工程流体力学放映章孔口管嘴

工程流体力学放映章孔口管嘴第一页，共五十八页，编辑于2023年，星期日学习重点：掌握孔口、管嘴恒定流计算及相关概念；理解闸孔出流计算；了解消能措施。掌握宽顶堰水力计算；第二页，共五十八页，编辑于2023年，星期日1、孔口出流——液体经容器壁上所开小孔流出的水力现象，称孔口出流。2、管嘴出流——液体经容器壁上所接短管流出的水力现象，称管嘴出流。3、闸孔出流——是一种大孔口出流。一、概念第三页，共五十八页，编辑于2023年，星期日4、堰流现象）可按堰流计算。——当孔口高度与上游水头之比为>0.75eH时，（可能出现堰流

eH第四页，共五十八页，编辑于2023年，星期日（3）能量损失计算式。（1）能量方程；（2）总流的连续性方程；二、任务：计算过流量Q。三、依据：第五页，共五十八页，编辑于2023年，星期日一、孔口出流分类1、按

e

与H的关系：

eH小孔口：大孔口：§11—1恒定薄壁孔口出流第六页，共五十八页，编辑于2023年，星期日2、按孔口的作用水头是否稳定：自由式出流；淹没式出流。厚壁孔口出流。薄壁孔口出流；恒定孔口出流；非恒定孔口出流。3、按出流后周围的介质情况：4、按孔壁对出流的影响：第七页，共五十八页，编辑于2023年，星期日H第八页，共五十八页，编辑于2023年，星期日CgHvf=20gHAQm=20efm=CAAe=CCaxf+=1其中：二、薄壁小孔口自由出流1、流量公式：φ=0.97～0.98。μ=0.60～0.62；ε=0.64；对薄壁圆形完善收缩小孔口：第九页，共五十八页，编辑于2023年，星期日（3）孔口的位置（对收缩系数有直接的影响）。（1）孔口的形状；（2）孔口的边缘情况；3、几种孔口的收缩形式自阅全部收缩不全部收缩完善收缩、不完善收缩2、影响孔口出流的边界因素：aL≥3aL≥3a第十页，共五十八页，编辑于2023年，星期日——可将其分成无数的小孔口，再积分。三、薄壁大孔口自由出流1、流量公式：μ与小孔口不同，见表11—1第十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期日1、流量公式：2、自由式与淹没式对比：1>公式形式相同；2>φ、μ基本相同，但

H0不同；3>自由出流与孔口的淹没深度有关，淹没出流与上、下游水位差有关。四、薄壁孔口淹没出流第十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期日Hv0zv0v2H0=H+2gv02自由式：淹没式：H0=z+2gv022gv22－第十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期日rm2pAQD=五、气体孔口出流（属淹没式）pD——孔口前后气体的压强差；ρ——气体密度。

第十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期日v1、孔板流量计；2、薄壁小孔口。六、应用举例第十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期日见p120§11—2恒定管嘴出流1、管嘴的几种连接形式：2、流体经圆柱形管嘴或扩张管嘴时，由于惯性作用，在管中某处形成收缩断面，产生环行真空，从而增加了水流的抽吸力，使其出流量比孔口有所增加。第十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期日1、自由式出流：一、圆柱形外接管嘴出流gvdlgvgvgvgvHc222222222221222200lxxaa+++=+如图所示，列能量方程：2c2v0Hcv（1）推导公式：第十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期日2c2v0Hcvξ1——经孔口的局部损失；v2vC=ε0ξ2——扩大的损失ACA=ε0其中：第十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期日（2）公式：022gHvf=02gHAQm=82.0==fm（3）与孔口的对比：1>公式形式相同，但系数不同：孔口：μ=0.62φ=0.97ε=0.64管嘴：μ=φ=0.82ε=12>

H0

相同时，若A也相同，则管嘴出流是孔口出流量的1.32倍。第十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期日gvgvpgvpaccc2222222222++=+xagag（4）外接管嘴真空1>对C—C，2—2列方程：gvvc2)(22-=2hj2=xv222g2c2v0Hcv可作为突然扩大处理第二十页，共五十八页，编辑于2023年，星期日=075.0Hpvg在C—C处形成0.75H0

真空度。2>真空计算：H0≤9mH0O水柱；L≈（3～4）d。

水柱时，管内液体pvγ>7mH0O实验证明：将气化，吸入空气，破坏真空。（5）圆柱形外接管嘴正常工作的条件：第二十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期日2、淹没出流：02gHvf=02gHAQm=（1）公式：第二十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期日gvHHpv275.022220ag--=D=02pAQrmccHH2v0v23、气体经管嘴出流：D0p全压差（2）C—C处的真空：三、其它类型的管嘴出流基本公式同上，各系数可查表11—2。第二十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期日解决的问题：只对作用液面缓慢变化的情况进行讨论。充水、泄水所需时间问题。1、公式推导：将液面高度的变化划分成无数微小时段，每一微小时段作恒定流处理。W-=dHdV=dtQ×dtgHA2m流出体积液面减少的体积§11—3非恒定孔口、管嘴出流第二十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期日-W=][2221HHgAtmmax11222QVgHAHt=W=m2、充、泄水时间：容器中无液体流入的自由出流或上游恒定，下游液面改变的淹没出流。3、容器放空时20H=H1H2第二十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期日§11—4闸孔出流

一、简介1、闸门底的类型：平坎宽顶堰坎实用堰坎第二十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期日2、闸门的型式：矩形平板闸门；弧形闸门3、闸孔的出流型式：自由式；淹没式4、闸孔出流与堰流的判别标准：>0.65eH则为堰流；若（1）平坎、宽顶堰坎：（2）实用堰坎：则为堰流。>0.75eH若第二十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期日5、影响闸孔出流的因素：闸门的型式；闸孔的尺寸；闸前的水头；下游水位等。第二十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期日二、闸孔出流计算AAc=eehc=eeHgBeQ-=em)(20

1、自由式闸孔出流二维、平坎、矩形闸门Hcchteε系数见表11—3。

Φ＝0.95~1.0(平坎)第二十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期日)(20hHgBeQ-=m2、淹没式

Hehchth二维、平坎、矩形闸门μ、B、e同自由式。h——由动量方程推导，见式11—36第三十页，共五十八页，编辑于2023年，星期日3、自由式、淹没式判别标准：（1）自由式：不发生淹没式水跃。（2）淹没式：发生淹没式水跃。hc’’<hthc’’—hc的共轭水深。hc’’>ht发生淹没式水跃的条件:hc’’<ht第三十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期日（2）判断是自由式、淹没式？（1）判断是否闸孔出流？5、举例。4、闸孔水力计算应注意的问题：第三十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期日§11—5堰流1、堰——一种既可蓄又可泄的溢流设施。2、堰流——水流经明渠上的泄水构筑物时，发生水面连续光滑跌落的现象。第三十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期日宽顶堰：δH<0.67薄壁堰：实用堰：δH<2.50.67<δH10>>2.5δ3、堰的分类：（1）依据堰顶厚度：H第三十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期日（2）依据水流行近堰体的条件：1>侧收缩堰；2>无侧收缩堰。Bb第三十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期日1>正堰vv3>侧堰v2>斜堰（3）依据堰与渠道中水流的方向：第三十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期日（4）依据堰口的形状：1>三角堰3>梯形堰2>矩形堰1>自由式；2>淹没式。4>流线形堰（5）依据下游水位是否影响泄流：第三十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期日一、薄壁堰1、完善堰流与非完善堰流：当堰上水头H较小时，水舌将贴壁而下，形成不完善堰流，影响泄流能力；当H增加时，水舌离开壁面，但如果水舌与壁面间没有良好的通风，仍会出现不完善堰流，故在薄壁堰中应保持水舌下通风充分，以使其为完善堰流。第三十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期日（1）自由式（完全堰）2、矩形薄壁堰完全堰——无侧收缩、自由式、水舌下通风、矩形、薄壁、正堰。2>有侧收缩堰：1>完全堰:m0—式11—44m—式11—45m0——式11—46第三十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期日堰下游水面高于堰顶；1>必要条件：hs>02>充分条件：Zp1<0.7下游发生淹没水跃。（2）淹没式堰流（潜堰）：σ—式11—48淹没条件：第四十页，共五十八页，编辑于2023年，星期日Hpp1hsZht3、三角形堰——可分成若干矩形堰，再积分。基本公式同矩形，可作适当变换，如:式11—50，11—51。4、梯形堰自阅第四十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期日二、实用溢流堰真空堰非真空堰（2）折线型实用堰（1）曲线型实用堰折线型曲线型——主要用于蓄水或挡水，其剖面可设计成曲线型，折线型。1、分类：第四十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期日——堰面曲线轮廓低于水舌曲线下缘时，在设计水头下，水舌将在局部范围内与堰面脱离，形成真空，即真空堰。真空堰因存在真空，可使过流能力增加，但负压过大会造成堰表面发生汽蚀此处的最大允许真空值。为3～5米水柱。1>真空堰第四十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期日2>非真空堰——堰剖面曲线与堰溢流时水的流线一致，水舌下缘与壁面曲线相吻合，保证在设计水头下达到最大过流量，水流作用于液面上的压强近似大气压。判别淹没条件同薄壁堰。2、计算式（1）自由式无侧收缩：第四十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期日

1>

m曲：0.43～0.50折：0.35～0.43（2）有侧收缩：（3）淹没式：真：0.5；非：0.452>ε——式11—56。3>其它分别查有关表格。第四十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期日三、宽顶堰小桥过水、无压短涵管、分洪闸、泄水闸等一般都属于宽顶堰水流计算。1、水力现象分析：（1）当Hδ<42.5<时，堰顶水面只有一次跌落，堰坎末端偏上游处的水深为临界水深hcr。第四十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期日工程中常见的是第二种宽顶堰时，堰顶水面出现两次跌落，Hδ<104<（2）当其水深为：hc≈（0.8～0.92）hcr在最大跌落处形成收缩断面，第四十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期日2、堰流基本公式：注：对有侧收缩和淹没宽顶堰在上式的基础上分别乘以侧收缩系数ε和淹没系数σ。系数：2>ε

同实用堰；3>σ

表11—7。1>m

查表11—8；2>σ

表11—7。有坎宽顶堰：无坎宽顶堰：1>m

式11—59，11—60；3>ε

已考虑进m，不单算。第四十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期日3、淹没判别的标准：1>必要条件：hs≥(0.75～0.85)H0

hs>0；

2>充分条件：或hs≥(1.25～1.35)hcr三类水力计算，分别为计算：Q，H，B四、堰流水力计算薄壁堰、实用堰、宽顶堰第四十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期日§11—6水工建筑物下游水流衔接与消能一、简介1、消能——消除或缩短泄水建筑物下游急流段的措施，简称消能。2、消能的设计原则——在控制的局部流段内，增加水流的紊乱、消减水流流速，消除对河床的有害能量。3、消能的方法:底流式消能、面流式消能、挑流式、人工加糙、单级跌水或多级跌水。第五十页，共五十八页，编辑于2023年，星期日（1）底流式消能：特点：水流的主流在渠底，有消力池或消力槛。设计原则：在消力池或消力槛前造成淹没式水跃，以利用水跃消能。适用范围：多用于软土地基上的中、低水头泄水建筑物下游。（2）面流式消能：特点：将主流引向下游水面，并在河床与表层水之间形成旋涡区以消耗能量。利用平顶或小挑角鼻坎，将游急流送到下游水流表面。为了造成面流式消能，多用平顶或小挑角鼻坎，并将鼻坎顶端造成戽勺形，使水流在戽勺内形成水跃，在坎后形成面流，在戽内、跌坎下游、下游水面形成三个大旋涡以消能。故也称戽流消能。设计原则：第五十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期日优点：对河床冲刷小，可节约防护工程投资。缺点：会引起下游水位激烈波动，对岸坡的稳定及航运不利。下游水深较大且稳定的水流。适用范围：（3）挑流式：利用下泄水流具有的高流速，将水流挑射到远离泄水建筑物的下游河床中。因挑射水流受空气阻力影响，水股发生分散，射入下游河床后，与下游水流剧烈混掺，大量的下泄能量被消耗掉，从而降低流速，保护河床。适用范围：岩石地基上的中、高水头泄水构筑物下游。（4）人工加糙：在急流槽或在下游局部河床中，采用人工增加渠道的粗糙度以降低流速，达到消能。第五十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期日（5）单级跌水或多级跌水：多用于地形较陡的河渠。单级跌水的组成：进口渠槽消能设施跌坎消力池消力槛综合消力池等二、底流衔接与消能以实用堰为例水流由堰顶溢流而下，势能减小，动能增加，在c—c处形成收缩断面，c—c处的急流向下游缓流过渡，产生水跃。第五十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期日1、水跃的衔接形式：（1）远驱式水跃：hc’’>hct

，跃前急流段较长，河床需加固段加长；（2）淹没式水跃：hc’’<hct

，淹没度较大，消能效果低，水跃段长度增加；（3）