《工程流体力学：第18讲（第5章-4液体出流）》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程流体力学：第18讲（第5章-4液体出流）（29页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、本节为本节为连续性方程、伯努利方程和水头损失规律的具体应用。连续性方程、伯努利方程和水头损失规律的具体应用。 5.8 液体出流液体出流l孔口、管嘴出流：孔口、管嘴出流：沿流动方向边界长度很小，只需考虑局沿流动方向边界长度很小，只需考虑局部损失，不计沿程损失。例：门窗过流、节流孔板、消火部损失，不计沿程损失。例：门窗过流、节流孔板、消火栓、水龙头等。栓、水龙头等。一、孔口出流分类一、孔口出流分类1 1、按孔口大小与其水头高度的比值分、按孔口大小与其水头高度的比值分小孔口出流：若孔径小孔口出流：若孔径d d（或孔高（或孔高e e） H/10H/10大孔口出流：若孔径大孔口出流：若孔径d d（或孔高
2、（或孔高e e） H/10H/102 2、按孔口作用水头的稳定与否分、按孔口作用水头的稳定与否分 定常孔口出流：出流水头不变定常孔口出流：出流水头不变 非定常孔口出流：出流水头变化非定常孔口出流：出流水头变化3 3、按出口出流后的周围介质分、按出口出流后的周围介质分自由出流：若液体经孔口流入大气，称自由出流。自由出流：若液体经孔口流入大气，称自由出流。淹没出流：液体经孔流入充满液体的空间，称淹没出流。淹没出流：液体经孔流入充满液体的空间，称淹没出流。 5.8 液体出流液体出流一、孔口出流分类（续）一、孔口出流分类（续）4 4、按孔壁的厚度分、按孔壁的厚度分薄壁孔口：薄壁孔口：液流与孔壁仅在一条
3、周线上接触，壁厚对出液流与孔壁仅在一条周线上接触，壁厚对出流无影响。流无影响。厚壁孔口（管嘴）：厚壁孔口（管嘴）：当孔壁厚度和形状使流股收缩后又当孔壁厚度和形状使流股收缩后又扩开，与孔壁接触形成面而不是线，称这种孔口称为厚壁孔扩开，与孔壁接触形成面而不是线，称这种孔口称为厚壁孔口口( (管嘴管嘴) )。孔口出流：孔口出流：计算特点：计算特点：hf0hf0； 出流特点：收缩断面出流特点：收缩断面 5.8 液体出流液体出流一、孔口出流分类（续）一、孔口出流分类（续）二、薄壁小孔口定常出流二、薄壁小孔口定常出流（一）（一）自由出流自由出流液体从各个方向涌向孔口，由于惯性作用，流线只能逐渐液体从各个方
4、向涌向孔口，由于惯性作用，流线只能逐渐弯曲，在孔口断面上仍然继续弯曲且向中心收缩，直至出流流弯曲，在孔口断面上仍然继续弯曲且向中心收缩，直至出流流股距孔口股距孔口d/2 处，过流断面收缩达到最小，此断面即为收缩断处，过流断面收缩达到最小，此断面即为收缩断面面cc断面。自收缩断面后，液体质点受重力作用而下落。断面。自收缩断面后，液体质点受重力作用而下落。 5.8 液体出流液体出流AACC00dH0Hpa通过收缩断面形心引基准线通过收缩断面形心引基准线0-0，列出，列出A-A及及C-C两断面的两断面的能量方程。能量方程。薄壁孔口：薄壁孔口：整理得：整理得：解得：解得：1 1、流速流速H0 ：作用水
5、头，作用水头，促使出流的全部能量。促使出流的全部能量。流量：流量：流速系数流速系数：断面收缩系数断面收缩系数：流量系数流量系数：2 2、流量流量AACC00dH0Hpa流速系数，流速系数， =0.970.98流量系数流量系数， =0.600.62断面收缩系数，断面收缩系数， =0.620.64通过实验测得，对圆形薄壁小孔口通过实验测得，对圆形薄壁小孔口3 3、各系数的实验值、各系数的实验值二、薄壁小孔口定常出流（续）二、薄壁小孔口定常出流（续） 5.8 液体出流液体出流令令整理得整理得（二）淹没出流（二）淹没出流 由于惯性作用，水流经孔口流束形成收缩断面由于惯性作用，水流经孔口流束形成收缩断面
6、cc，然后扩大。，然后扩大。 列上、下游自由液面列上、下游自由液面11和和22的能量方程。式中水头损的能量方程。式中水头损失项包括孔口的局部损失和收缩断面失项包括孔口的局部损失和收缩断面cc至至22断面流束突然断面流束突然扩大局部损失。扩大局部损失。 5.8 液体出流液体出流 H0作用水头，当出口两侧容器较大，作用水头，当出口两侧容器较大，v1v20，则，则 H0H1H2H； 1 1孔口的局部阻力系数，与自由出流相同；孔口的局部阻力系数，与自由出流相同； 2 2液流在收缩断面后突然扩大的局部阻力系数，当液流在收缩断面后突然扩大的局部阻力系数，当 A2Ac时，时， 2 2(1Ac/A2)21；
7、淹没孔口的流速系数，淹没孔口的流速系数， 淹没孔口的流量系数，淹没孔口的流量系数，。（二）淹没出流（二）淹没出流 5.8 液体出流液体出流 问题问题1：薄壁小孔淹没出流时，其流量与薄壁小孔淹没出流时，其流量与 （ ）有关。）有关。 A、上游行进水头；、上游行进水头； B、下游水头；、下游水头； C、孔口上、下游水面差；、孔口上、下游水面差； D、孔口壁厚。、孔口壁厚。 问题问题2： 请写出下图中两个孔口请写出下图中两个孔口Q1和和Q2的流量关系式的流量关系式 （A1A2）。）。图图2图图1图图1：Q1Q2；图图2：Q1Q2。练习练习三三、孔口非恒定出流（、孔口非恒定出流（孔口的变水头出流）孔口
8、的变水头出流）解决问题的思路：解决问题的思路： 若容器水面积比孔口面积大得多，若容器水面积比孔口面积大得多，H随时间变化较缓慢，随时间变化较缓慢，在微小时段在微小时段dt内的流动近似为定常流，即将非定常流问题转化内的流动近似为定常流，即将非定常流问题转化为定常流问题处理。为定常流问题处理。 设在某设在某t时刻，孔口水头为时刻，孔口水头为h，容器内水表面积为，容器内水表面积为，孔口，孔口 面积为面积为A，该时刻孔口出流的流量为：，该时刻孔口出流的流量为：在在dt时段内经孔口流出的液体体积为时段内经孔口流出的液体体积为则则 根据质量守恒定律，根据质量守恒定律，dt时段时段流出的液体体积应等于该时段
9、内容流出的液体体积应等于该时段内容器内水量的减少量器内水量的减少量dh。对上式积分，得到水位由对上式积分，得到水位由H1降至降至H2所需时间所需时间 H H2 20 0时，即得容器放空时间为时，即得容器放空时间为式中式中V容器放空的体积；容器放空的体积；qmax开始出开始出流时的最大流量。流时的最大流量。 在孔口上连接一段短管，即形成了的管嘴。在孔口上连接一段短管，即形成了的管嘴。 应用管嘴的目的是为了增加孔口出流的流量，或者是为了增加应用管嘴的目的是为了增加孔口出流的流量，或者是为了增加或减小射流的速度。或减小射流的速度。 管嘴的基本型式：管嘴的基本型式： (a)(a)圆柱形外管嘴圆柱形外管
10、嘴 (b)(b)圆柱形内管嘴圆柱形内管嘴 (c)(c)圆锥形收敛管嘴圆锥形收敛管嘴 (d)(d)圆锥形扩张管嘴圆锥形扩张管嘴 (e)(e)流线形管嘴流线形管嘴 着重介绍圆柱形外管嘴的定常出流。着重介绍圆柱形外管嘴的定常出流。 四、四、 管嘴出流（续）管嘴出流（续）（一）圆柱形外管嘴定常出流（一）圆柱形外管嘴定常出流当孔口壁厚当孔口壁厚l(34)d时，或者在孔口处外接一段长时，或者在孔口处外接一段长l的圆的圆管时，即是圆柱形外管嘴。管时，即是圆柱形外管嘴。管嘴出流的特点：管嘴出流的特点：hf0；在；在cc断面形成收缩，然后又逐渐断面形成收缩，然后又逐渐扩大，充满整个断面。扩大，充满整个断面。在收
11、缩断面在收缩断面cc前后，流股与管壁分离，中间形成旋涡区，前后，流股与管壁分离，中间形成旋涡区，产生负压，出现真空现象。产生负压，出现真空现象。 四、四、 管嘴出流（续）管嘴出流（续）管嘴出流的流速、流量的计算：管嘴出流的流速、流量的计算：列列1 11 1和和2 22 2断面能量方程，以管嘴中心线为基准线。断面能量方程，以管嘴中心线为基准线。令令得得 四、四、 管嘴出流（续）管嘴出流（续） 管嘴流量管嘴流量 结论：在相同的水头作用下，结论：在相同的水头作用下， n n/1.321.32，同样断面管嘴，同样断面管嘴的过流能力是孔口的的过流能力是孔口的1.321.32倍。倍。式中式中H H0 0作
12、用水头，如作用水头，如v v1 100，则，则H H0 0H H；n n管嘴局部阻力系数，管嘴局部阻力系数，n n=0.5=0.5； n n管嘴的流速系数，管嘴的流速系数，n n管嘴的流量系数管嘴的流量系数 因出口断面无收缩，因出口断面无收缩，薄壁小孔自由出流薄壁小孔自由出流， 0.62比较：比较：则则 （ 二）圆柱形外管嘴的真空二）圆柱形外管嘴的真空 孔口外面加管嘴后，增加了阻力，但流量并不减少，反而增孔口外面加管嘴后，增加了阻力，但流量并不减少，反而增加。加。这是由于收缩断面处真空的作用这是由于收缩断面处真空的作用。 列收缩断面列收缩断面cc和出口断面和出口断面22的伯努里方程的伯努里方程
13、(1) 四、四、 管嘴出流（续）管嘴出流（续）由连续性方程有由连续性方程有局部阻力损失主要发生在主流扩大上，则局部阻力损失主要发生在主流扩大上，则将式（将式（2 2）和式（）和式（3 3）代入式（）代入式（1 1）得）得把式把式代入上式得代入上式得(2)(3)再将各项系数再将各项系数c21，0.64，0.82代入上式，得到代入上式，得到收缩断面的真空高度收缩断面的真空高度 结论结论：圆柱形管嘴收缩断面处真空度可达作用水头的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倍。相当于把管嘴的作用水头增大了75%。这就是相同直径、。这就是相同直径、相同作用水头下的圆柱
14、形外管嘴的流量比孔口大的原因。相同作用水头下的圆柱形外管嘴的流量比孔口大的原因。 三、圆柱形外管嘴的正常工作条件三、圆柱形外管嘴的正常工作条件 1、空化（气穴）和空蚀（气蚀）、空化（气穴）和空蚀（气蚀） （1）汽化和汽化压强）汽化和汽化压强汽化汽化汽化是物质从液态变为气态的过程。汽化是物质从液态变为气态的过程。汽化的两种方式：蒸发和沸腾。汽化的两种方式：蒸发和沸腾。发生在液体表面的汽化，叫作蒸发。蒸发在任何温度下都能进行。发生在液体表面的汽化，叫作蒸发。蒸发在任何温度下都能进行。在一定压强下，液体温度升高到一定程度时，液面和液体内部同时发在一定压强下，液体温度升高到一定程度时，液面和液体内部同
15、时发生迅速汽化的现象。叫作沸腾。生迅速汽化的现象。叫作沸腾。沸腾时，外界提供的热量都用于使物体从液态变为气态，液体的温度沸腾时，外界提供的热量都用于使物体从液态变为气态，液体的温度不变，此温度叫作沸点。不变，此温度叫作沸点。 汽化压强汽化压强（饱和蒸汽压强）（饱和蒸汽压强） 在在某某一一温温度度下下，当当压压力力降降低低到到某某一一值值时时液液体体将将迅迅速速汽汽化化，液液体体中中产产生生大大量量汽汽泡泡而而沸沸腾腾，此此压压力力为为该该液液体体在在该该温温度度下下的的汽汽化化压压强强（饱饱和和蒸汽压）。蒸汽压）。温温度度增增高高，液液体体的的汽汽化化压压强强（饱饱和和蒸蒸汽汽压压）相相应应提
16、提高高，汽汽化化压压强强也随着温度的降低而降低。也随着温度的降低而降低。水水在在和和同同温温度度的的汽汽化化压压强强与与不不同同压压强强下下的的沸沸点点温温度度的的对对应应关关系系见见下表。下表。温度 /0C10080604020100沸点温度 / 0C汽化压强/Pa1013004740020000740023401230615压强/Pa /atm 10.47 0.20.070.020.0120.006水的汽化压强（绝对）与沸点温度对应表水的汽化压强（绝对）与沸点温度对应表（2 2）空化和空蚀）空化和空蚀液体流经压力足够低的区域时，就会发生汽化并在液体内部或液体流经压力足够低的区域时，就会发生
17、汽化并在液体内部或液固交界面上形成气体（或蒸气）空泡，这种现象叫液固交界面上形成气体（或蒸气）空泡，这种现象叫空化空化。由空化溃灭产生的冲击压强，导致边壁材料剥蚀的现象称为由空化溃灭产生的冲击压强，导致边壁材料剥蚀的现象称为空空蚀蚀或称或称气蚀气蚀。 从空化产生的气泡会被带到下游压强较大的区域，受到周围液从空化产生的气泡会被带到下游压强较大的区域，受到周围液体的压缩，气泡迅速溃灭，产生极大的压强，其值可达上百个甚至体的压缩，气泡迅速溃灭，产生极大的压强，其值可达上百个甚至上千个大气压。上千个大气压。当这个过程发生在固体边界附近时，边界面受到强当这个过程发生在固体边界附近时，边界面受到强烈的冲击
18、作用。烈的冲击作用。 2 2、管嘴正常工作的条件、管嘴正常工作的条件 管嘴出流中，若管嘴真空度过大，使收缩断面处压强小于管嘴出流中，若管嘴真空度过大，使收缩断面处压强小于汽化压强时，就会发生空化和空蚀现象；又当收缩断面的真空汽化压强时，就会发生空化和空蚀现象；又当收缩断面的真空度超过度超过7m7m水柱，空气将会从管嘴出口断面水柱，空气将会从管嘴出口断面“吸入吸入”，破坏收缩，破坏收缩断面的真空区，管嘴不能保持水满管出流，而形成孔口出流。断面的真空区，管嘴不能保持水满管出流，而形成孔口出流。 (1)(1)限制管嘴内的真空度限制管嘴内的真空度 根据对水的实验，收缩断面的真空度：根据对水的实验，收缩
19、断面的真空度： 作用水头的极限值为：作用水头的极限值为： (2) (2)管嘴长度管嘴长度l的限制的限制 l 太短，液流经管嘴收缩后，还来不及扩大到整个管断面，真空太短，液流经管嘴收缩后，还来不及扩大到整个管断面，真空区不能形成；或者虽充满管嘴，但因真空区距管嘴出口断面太近，极区不能形成；或者虽充满管嘴，但因真空区距管嘴出口断面太近，极易引起真空的破坏。易引起真空的破坏。 l 太长，将增加沿程阻力，使管嘴的流量系数太长，将增加沿程阻力，使管嘴的流量系数相应减小，又达不相应减小，又达不到增加出流的目的。到增加出流的目的。 所以，圆柱形管嘴的正常工作条件是：所以，圆柱形管嘴的正常工作条件是： 作用水
20、头作用水头H09m 管嘴长度管嘴长度l(34)d 判断：增加管嘴的作用水头，能提高真空度，所以对于管判断：增加管嘴的作用水头，能提高真空度，所以对于管嘴的出流能力，作用水头越大越好。嘴的出流能力，作用水头越大越好。 5.9 水击现象水击现象一、水击现象的描述一、水击现象的描述四个过程：四个过程：Au0BCAu0B1.压力升高过程压力升高过程2.压力恢复过程压力恢复过程5.9 水击现象水击现象一、水击现象的描述一、水击现象的描述四个过程：四个过程：Au0BCBAu0C3.压力降低过程压力降低过程4.压力恢复过程压力恢复过程5.9 水击现象水击现象三、压强波（膨胀波）的传播速度三、压强波（膨胀波）
21、的传播速度 式中式中 K 流体的体积模量流体的体积模量 E 管壁的弹性模量管壁的弹性模量 s 管壁厚度管壁厚度 d 管壁内径管壁内径例：管壁无弹性，例：管壁无弹性，E 5.9 水击现象水击现象四、直接水击、间接水击、减弱水击的措施四、直接水击、间接水击、减弱水击的措施 直接水击直接水击: 间接水击间接水击:阀门关闭的时间阀门关闭的时间 ts2l/c，阀门处压强将达不到，阀门处压强将达不到最大的水击压强。最大的水击压强。减弱水击的措施：减弱水击的措施：（1）避免直接水击，尽量延长间接水击）避免直接水击，尽量延长间接水击 时阀门的关闭时间。时阀门的关闭时间。（2）采用过载保护，以缓冲水击压强。）采用过载保护，以缓冲水击压强。（3）降低管内流速，缩短管长，使用弹）降低管内流速，缩短管长，使用弹 性好的管道。性好的管道。总结总结1 1、孔口和管嘴泄流流量计算公式：、孔口和管嘴泄流流量计算公式： 孔口：孔口：管嘴：管嘴：3 3、圆柱形外管嘴的真空度：、圆柱形外管嘴的真空度：2 2、在相同的水头作用下，同样断面管嘴的过流能力大于孔口，、在相同的水头作用下，同样断面管嘴的过流能力大于孔口， 是孔口的是孔口的1.321.32倍。倍。
