物理-流体第五章孔口管嘴

第五章孔口、管嘴和管道的流动INDEX孔口自由出流孔口淹没流管嘴出流简单管道管路的串联与并联计算管网计算基础有压管中的水击第一节孔口自由出流在容器侧壁或低壁上开一孔口，容器中的液体自孔口出流到大气中，称为孔口自由出流。如出流到充满液体的空间，则称为淹没出流。

为孔口流速，为作用水头，是促使水流的全部能量

为收缩面的面积，为流量系数上式为孔口自由出流的孔口流量基本公式，其中具有锐缘的孔口，出流流股与孔口壁接触仅是一条周线，这种条件的孔口称为薄壁孔口。若孔壁厚度和形状促使流股收缩后又扩开，与孔壁接触形成面而不是线，这种孔口称为厚壁孔口或管嘴。无论薄璧、厚壁孔口或管嘴，能量损失都发生在孔与嘴的局部为局部损失，对比管路流动而言，这正是这种流动的特点。第二节孔口淹没出流当液体通过孔口出流到另一个充满液体的空间时称为淹没出流。淹没出流流量公式与自由出流时不同，这里的中速度不再全部转化为作用水头，而仅是上下游速度头之差转化为作用水头。孔口自由出流与淹没出流其公式形式完全相同。只需要注意作用水头中各项，按具体要求带入。气体管路中，装一有薄壁孔口的隔板，称为孔板，此时通过孔口的出流是淹没出流。在管路中装设如上说孔板，测定孔板前后渐变断面上的压差，即可求得管中流量，这种装置叫做孔板流量计。孔板流量计的流量系数是通过实验测得的。第三节管嘴出流1.圆柱形外管嘴出流 当圆孔壁厚等于3~4倍的管径时，或者在孔口出外接一段长为3~4倍管径的圆管时，此时的出流被称为圆柱形外管嘴出流，外结短管称为管嘴。

上式即为管嘴出流流量公式，其中，为管嘴出流的作用水头。水流入管嘴时如同孔口出流一样，流股也发生收缩，存在着收缩断面。而后流股渐渐扩张，至出口断面上完全充满管嘴断面流出。在收缩面前后流股与管壁分离，中间形成漩涡区，出现了管嘴的真空现象。由于管嘴出流出现真空现象，促使出流流量增大，这是管嘴出流不同于孔口出流的基本特点。当真空值达到7~8毫米水柱时，常温下的水发生气化而不断产生气泡，破坏连续流动。同时，空气在较大的压差下，冲入真空区，破坏了真空。气泡及空气都使管嘴内部液流脱离管内壁，不再充满断面，于是形成为孔口出流。其次，管嘴长度也有一定极限值。太长阻力大，使流流量减小。太短则流股收缩后来不及扩大到整个断面而成非线性满流流出。2.其它类型的管嘴出流

1）流线型管嘴；

2）收缩圆锥形管嘴；

3）扩大圆锥形管嘴3.管嘴更多种类（a）圆柱外伸管嘴；（b）圆柱内伸管嘴；（c）外伸收缩型管嘴；（d）外伸扩张型管嘴；（e）流线型外伸管嘴类型特点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0.040.9810.98※应用：孔板流量计注意：A——孔口面积，μ也可查表第四节简单管路为了研究流体在管路中的流动规律，首先讨论流体在简单管路中的流动。所谓简单管路就是具有相同管径，相同流量的管段，它是组成各种复杂管路的基本单元。管道中一部分高出上游供水液面的简单管路，称为虹吸管。正因为虹吸管的一部分高于上游供水液面，必然在虹吸管中存在真空区段。当真空达到某一限值时，将使溶解在水中的空气分离出来，随真空度的加大，空气量也增加。大量气体集结在虹吸管顶部，缩小了有效过流断面阻碍流动。严重时，造成气塞，破坏流体连续输送。基本公式：1）不可压缩气体管路计算，利用公式：2）液体管路计算，利用公式：※虹吸现象流速虹吸管正常工作条件最大真空度列1-1和最高断面C-C的能量方程流量※虹吸现象最大安装高度※虹吸现象第九节管路的串联与并联任何复杂管路都是由简单管路经串联、并联组合而成。一、串联管路串联管路是由许多简单管路首尾相联组合而成。管段相接之处称为节点，每个节点上满足质量平衡定理。无中途分流或合流，则流量相等，阻力叠加，总管路的阻抗等于各管段的阻抗叠加。这就是串联管路的计算原则。类比电路一、串联管路例1：铸铁管长L=2500m，流量Q=0.25m3/s，作用水头H=25m，为充分利用水头，设计串联管道解：（1）如按简单长管计算水力计算表aH1=0.105→d1=450mm浪费水头，投资加大aH2=0.196→d2=400mm水头不够（2）设计串联管路d1=450mm→L1d2=400mm→L2解得二、并联管路流体从总管路节点a上分出两根以上的管段，而这些管段同时又汇集到另一节点b上，在节a点b和之间的各管段成为并联管路。并联节点上的总流量为各支管中流量之和；并联各支管上的阻力损失相等。总的阻抗平方根倒数等于各支管阻抗平方根倒数之和。并联管路的质量分布规律并联管道类比电路流体的自调性，阻力平衡例2：某两层楼的供暖立管，管段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Q=1L/s，求Q1和Q2解：并联解得阻力平衡水平失调异程→同程例3：流量Q=4L/s的泵从两个有初始液位差h=0.5m的油箱中吸油，在节点A以前的两条管路有相同的长度l=10m和直径d=50mm，若λ=0.03，不计局部阻力，求：（1）泵开始吸油时，每个油箱流出的流量q1和q2各为多少？解：A点连续性方程解得（1）必须pA≥0，列低油箱到A点的能量方程会出现高位油箱向低位油箱倒灌的现象注意：因q1=0，故q2=Q，解得z≥1.27m（2）当h是多少时，由低位油箱流出的q2=0？（4）当z为多高，高位油箱泄空后空气不会进入泵内，且又可使低位油箱可泄空？令q2=0，解得h=1.27m（3）当h>1.27m时会出现什么情况？第六节管网计算基础管网即是简单管路、并联、串联管路组合而成，基本上可以分为支状管网和环状管网两种。1.支状管网 水力计算的两种情形：

1）管路布置已定，则管长和局部构件的形式和数量均已确定。在已知各用户所需流量及末端要求丫头的条件下，求管径和作用压头。

2）已有泵和风机，即已知作用压头，用户所需流量及末端水头，在管路布置之后一直管长，求管径。2.环状管网 环状管网的特点是在某一共同的节点分支，然后又在另一共同节点回合。环状管网遵循串联和并联的计算原则，并存在下列两个条件：

1）任意节点流入和流出的流量相等。

2）任意闭合环路，如规定顺时针方向流动的阻力损失为正，反之为负，则各管段阻力损失的代数和必等于零。2.环状管网 环状管网的特点是在某一共同的节点分支，然后又在另一共同节点回合。环状管网遵循串联和并联的计算原则，并存在下列两个条件：

1）任意节点流入和流出的流量相等。

2）任意闭合环路，如规定顺时针方向流动的阻力损失为正，反之为负，则各管段阻力损失的代数和必等于零。1.枝状管网的水力计算（两类）（1）管网布置已定（Li，ζ，用户Qc，末端压力pc或hc），求di，作用压力p或H——新建管网a.由连续性方程确定节点流量b.由流量确定各管段管径ve——经济流速（规范要求）c.由控制线确定作用压力或d.阻力平衡，调整支管管径（2）管网布置和作用压力已定，求di——校核计算，扩建管网a.由连续性方程确定节点流量b.由控制线确定水力坡度l’——局部损失折算成沿程损失的长度，称为局阻的当量长度（手册可查）c.由各管段J相等条件，计算各管段管径和损失d.校核e.计算支管管径，并进行阻力平衡→标准化2.环状管网的水力计算（1）节点方程（2）回路方程校正流量ΔQ展开，略去二阶微量由第七节有压管中的水击1.水击的物理过程

有压管中流动着的流体，由于阀门或水泵突然关闭，使得液体速度和动量发生急剧变化，从而引起液体压强的骤然变化，这种现象称为水击。水击所产生的增压波和减压波交替进行，对管壁或阀门的作用犹如捶击一样，故又称为水锤水击具有破坏性第一阶段水击速度a在t=l/a时到达管道口水锤扬水机演示第二阶段在t=2l/a时到达阀门第三阶段在t=3l/a时到达管道口第四阶段在t=4l/a时到达阀门循环、衰减2.直接水击与间接水击t=2l/a——相长Ts——阀门关闭时间阀门处a0——水中声音传播速度（1435m/s）ε——水的弹性系数（2×109Pa）E——管材