实验8孔口管咀流量系数实验.doc

实验八 孔口管嘴流量系数试验1实验目的和要求 1.观测孔口及管嘴自由出流的水流现象，以及圆柱形管嘴内的局部真空现象。 2.测定薄壁圆形孔口及管嘴自由出流的流量系数2孔口管嘴出流流量系数实验的原理 水流经过孔口流出的流动现象称为孔口出流；在孔口上连接长34倍的短管，水流经过短管并在出口断面满管流动的水流现象称为管嘴出流。孔口和管嘴主要用来控制液流和量测流量。给排水工程中的各类取水、液压传动中的阀门、气化器、喷射器以及某些量测流量的设备等都属于孔口出流。在水力采煤、水力挖掘、消防等设备中使用的水枪、水力冲土机、消火龙头、水力冲刷机及冲击式水轮机等都属于管嘴出流。2.1孔口出流的分类 根据孔口的的出流条件，孔口出流可以分为以下几种类型： 1.从出流的下游条件看，孔口出流可分为自由出流和淹没出流。出流水股射入大气中称为自由出流，下游水面淹没孔口时称为淹没出流。 2.从射流速度的均匀性看，分为小孔口出流和大孔口出流。孔口各点的流速可认为是常数时称为小孔口出流，否则称为大孔口出流。一般认为孔口高度时为小孔口出流，这时，作用与孔口断面上各点的水头可近视认为与形心处的水头相等。若时，则称为大孔口出流，作用于大孔口的上部和下部的水头有明显的差别。 3.按孔口作用水头是否稳定分为常水头孔口出流和变水头孔口出流。 4.按孔壁厚度及形状对出流的影响分为薄壁孔口和厚壁孔口出流。若孔口具有锐缘，流体与孔壁几乎只有周线上接触，孔壁厚度不影响射流形状时，称为薄壁孔口出流，反之，称为厚壁孔口出流。当孔壁厚度达到孔口高度的34倍时，出流充满孔壁的全部周界，此时便是管嘴出流。2.2恒定流圆形薄壁小孔口出流的流量系数当孔口直径时称为圆形薄壁小孔口出流。当液体从孔口流出时，由于水流的惯性作用，流线不是折线而只能是一条光滑的曲线，因此在孔口断面上各流线互不平行，而是水流在出口后继续形成收缩，在距离孔口约0.5处水股断面完全收缩到最小，该断面称为收缩断面c-c。过收缩断面以后，液体在重力作用下下落。收缩分为完善收缩、非完善收缩部分收缩。完善收缩是指孔口距离器壁及液面相当远，器壁对孔口的收缩情况毫无影响。一般认为，只有当孔口和器壁的距离大于孔口尺寸的3倍时才会发生完善收缩。当孔口和器壁的距离小于3倍的孔口尺寸时，其收缩情况受器壁的影响，这种收缩称为非完善收缩。如果只有部分的边上有收缩的称为部分收缩。如图1所示的孔1前后左右和孔口距器壁底部的距离均大于3倍的孔口尺寸，所以是完善收缩，而孔2就不是完善收缩。孔3和孔4有一边不收缩，所以是部分收缩。对于圆形薄壁小孔口在完全收缩时的收缩系数=0.60.64（较小孔口取大值)。 而对于不完全收缩，收缩系数的计算见参考文献12。图1 各种收缩情况如图2所示，对于薄壁圆形小孔口出流，设出流的收缩断面面积为Ac，孔口的面积为A，Ac=A。对图2a的1-1断面和收缩断面c-c 写能量方程，即a 孔口出流 b 管嘴出流图2孔口出流和管嘴出流 （1)式中，H为孔口形心以上的水深，pc为c-c断面上的动水压强，由于c-c断面在孔口的外面，所以pa=pc，令 （2)则 （3)式中，vc为c-c断面的流速； c为孔口的阻力系数；取c=1.0；孔为流速系数；如不计算行进流速水头，则式（3)变为 （4) （5)式中，孔=孔称为流量系数。对于圆形薄壁小孔口，当其为完善收缩时，由试验求得孔=0.970.98，孔=1/2孔-1=0.06280.0412，=0. 60.64，,则孔=0.5820.627。有的文献认为，孔=0.600.62。对于非完善收缩，流量系数为 （6)部分收缩时 （7)式中，为孔口所在器壁的面积；x为不收缩的孔口周边长；为孔口的全周长；为孔口的形状系数，圆形孔口，方形孔口。2.3恒定流圆柱形外管嘴出流的流量系数常用的圆柱形外伸管嘴为L=(34)d的短管嘴。这样的管嘴称为文丘里管嘴。管嘴出流的流动现象如图2b所示。当水流刚一进入管嘴时，首先产生一收缩现象，如同孔口出流，然后又逐渐扩大而后满管流出。管嘴出流的收缩断面c-c在管嘴内部，出口断面的水流不发生收缩，故=1.0 与孔口出流比较，管嘴出流除有孔口阻力损失外，还有扩大局部阻力和沿程阻力。 列1-1断面和管嘴出口2-2断面的能量方程得 （8)当忽略行进流速水头时，仍可由上式解出 (9) (10)由上式可以看出，管嘴出流的流量系数等于流速系数，即嘴=嘴。 管嘴出流的水头损失系数用下式计算 （11)则管嘴的流速系数为 （12)式中，；为沿程阻力系数。如果取=0.02，则 将以上各系数代入式（11)，并取2=1.0，得流速系数，则 （13)一般认为，。2.4孔口出流与管嘴出流流量系数的比较 比较管嘴出流和孔口出流的流量系数可以看出，如果管嘴出口的面积与孔口的面积相等，作用水头H也相等，管嘴出流的阻力大于孔口出流的阻力，但管嘴出流的流量系数大于孔口出流的流量系数，这时为什么呢？为了分析原因，现列管嘴出流的1-1断面和收缩断面的能量方程进行分析，由图2b可得 （14) 忽略行近流速水头，得 （15) （16) 由上式可以看出，在管嘴出流的流量公式中，多了一项，也就是收缩断面的真空高度，正是由于收缩断面真空高度的存在，对水流产生抽吸作用，因而使管嘴出流的流量增大。比较式（5)和（16)可得，则，所以。 由式（14)可以得出， 取； ，则 （17)上式就是收缩断面出的真空度与作用水头的关系。由式中可以看出，管嘴内部收缩断面上的真空度与水头H0有关，H0越大，真空度也越大，这样，似乎为加大管嘴出流的流量，要求真空度尽可能的大。然而在实际情况中，真空度过大，会使收缩断面处的绝对压强过低，其结果是该处液体发生汽化，产生气泡，被液流带出管嘴，而管嘴口外的空气也将在大气压作用下沿管嘴内壁冲进管嘴内，使管嘴内的液流脱离内管壁，成为非满管出流。此时管嘴实际上已不起作用，犹如孔口出流一样。理论上最大真空度为10.33m水柱，所以要保证收缩断面的真空度，最大作用水头不超过。实际上，在作用水头远不到时，管嘴中的液流因真空度过大已产生空化，发生了空蚀，因而流束脱离开管嘴壁面。通常在作用水头为89m时已发生上述空蚀现象。如果管嘴和孔口的过水断面面积相同，作用水头相同，要使二者的过流量相同，则管嘴的长度应为多长呢？这就是说，此时孔口和管嘴的流量系数是相同的，即，求，则由式（12)可得=0.6 （18)由上式解出。可见，若想要相同的孔口及管嘴在同样的作用水头下有相同的出流流量，管嘴的长度约为其断面直径的66倍。若管嘴长度大于此长度，则沿程阻力增加，出流量将减小，反之出流量将增大。 3孔口管嘴流量系数实验的仪器设备 实验装置为自循环实验系统。实验装置为下供水箱、水泵、上水管、上试验水箱、调节板、溢流管、试验水箱上装有孔口或管嘴、测量真空度的U形测压管、导水渠道、接水盒、盛水容器、回水系统。实验仪器为两种，一种是传统的量测方法，仪器为量筒、钢尺和秒表；另一种为自动化的量测方法，仪器为导水抽屉、限位开关、差压传感器、称重传感器、排水泵及水位流量电测仪组成。水位流量电测仪可显示重量、时间、压差。实验的设备仪器如图3所示。图3孔口管嘴实验装置4孔口管嘴流量系数实验的方法和步骤 1.记录孔口和管嘴的直径。2.打开供水泵，将实验水箱上的调节板调至最大，给实验水箱充满水，并保持溢流状态，待水流稳定后，用量杯和秒表测量流量，用钢尺测量孔口或管嘴上的作用水头。3.调节调节板，使流量逐渐减小或增加。4.重复第2步次。5.实验结束后将仪器恢复原状。5数据处理和成果分析 实验设备名称 仪器编号 同组学生姓名 已知数据： 孔口直径= cm； 管嘴直径= cm 1.实验数据及计算成果1.孔口出流实验数据及计算测次传统实验方法Q实cm3/sQ计cm3/s孔 水位流量测量仪Q实cm3/sQ计cm3/s孔Hcm体积cm3时间秒Hcm体积cm3时间秒指导教师签名 实验日期 2管嘴出流实验数据及计算测次传统实验方法Q实cm3/sQ计cm3/s嘴 水位流量测量仪Q实cm3/sQ计cm3/s嘴Hcm体积cm3时间秒Hcm体积cm3时间秒23456指导教师签名 实验日期3.成果分析（1).根据实验点绘硫量系数和水头的关系，求出孔口和管嘴出流时的流量系数。 （2)解释为什么管嘴出流的流量系数比孔口出流的流量系数大6实验中应注意的问题 1.实验时实验水箱必须溢流，测量过程中一定要保证水头恒定。 2.管嘴出流必须是满管流。思考题 1.管嘴出流为什么要取管嘴长度？如果将管嘴缩短或加长会带来什么结果？ 2.对水来说，防止接近汽化压力并允许真空度m，要保证不破坏管嘴正常出流，最大限制水头应为多少？ 3.试推导薄壁小孔口和管嘴淹没出流时的流量公式。 4.孔口和管嘴有各种各样的形状，对于其它形状的孔口和管嘴，其实验方法是否与本文讲的实验方法一样