射水泵、文丘里流量计等均采用扩张管嘴。 6．流线形管嘴 它的阻力最小，不收缩，不易产生气穴，流线不脱离壁面，适用于减小阻力、减小干扰等情况，但加工需圆滑。 6．3 孔口及机械中的气穴现象 概述：（5分钟） 气穴现象：由于压强降低而产生气泡的现象。 节流孔口处的液体速度比较大，压强往往出现真空度，当这种真空度增大到一定程度以后，液体中溶解的空气首先要分离成气泡，从液体中游离出来。压强再降低，真空度再增大，甚至液体本身也会汽化，形成所谓气穴现象。 气穴产生的条件：局部地区的低压和高速。 水泵、油泵的入口处；虹吸管关的最高管段；外伸管嘴流束的缩径处。节流孔口处。 气穴的危害： 轻则妨碍流动性能；重则伴生气蚀，发生机械性的损伤和化学性的腐蚀。有时破坏机件，有时产生强烈噪音和振动。 一、节流气穴（5分钟） 研究表明：节流口前后压强比p1/p2=3.5是产生气穴的界限， 为了避免产生气穴．必须使 。这就是避免节流 口气穴的关键。液压元件中易发生。 由 得 判别有无气穴的 避免产生气穴的关键 解决气穴问题的方向：: 一是降低节流口前的压强 ，二是提高节流口后的压强 。此外，用降低温度、减小阻力、避免流道上尖棱结构等等方法也都可以防止气穴，在液压技术中提高节流孔口后面背压的方法是用得比较普遍的。 二、泵前气穴（5分钟） 水泵、油泵人口也是气穴与气蚀的多发部位。 由 得 如果吸水高度及动能损失之和过大，这泵入口前绝对压强就有可能接近饱和蒸汽压，于是泵前就要产生气穴。泵前气穴所产生的气泡随着流体进入泵的高压区后迅速破灭，因而瞬时的撞击力很大，水泵叶轮和油泵齿轮在这种情况下，往往被砸的坑坑点点。此时振动和噪音也很大，扬程、流量和效率都非常低，导致水泵不能正常工作。 防止泵前气穴的方法：一是降低吸水高度，水泵有时降低安装高度以求接近水面，有泵有时用压力油箱，使油箱液面在油泵之上。二是尽量减小吸水管获吸油管上的局部和沿程阻力。三是降低吸水管或吸油管中的速度，加大吸入管的直径。 本次可小结：（5分钟） 1． 孔口出流的类型； 2． 薄壁孔口和厚壁孔口出流的区别； 3． 节流与气穴现象。 孔板流量计 厚壁孔口出流——管嘴出流 _1230886618.unknown _1239948480.unknown _1241294797.unknown _1241294922.unknown _1241295361.unknown _1241295436.unknown _1241295492.unknown _1241295506.unknown _1241295400.unknown _1241295248.unknown _1241295310.unknown _1241294935.unknown _1241294851.unknown _1241294864.unknown _1241294815.unknown _1241294720.unknown _1241294765.unknown _1241294778.unknown _1241294732.unknown _1239948694.unknown _1239950797.unknown _1239950847.unknown _1239950870.unknown _1239948711.unknown _1239948677.unknown _1230888850.unknown _1239947740.unknown _1239948362.unknown _1239948465.unknown _1239948331.unknown _1230888974.unknown _1230889096.unknown _1230889129.unknown _1230889268.unknown _1230889004.unknown _1230888905.unknown _1230888933.unknown _1230888870.unknown _1230888598.unknown _1230888702.unknown _1230888762.unknown _1230888613.unknown _1230888288.unknown _1230888507.unknown _1230888211.unknown _1230886275.unknown _1230886410.unknown _1230886481.unknown _1230886554.unknown _1230886442.unknown _1230886330.unknown _1230886372.unknown _1230886303.unknown _1230886012.unknown _1230886087.unknown _1230886243.unknown _1230886054.unknown _1230885956.unknown _1230885985.unknown _1230885932.unknown