孔口和管嘴泄流

1§5-5孔口和管嘴泄流§5-5孔口和管嘴泄流教学目的要求通过本节的学习，使学生对工程流体力学中的自流泄流原理有基本的认识，掌握孔口管嘴泄流的计算方法和实际应用。要求学生掌握孔口管嘴的基本概念、基本公式及工程应用，掌握流量系数、流速系数、收缩系数的物理意义及其关系，分析比较孔口泄流与管嘴泄流的流量大小与流速大小，了解各种不同形式泄流的出流系数。教学重点与难点重点：1.孔口、管嘴出流的特点；2.流量系数、流速系数、收缩系数的物理意义及其关系；3.孔口泄流与管嘴泄流的水力计算。难点：1.孔口泄流与管嘴泄流的水力计算（恒定管嘴出流真空计算）；2.孔口、管嘴的比较。教学内容组织与课堂教学设计一、教学内容主要讲授孔口泄流及管嘴泄流的分类；定水头孔口泄流及管嘴泄流的特点；定水头孔口泄流及管嘴泄流的水力计算；简单介绍各种不同形式泄流的出流系数。1.教学环节本章课程的教学环节主要有【回顾与说明】、【课题引入】、【讲授与训练】、【本节小结】。2.教学方法与手段本章课程讲授灵活运用多媒体教学法、互动式教学法、启发式、案例教学等多种教学方法。主要采用老师讲授与学生讨论结合。思考与训练作业1.举例说明管嘴泄流及孔口泄流在石油工程中的应用。2.习题P169-170，5-16，5-18。2教案实施效果追记是否掌握孔口管嘴的基本概念、基本公式及工程应用，是否掌握流量系数、流速系数、收缩系数的物理意义及其关系，是否能比较分析比较孔口泄流与管嘴泄流的流量大小与流速大小。孔口和管嘴泄流教学内容与设计本次课程主要讲授孔口泄流及管嘴泄流的分类；定水头孔口泄流及管嘴泄流的特点；定水头孔口泄流及管嘴泄流的水力计算；简单介绍各种不同形式泄流的出流系数。通过本次课程的学习使学生掌握孔口管嘴的基本概念、基本公式及工程应用，掌握流量系数、流速系数、收缩系数的物理意义及其关系，分析比较孔口泄流与管嘴泄流的流量大小与流速大小，了解各种不同形式泄流的出流系数。具体教学环节如下：Ⅰ首先回顾与说明（3－5分钟）一.回顾•回顾本章之前所讲的能量方程及压力管路的水力计算。•恒定总流的能量方程（伯努利方程）为：•21222222111122whgvpzgvpz；•jfwhhh；•gvdlhf22（达西公式），gvhj22（包达公式）。前面我们学习了一般管路，包括简单长管及串并联管路和短管的水力计算，计算基础就是以上我们复习的能量方程、达西公式和包达公式。在本节，我们将学习一种新的特殊的管路：孔口与管嘴泄流，它们常用在储水塔的设计与油库的设计中，孔口与管嘴的水力计算也是基于我们刚复习的上述公式。二.说明本章的知识体系结构【学习目标】【主要内容】【重点难点】那什么是孔口泄流与管嘴泄流呢？3Ⅱ接着课题导入（15－25分钟）一.学生观看孔口泄流与管嘴泄流动画（略）播放孔口泄流与管嘴泄流动画二.课堂讨论1.孔口泄流与管嘴泄流与普通管路有何区别？问题启示：孔口泄流与管嘴泄流是不施加外来能量，完全考自然位差获得能量来源输送或排泄液体的管路，是自流管路。2.孔口泄流与管嘴泄流有何不同？在定水头的情况下，相同位置水头，相同孔径的管嘴与孔口泄流哪个在相同的时间内排出的流体更多？问题启示：孔口泄流是直接在容器壁或底部打开小孔（孔口）进行泄流；而管嘴泄流是在孔口处接出短管进行泄流。两者的主要区别在于阻力不同，管嘴泄流除了局部阻力外还有沿程阻力。老师抛砖引玉管路泄流的概念带着问题，我们一起分析孔口泄流与管嘴泄流的水力计算，及两种管件的区别，进入课程讲授：Ⅲ进入课程讲授与训练一、孔口泄流1、孔口泄流的分类（一般讲授）；2、孔口泄流的特点（重点讲授）；3、孔口泄流的水力计算（重点讲授）。二、管嘴泄流1、管嘴泄流的特点（一般讲授）；2、管嘴泄流的水力计算（重点讲授）；3、孔口泄流与管嘴泄流流量与流速的比较（重点讲授）。三、各种不同形式泄流的出流系数（简单介绍）一、孔口泄流1、孔口泄流的分类（一般讲授）之前首先介绍孔口泄流的几个几何参数，如右4图所示：孔径d，壁厚δ，水头H，孔口面积A，收缩断面面积Ac。（1）气接触。淹没出流：孔口不与大大气接触；自由出流：孔口直接与（2）置随时变化。不定水头出流：液面位变；出流：液面位置保持不定常定水头（3）。厚壁孔口：；线接触，即液流与孔口周围只有薄壁孔口：孔为锐缘，4/22/dd（4）。大孔口：；小孔口：1.0/1.0/HdHd本节只讨论薄壁小孔口的定水头出流。2、孔口泄流的特点（重点讲授）薄壁小孔口恒定自由出流的分析，是孔口泄流的基础。液体流经孔口时，出流的速度可视为均匀的。由于流线不能转折，故液体射出时，将先向内部收缩形成收缩断面C-C（约在距出口d/2处），其处dc小于d，其断面大小比值：2)(ddAAcc，称为收缩系数。3、孔口泄流的水力计算（重点讲授）如右图所示，取自由液面与收缩断面列能量方程有：wcchgvpgvpH2022200＋＋其中gvhcw22孔gvgvpgvpHccc220222200孔＋＋令gvppHHc22000为孔口出流作用水头。则：gvgvppHHcc2)1(222000孔，这就是孔口泄流公式，孔为孔口阻力系数。002211gHgHvc孔5式中为流速系数，孔11则流量0022gHAgHAAvQcc，式中为流量系数，，其值通常由实验确定。对于圆形薄壁小孔口，这些系数都接近常数，即06.0孔，97.011孔，64.0~62.0，62.0~60.0。讨论：对于理想流体，以上系数有何变化？（请同学回答）。二、管嘴泄流1、管嘴泄流的特点（一般讲授）管嘴：由孔口接上与孔径d相同而长度l=（3—4）d的短管。液流流经管嘴的特点：液流先在管嘴内收缩形成真空，然后扩张充满整个断面，封住管口均匀地泄出，因此增设管嘴影响了出流的速度系数，进而影响了流量系数。2、管嘴泄流的水力计算（重点讲授）如右图所示，取1-1与2-2断面列能量方程有：whgvpzgvpz2222222111＋＋其中，0,0,2,0,22211pzgvhpHzcwgvgvgvHcc2200202220＋＋002211gHgHvc对于管嘴82.0,5.00022gHAgHAAvQcc，82.0。比较孔口和管嘴的流速系数和流量系数：Hdcc22116孔口管嘴64.0197.082.062.082.0因此对于相同作用水头的孔口泄流与管嘴泄流，在孔径相同的情况下：管嘴孔口管嘴孔口，QQvv柱状管嘴内的真空度：取2-2与c-c断面列能量方程有：wccchgvpzgvpz2222222＋＋wcchgvgvp20020222＋＋而vvAAvcc1gvgvc22222且gvgvvhcw2112222gvgvgvpc2)11(22)1(22222＋gvgvgvpc2125.12)64.022(2121222002217.0125.12125.1HHgvpc三、各种不同形式泄流的出流系数（简单介绍）7最后本次课程单元小结（3－5分钟）一、内容小节本节重点讲授了控制的概念、必要性、作用，即阐释了何谓控制？为何控制两个问题。介绍了控制的基本类型；重点讲授了事前控制、事中控制和事后控制。简要分析了控制特性及内容。二、思考与训练作业1.联系实际谈谈控制活动产生偏差的原因所在。2.预习下次内容：如何做到有效控制？阅读资料一般管理学原理259页－260页外伸管嘴薄壁孔口内伸管嘴扩张管嘴收缩管嘴流线性管嘴损失系数ζ收缩系数Cc流速系数Cv流量系数Cq0.060.510.0940.040.63110.98110.970.820.710.960.450.980.610.820.710.950.450.98