薄壁小孔口恒定出流

第十一章孔口、管嘴、闸孔出流及堰流•概念第一节薄壁小孔口恒定出流一、薄壁小孔口恒定自由出流二、小孔口的淹没出流三、影响孔口出流流量系数的因素第二节管嘴出流第三节孔口的非恒定泄流第四节闸孔出流第五节堰流•概念一、孔口出流（OrificeDischarge）：在容器壁上开孔，水经孔口流出的水力现象就称为孔口出流。paHd应用：排水工程中各类取水，泄水闸孔，以及某些量测流量设备均属孔口。二、管嘴出流（NozzleDischarge）：在孔口上连接长为3~4倍孔径的短管，水经过短管并在出口断面满管流出的水力现象。应用：消防水枪和水力机械化施工用水枪。H000ccHg2200Pa11vCv0v第一节薄壁小孔口恒定出流第一节薄壁小孔口恒定出流一、孔口出流分类小孔口（SmallOrifice）：当孔口直径d（或高度e）与孔口形心以上的水头高度H的比值小于0.1，即d/H0.1时，可认为孔口射流断面上的各点流速相等，且各点水头亦相等，这时的孔口称为小孔口。大孔口（BigOrifice）：当孔口直径d（或高度e）与孔口形心以上的水头高H的比值大于0.1，即d/H0.1时，需考虑在孔口射流断面上各点的水头、压强、速度沿孔口高度的变化，这时的孔口称为大孔口。1、根据d/H的比值大小分：大孔口、小孔口paHd恒定出流（SteadyDischarge）：当孔口出流时，水箱中水量如能得到源源不断的补充，从而使孔口的水头不变，此时的出流称为恒定出流。非恒定出流（UnsteadyDischarge）：当孔口出流时，水箱中水量得不到补充，则孔口的水头不断变化，此时的出流称为非恒定出流。3、根据孔口水头变化情况分：恒定出流、非恒定出流第一节薄壁小孔口恒定出流2、根据出流条件分：自由出流、淹没出流淹没出流（SubmergedDischarge）：若经孔口流出的水流不是进入空气，而是流入下游水体中，致使孔口淹没在下游水面之下，这种情况称为淹没出流。自由出流（FreeDischarge）：若经孔口流出的水流直接进入空气中，此时收缩断面的压强可认为是大气压强，即pc=pa，则该孔口出流称为孔口自由出流。第一节薄壁小孔口恒定出流薄壁孔口（Thin-wallOrifice）：当孔口具有锐缘时，孔壁与水流仅在一条周线上接触，即孔口的壁厚对出流并不发生影响。这种孔口叫做薄壁孔口。薄壁孔口厚度小于孔径或孔高的三倍4、根据孔口厚度和形状：薄壁孔口出流、厚壁孔口出流厚壁孔口（Thick-wallOrifice）：当孔口具有一定厚度时，孔壁与水流仅在面上接触。这种孔口叫做厚壁孔口。孔口厚度大于孔径或孔高的3—4倍，成为管嘴出流。二、薄壁小孔口恒定自由出流•收缩断面与收缩系数收缩系数：是指收缩断面面积与孔口断面面积之比，以表示。64.0AAc根据试验资料，收缩断面直径dc=0.8d。H000ccpaHdg2200第一节薄壁小孔口恒定出流薄壁小孔口恒定自由出流的流速与流量计算考虑到：1）小孔口自由出流，则有pc=pa；2）水箱中的微小水头损失可忽略不计，则有hw=hj=0c2/2g。H000ccpaHdg2200hHgpgpccca2222000断面0-0和收缩断面C-C，列能量方程令0.120200cgHH，gcH2002)1(则——流速系数，，是收缩断面的实际流体流速vc对理想流体流速的比值。圆形小孔口在Re很大的时候，流速系数，流径小孔口的局部阻力系数。00111c02gH97.006.0110则有：0011220gHgHc0022gHAgHAAQcc——孔口的流量系数，，对于薄壁小孔口：62.097.064.00H——作用水头（包括行进流速）；式中：0——水流经孔口的局部阻力系数；第一节薄壁小孔口恒定出流三、小孔口的淹没出流说明：小孔口淹没出流时的作用水头全部转化为水流流经孔口和从孔口流出后突然扩大的局部水头损失。列断面1-1与断面2-2的能量方程hHHgpgpc222122212111HHHpppa2121，令ggHH220222211且：gschH2002)(则0式中：——水流经孔口的局部阻力系数，s——水流由孔口流出后突然扩大的局部阻力系数，有2)1(csAA。cAA时，。1s当第一节薄壁小孔口恒定出流H0H11122HH2v2v1g2222g2211vc0011220gHgHc0022gHAgHAQ——孔口淹没出流的流量系数，可取与自由出流时的流量系数相同，即。62.0式中：注意：自由出流时，水头H系水面至孔口形心的深度；淹没出流时，水头H值系孔口上、下游水面高差。流速、流量与孔口在水面下的深度无关，所以也无“大”，“小”孔口区别。gschH2002)(第一节薄壁小孔口恒定出流Q1Q2Q1Q2Q1Q2Q1=Q2四、影响孔口出流流量系数的因素在边界条件中，影响c的因素有：孔口形状、孔口边缘情况、孔口在壁面上的位置三个方面。•孔口形状对的影响实验证明，对于小孔口，不同形状孔口的流量系数影响不大。•孔口边缘情况对的影响孔口边缘情况对收缩系数会有影响：薄壁孔口的收缩系数最小（=0.64），圆边孔口收缩系数较大，甚至等于1。第一节薄壁小孔口恒定出流全部收缩孔口（FullContrastiveOrifice）：当孔口的全部边界都不与相邻的容器底边和侧边重合时，孔口出流时的四周流线都发生收缩，这种孔口称为全部收缩孔口(如a,b)。完善收缩（PerfectContraction）：凡孔口与相邻壁面的距离大于同方向孔口尺寸的3倍（l3a或l3b），孔口出流的收缩不受距壁面远近的影响，这就是完善收缩(如a)。不完善收缩(Non-PerfectContraction)：不满足上述条件的孔口出流为不完善收缩(如b)。全部收缩孔口又分完善收缩和不完善收缩。•孔口在壁面上的位置对的影响孔口在壁面上的位置对收缩系数有直接的影响。cdaal3abb第一节薄壁小孔口恒定出流1、什么是小孔口、大孔口？各有什么特点？2、小孔口自由出流与淹没出流的流量计算公式有何不同？3、影响孔口出流流量系数的因素有哪些？影响较大的因素为哪个？Hh1234、水位恒定的上、下游水箱，箱内水深为H和h。三个直径相等的薄壁孔口1、2、3位于隔板上的不同位置，均为完全收缩。问：三孔口的流量是否相等？为什么？若下游水箱无水，情况又如何？1=2，3不等；三孔不等第二节管嘴出流按管嘴的形状和装置情况分圆柱形外管嘴：先收缩后扩大到整满管。流线形外管嘴：无收缩扩大，阻力系数最小。水坝泄流圆锥形扩张管嘴：较大过流能力，较低出口流速。引射器，小轮机尾水管，人工降雨设备。圆锥形收缩管嘴：较大出口流速。水力挖土机喷嘴，消防用喷嘴。管嘴出流分类一、圆柱形外管嘴的恒定出流H000ccHg2200Pa11vCv0v设水箱水位保持不变，表面为大气压强，管嘴为自由出流，则由断面0-0与1-1的能量方程得：jgghHH220220000122gHgHnn0022gHAgHAQnn结论：在相同水头H0的作用下，同样断面面积的管嘴的过流能力是孔口的1.32倍。n82.0nn——管嘴流量系数，因出口无收缩，n82.05.0111nn——管嘴流速系数，圆柱形外管嘴的正常工作条件是：（1）作用水头（2）管嘴长度mH5.90dl)4~3(式中：jh——管嘴的局部水头损失，等于进口损失与收缩断面后的扩大损失之和（忽略管嘴沿程水头损失），即。ghnj22——管嘴阻力系数，即管道锐缘进口局部阻力系数，取；5.0nn第三节管嘴出流圆柱形管嘴水流在收缩断面处出现真空，真空度为：075.0Hcappp075.02222222Hapgscggapcp二、圆柱形外管嘴的真空断面1-1与断面c-c写能量方程：hgpgpacc22221cAAc连续性方程,20gHn212)1()1(cAAsc82.064.01n，，第三节管嘴出流结论：圆柱形管嘴收缩断面处真空度可达作用水头的0.75倍。相当于把管嘴的作用水头增大了75%。这就是相同直径、相同作用水头下的圆柱形外管嘴的流量比孔口大的原因。第三节管嘴出流075.0Hp水流流态判别标准问题类型备注薄壁孔口小孔口dH01.QfdHz(,,)0或已知该式中的其中三个变量，求另外一个变量。小孔口出流收缩断面可选作计算断面。断面上流速近似相等，相对压强近似为大气压强。管嘴出流ldHm(~).34900QfdHzn(,,)0或已知该式中的其中三个变量，求另外一个变量。管嘴里的收缩断面和出口断面可选作计算断面。当管嘴里的真空被破坏，其出流应作为孔口出流来计算。孔口出流与管嘴出流2、管嘴出流与孔口出流的水流现象有何不同？若在孔口2上安装一圆柱形外管嘴，1、2孔口的流量相等吗？为什么？Hh1231、圆柱形外管嘴正常工作的条件是什么？为什么必须要有这两个限制条件？请自己学习管嘴的淹没出流