流体力学课件6

孔口、管嘴和管道的流动INDEX孔口出流管嘴出流简单管道的水力计算复杂管道管网计算有压管道的水击自由紊流射流孔口出流薄壁小孔口1.自由出流列A-A、C-C断面能量方程H0——自由出流的作用水头物理意义：促使流体克服阻力，流入大气的全部能量特例自由液面：PA=Pa，液面恒定：vA=0收缩断面流速φ——孔口的流速系数，φ=0.97~0.98孔口流量全部收缩（完善收缩、不完善收缩）、部分收缩A是孔口面积，A0是孔口所在的壁面面积不完善收缩2.淹没出流列上下游液面能量方程ζ2=1——突然扩大阻力系数H0——淹没出流的作用水头物理意义：促使流体克服阻力流入到下游的全部能量特例：P1=P2=Pa，v1=v2=0收缩断面流速孔口流量与自由出流一致H0与孔口位置无关气体：作用压力（略去高差）流速流量排气吸气应用：孔板流量计注意：A——孔口面积，μ也可查表3.非恒定出流（以液面下降为例）等截面S容器，t时刻孔口水头hdt内流出体积容器减少体积容器放空：：h2=0V——放空容器的的体积Qmax——开始出流时时最大流量量放空时间是是水位不下下降时放空空所需时间间的两倍管嘴出出流l=3~4d的短管1.管嘴出出流列A-A、B-B断面能量方方程H0——作用水头流速流量真空的抽吸吸作用，流流量增加对锐缘进口口的管嘴，，ζ=0.5，，2.管嘴正正常使用条条件防止气蚀列C-C、B-B断面能量方方程连续性方程程取解得C-C断面真空值值允许真空值值H0的极限值——管嘴正正常使用条条件之一——管嘴正正常使用条条件之二3.管嘴的的种类（a）圆柱外伸管管嘴；（b）圆柱内伸管管嘴；（c）外伸收缩型型管嘴；；（d）外伸扩张型型管嘴；；（e）流线型外伸伸管嘴类型特点ζφεμ圆柱外伸管嘴损失较大，流量较大0.50.8210.82圆柱内伸管嘴损失大、隐蔽10.7110.71外伸收缩形管嘴损失小、速度大（消防龙头）0.090.960.980.95外伸扩张形管嘴损失大、流速低、压力大（扩压管）40.4510.45流线形外伸管嘴损失小、动能大、流量大0.040.9810.984.例：水箱箱中用一一带薄壁壁孔口的的板隔开开，孔口口及两出出流管嘴嘴直径均均为d=100mm，，为保证水水位不变变，流入入水箱左左边的流流量Q=80L/s，，求两管嘴嘴出流的的流量q1、q2解：设孔孔口的流流量为q对管嘴连续性方方程解得简单管道道的水力力计算短管（室室内）、、长管（（室外，，局阻不不计或按按%折合合）1.短管管的水力力计算类比孔口口、管嘴嘴的作用用水头短管的作作用水头头1→突扩扩ζ=1，H0→H代入，得得SH——管路阻抗抗S2/m5Spkg/m7类比电路路：S→RH(p)→UQ2→I非圆管例：某钢钢管制风风道，断断面尺寸寸为400×200mm2，管长80m，Σζ=2.5，v=10m/s，空气温度t=20℃，求压强损失p解：解题步骤骤（1）当量量直径de（2）Ret=20℃，υ=15.7×10-6m2/s（3）k/de钢管制风道道，k=0.15mm（4）λ由Re和k/de查莫迪图λ=0.0195或利用阿里里特苏里公公式λ=0.0194（5）Sp（6）p（7）选型型p→1.2pQ→1.1Q扬程略去速度水水头虹吸现象流速虹吸管正常常工作条件件最大真空度度列1-1和和最高断面面C-C的能量方程程流量最大安装高高度2.长管的的水力计算算局部损失（（包括速度度水头）不不计，损失失线性下降降，总水头头线与测压压管水头线线重合单位长阻抗抗——比阻阻as2/m6kg/m8复杂管管道1.串联管管道类比电路例：铸铁管管长L=2500m，流量Q=0.25m3/s，作用水头H=25m，，为充分利用用水头，设设计串联管管道解：（1）如按简单长长管计算水力计算表表aH1=0.105→d1=450mm浪费水头，，投资加大大aH2=0.196→d2=400mm水头不够（2）设计串联管管路d1=450mm→L1d2=400mm→L2解得2.并联管管道类比电路流体的自调调性，阻力力平衡例1：某两层楼楼的供暖立立管，管段段1的d=20mm，总长20m，Σζ1=15，管段2的d=20mm，总长10m，Σζ2=15，管路λ=0.025，干管总流量量Q=1L/s，求Q1和Q2解：并联解得阻力平衡水平失调异程→同程程例2：流量Q=4L/s的泵从两个个有初始液液位差h=0.5m的油箱中吸吸油，在节节点A以前的两条条管路有相相同的长度度l=10m和直径d=50mm，若λ=0.03，不计局部阻阻力，求：：（1）泵开始吸油油时，每个个油箱流出出的流量q1和q2各为多少？？解：A点连续性方方程解得（1）必须pA≥0，列低油箱到到A点的能量方方程会出现高位位油箱向低低位油箱倒倒灌的现象象注意：因q1=0，故q2=Q，解得z≥1.27m（2）当h是多少时，，由低位油油箱流出的的q2=0？（4））当当z为多多高高，，高高位位油油箱箱泄泄空空后后空空气气不不会会进进入入泵泵内，，且且又又可可使使低低位位油油箱箱可可泄泄空空？？令q2=0，，解得得h=1.27m（3））当当h>1.27m时会会出出现现什什么么情情况况？？管网网计计算算特点点1.枝枝状状管管网网的的水水力力计计算算（（两两类类））（1））管网网布布置置已已定定（（Li，ζ，用户户Qc，末端端压压力力pc或hc），，求di，作用用压压力力p或H———新建建管管网网a.由连连续续性性方方程程确确定定节节点点流流量量b.由流流量量确确定定各各管管段段管管径径ve———经济济流流速速（（规规范范要要求求））c.由控制制线线确定定作作用用压压力力或d.阻力力平平衡衡，，调调整整支支管管管管径径（2））管网网布布置置和和作作用用压压力力已已定定，，求求di———校核核计计算算，，扩扩建建管管网网a.由连连续续性性方方程程确确定定节节点点流流量量b.由控控制制线线确确定定水水力力坡坡度度l’’———局部部损损失失折折算算成成沿沿程程损损失失的的长长度度，，称称为为局局阻阻的的当当量量长长度度（（手手册册可可查查））c.由各各管管段段J相等等条条件件，，计计算算各各管管段段管管径径和和损损失失d.校核核e.计算算支支管管管管径径，，并并进进行行阻阻力力平平衡衡→标准准化2.环环状管管网的的水力力计算算（1））节点点方程程（2））回路路方程程校正流流量ΔQ展开，，略去去二阶阶微量量由例：两个个闭合合回路路的管管网，，参数数见图图，不不计局局部阻阻力，，求各各管段段通过过的流流量（（闭合合差小小于0.3m即可））解：取ABCD为环路路1，，CDEF为环路路2，，按顺顺时针针绕行行（1））按ΣQi=0分配流流量从A点和最最远点点F点分配，，可假假设（2））计算算各管管段损损失并并填表表注意正负负号（3）计计算校正正流量ΔQ注意公共共段CD环路管段假定流量Qi

Sihihi/QiΔQ管段校正流量校正后的流量Qi校正后的hi1AB+0.1559.76+1.33468.897-0.0014-0.00140.14861.3196BD+0.1098.21+0.98219.821-0.00140.09860.9548DC-0.01196.42-0.01961.960-0.0014-0.0175-0.0289-0.1641CA-0.1598.21-2.209714.731-0.0014-0.1514-2.2512Σ0.087435.410-0.1409环网计算算表环路管段假定流量Qi

Sihihi/QiΔQ管段校正流量校正后的流量Qi校正后的hi2CD+0.01196.42+0.01961.9600.0175+0.0175+0.00140.02890.1641DF+0.04364.42+0.583014.575+0.01750.05751.2049FE-0.03911.05-0.819927.330+0.0175-0.0125-0.1424EC-0.08364.42-2.332329.154+0.0175-0.0625-1.4235Σ-2.549673.019-0.1969有压管道道的水击击（水锤锤）可压缩、、非恒定定流1.水击击的物理理过程水击———流速突突然改变变，压力力引起大大幅度波波动的现现象水击具有有破坏性性第一阶段段水击速度度a在t=l/a时到达管管道口第二阶段段在t=2l/a时到达阀阀门第三阶段段在t=3l/a时到达管管道口第四阶段段在t=4l/a时到达阀阀门循环、衰衰减2.直接接水击与与间接水水击t=2l/a——相长Ts——阀门关闭闭时间阀门处a0——水中声音音传播速速度（1435m/s））ε——水的弹性性系数（（2×109Pa）E——管材弹性性系数（（钢：206××106kPa）δ——管材壁厚厚（1）直直接水击击：（2）间间接水击击：3.水击击的危害害及减弱弱水击的的措施（1）危危害：噪噪声、气气蚀、管管道破裂裂、危及及设备（2）措措施a.延长阀门门关闭（（开启））时间b.减小流速速v0c.增加管道道弹性d.安装蓄能能器、安安全阀，，进行过过载保护护一、自由由紊流射射流的一一般特征征自由紊流流射流射流质量量逐渐增增加，速速度逐渐渐降低动量守恒恒——动动力特征征二、圆形形断面的的射流1.射流流半径Rφ——喷口形状系数数（圆：φ=3.4；长条缝：φ=2.44））a——喷口紊流强度度系数a——射流结构的几几何特征系数数2.射流中心心速度vm由动量守恒方方程及半径经经验公式通过变换，得得3.射流断面面流量Q通过变换，得得4.断面平均均流速v1由得5.质量平均均流速v26.核心长度度st和收缩角φ由vm=v0，s=st代入射流中心心速度vm表达式，得工程上常使用用轴心附近较较高的速度区区，因此v2比v1更合适反映射射流轴心附近近的平均速度度由工作地带一般般应在基本段段（初始段公式式不再推导））例：某车间安安装一圆形截截面喷嘴的送送风机（a=0.08）），送风口直径d0=0.4m，，送风量Q0=2m3/s，求：（1）离送风口5m处工作区的射射流半径解：由（3）工作作区的流量量（2）此处最大风风速三、平面射射流将圆形喷嘴嘴d0（R0）换成喷口高高度2b0（b0是喷口的半半高度）系数平面射流比比圆形射流流具有更大大的射出能能力注：对贴附附射流，用用2b0代替b0四、温差、、浓差射流流射流本身的的温度或浓浓度与周围围气体的温温度或浓度度有差异———除尘、、采暖、通通风空调工工程热量、浓度度扩散比动动量扩散要要快些，因因此边界层层比速度边边界层发展展要快些、、厚些（为为简化，常常认为相同同）再介绍一些些参数和公公式（以圆圆断面温差差射流为例例）出口断面温温差轴心上温差差截面上任一一点温差下标“e”表示周围气气体1.轴心温温差ΔTm由热力学可可知，在等等压情况下下，射流各各横截面上上相对焓值值不变———热力特征征通过变换2.质量平平均温差ΔT2对平面射流流浓差射流与与温差射流流公式一致致，只需将将温度T换成浓度χ即可五、射流弯弯曲温差射流或或浓差射流流由于密度度与周围密密度不同，，所受的重重力与浮力力不平衡———射流向向上或向下下弯曲由牛顿定律律通过积分分及等压过过程状态方方程，整理理Ar——阿基米德准准数通常Ar≥|0.001|要考虑射流流弯曲（+）———向上弯曲曲（-）———向下弯曲曲例：室外空空气以射流流方式，由由位于热车车间外墙上上离地板7m处的孔口送送入，孔口口高0.35m，长12m，室外空气的的温度为-10℃，，室内空气气温度为20℃，，射流初速速度为2m/s，求地板上的的温度解题步骤：：1.是平面面射流2.参数对对应：y