第六章有压管流12

1、第一节第一节 孔口出流（孔口出流（Orifice Discharge）定义：定义：容器壁上开孔，水经孔口流出容器壁上开孔，水经孔口流出的水力现象的水力现象应用：应用：取水、泄水闸孔、孔板流量计取水、泄水闸孔、孔板流量计一、薄壁小孔口恒定出流一、薄壁小孔口恒定出流 1、孔口的概念、孔口的概念v薄壁孔口薄壁孔口（Thin- wall Orifice） ：孔口出流时，水流孔口出流时，水流与孔壁仅在一条周线上接触，壁厚对出流无影响。与孔壁仅在一条周线上接触，壁厚对出流无影响。孔口上下缘在水面下的深度不同，孔口上下缘在水面下的深度不同，H也不同，则也不同，则在孔口在孔口射流断面上各点的水头、压强、速度沿

2、孔口高度变化射流断面上各点的水头、压强、速度沿孔口高度变化v小孔口小孔口Small Orifice :dH/10，认为孔口断面各点总水头，认为孔口断面各点总水头相等相等v大孔口大孔口 Big Orifice:dH/10，孔口不同高度上总水头不等，孔口不同高度上总水头不等H011ccpaHdg2200H02、自由出流、自由出流（Free Discharge）v定义：定义：水经孔口流入空气中水经孔口流入空气中v流动特征流动特征：流线自上游各个方向向孔口汇集，流线自上游各个方向向孔口汇集，距孔口后约距孔口后约d d/2/2处收缩完毕，处收缩完毕，收缩断面收缩断面c c c cv推导孔口自由出流基本公

3、式推导孔口自由出流基本公式（列伯诺里方程（列伯诺里方程 ） 设孔口断面面积设孔口断面面积A A，收缩断面积，收缩断面积A Ac c，则定义收缩系数，则定义收缩系数 =A=AC C / /A AH000ccpaHdg2200H0v0mccchgvgpgvgpH2222000 p1=pc=pa=0H000ccpaHdg220020002HHg 令200()2ccHg000122ccgHgH孔口局部孔口局部阻力系数阻力系数孔口流孔口流速系数速系数 00111c收缩断面流速收缩断面流速 ghcm220mccchgvgpgvgpH2222000孔口流量孔口流量 如流速如流速v00，H0 H,则则 002

4、2ccQAAgHAgH02cgH收缩断面流速收缩断面流速 孔口流量系孔口流量系数数= 22cgHQAgH薄壁小孔口在薄壁小孔口在ReRe很大时，局部阻力系数很大时，局部阻力系数0 0=0.06=0.06001110.97110.06c0.64 0.970.623 3、淹没出流、淹没出流（Submerged DischargeSubmerged Discharge）v定义：定义：孔口流出的水流不是进入孔口流出的水流不是进入 空气，而是流入下游水体中，致使空气，而是流入下游水体中，致使孔口淹没在下游水面之下，孔口淹没在下游水面之下，v列伯诺里方程列伯诺里方程 2211 112 21222pplgg

5、ggHHh 12120apppHHH，221 12 2022ggHH 令2002()clsegHh se水流由孔口流出后突然扩大的局部阻力系数水流由孔口流出后突然扩大的局部阻力系数2(1)cseAA当当AcA时，时， se=1H0H11-1HH2v2v1g2222g2211vc2-2收缩断面流速收缩断面流速 孔口流量孔口流量 00000112221csegHgHgH0022ccQAAgHAgH 注意注意：孔口自由出流孔口自由出流 H 值系水面至孔口形心的深度，值系水面至孔口形心的深度， 孔口流量与孔口在水下深度有关；孔口流量与孔口在水下深度有关； 孔口淹没出流孔口淹没出流 H 值系孔口上、下游

6、水面高差，值系孔口上、下游水面高差， 孔口流量与孔口在水下深度无关。孔口流量与孔口在水下深度无关。 2 =二、孔口的变水头出流二、孔口的变水头出流v孔口出流过程中，容器内水位随时间变化（降低或升孔口出流过程中，容器内水位随时间变化（降低或升高），导致孔口的流量随时间变化的流动高），导致孔口的流量随时间变化的流动v变水头出流是非恒定流变水头出流是非恒定流v容器泄流时间、蓄水库流量调节等问题容器泄流时间、蓄水库流量调节等问题21122()22HHFdhFtHHAghAg 结论：结论：在变水头情况下，等横截面柱形容器放空在变水头情况下，等横截面柱形容器放空（或充满）所需时间等于在起始水头（或充满）所

7、需时间等于在起始水头H1下下按恒定情况流出液体所需时间的按恒定情况流出液体所需时间的两倍两倍。F1-12-2hdhH1H2Amax11122222QVgHAFHgAHFt放空放空时间时间第二节第二节 管嘴出流（管嘴出流（Nozzle Discharge）定义：定义：在孔口上对接长度为在孔口上对接长度为3434倍孔径的短管，经此短倍孔径的短管，经此短管并在出口断面管并在出口断面满管满管流出的水力现象流出的水力现象应用：应用：消防、水力机械化施工用水枪消防、水力机械化施工用水枪一、圆柱形外管嘴恒定出流一、圆柱形外管嘴恒定出流v流动过程：流动过程： 水流在距进口不远处形成水流在距进口不远处形成收缩断

8、面收缩断面c-c，在收缩断面处水，在收缩断面处水流与管壁脱离，并形成流与管壁脱离，并形成旋涡区旋涡区，其后水流在其后水流在出口形成满管出流。出口形成满管出流。H01-1c-cHg2200pa2-2vvCv0v列1-1和2-2断面伯诺里方程 222000222aanppHggggg 2200022nHHgg 令10022nngHgH 0022gHAgHAQnnn管嘴局部损失系数，即管道锐缘进口损失系数管嘴局部损失系数，即管道锐缘进口损失系数n=0.5 v结论：结论：在相同水头在相同水头H0的作用下，同样断面面积的管嘴的作用下，同样断面面积的管嘴的过流能力是孔口的的过流能力是孔口的1.32倍倍，n

9、=1.32v分别对比分别对比孔口和管嘴出流的各项系数如下：孔口和管嘴出流的各项系数如下：82. 0nn82. 05 . 0111nn收缩系数收缩系数 局部阻力局部阻力系数系数流速系数流速系数 流量系数流量系数 孔口出流孔口出流0.640.060.970.62管嘴出流管嘴出流10.50.820.82二、收缩断面的真空二、收缩断面的真空 孔口外接短管成为管嘴，增加阻力孔口外接短管成为管嘴，增加阻力, , 但流量不减反增但流量不减反增, ,是由于收缩断面处出现真空。是由于收缩断面处出现真空。1 1、列、列c-cc-c和和2-22-2断面伯诺里方程断面伯诺里方程22200222cccaseppgggg

10、g 222222acccseppgggg 1ccAA局部损失主要发生在水流突然扩大上 22) 11() 1(cseAAH01-1c-cHg2200pa2-2vvCv0将各项系数将各项系数c c=1,=0.64,=1,=0.64,=0.82=0.82代入上式代入上式2222v02211(1)12ccpHggv00.75pgH 比较孔口自由出流和管嘴出流比较孔口自由出流和管嘴出流，前者收缩断面在，前者收缩断面在大气中，后者收缩断面为真空区，真空高度达作用水大气中，后者收缩断面为真空区，真空高度达作用水头的头的0.750.75倍。相当于把孔口的作用水头增大倍。相当于把孔口的作用水头增大7575，这，

11、这正是正是相同直径、相同作用水头下相同直径、相同作用水头下圆柱形外管嘴流量比圆柱形外管嘴流量比孔口流量大的原因。孔口流量大的原因。 三、三、圆柱形外管嘴正常工作条件圆柱形外管嘴正常工作条件1 1、作用水头限制、作用水头限制 当收缩断面真空高度当收缩断面真空高度超过超过7m7m水柱水柱，空气将会从管嘴，空气将会从管嘴出口断面出口断面“吸入吸入”，使得收缩，使得收缩断面的真空被破坏，管嘴不能断面的真空被破坏，管嘴不能保持满管出流。为限制收缩断保持满管出流。为限制收缩断面的真空高度，规定管嘴作用面的真空高度，规定管嘴作用水头的限值为水头的限值为v00.75pgHmH975. 070v7pmgc-cHvC2、管嘴长度限制、管嘴长度限制 对管嘴的长度也有一定限制。长度过短，流束收缩对管嘴的长度也有一定限制。长度过短，流束收缩后来不及扩大到整个出口断面，收缩断面的真空不能形后来不及扩大到整个出口断面，收缩断面的真空不能形成，管嘴仍不能发挥作用；长度过长，沿程水头损失不成，管嘴仍不能发挥作用；长度过长，沿程水头损失不容忽略，管嘴出流变为短管流动。容忽略，管嘴出流变为短管流动。 3、总结：圆柱形外管嘴正常工作条件、总结：圆柱形外管嘴正常工作条件 作用水头：作用水头：H09