流体力学课件孔口管嘴、堰流与闸孔出流

Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械第 十 章 孔 口 管 嘴 、 堰 流 与 闸 孔 出 流 Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 v 本 章 主 要 介 绍 流 体 力 学 基 本 方 法 和 水 头 损 失 计 算 方 法 在 孔 口 与 管 嘴 出 流 中 的 应 用 。v 推 导 孔 口 、 管 嘴 出 流 的 基 本 公 式 。v 分 析 堰 流 与 闸 孔 出 流 的 流 动 现 象 、 特 点 及 水 力 计 算 方 法 。第 十 章 孔 口 管 嘴 、 堰 流 与 闸 孔 出 流引 言 Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 第 一 节 孔 口 出 流1 孔 口 出 流 在 容 器 壁 上 开 孔 ， 水 经 孔 口 流 出的 水 力 现 象 称 为 孔 口 出 流 。 应 用 ： 排 水 工 程 中 各 类 取 水 ， 泄 水 闸 孔 ， 某 些 量 测 流 量 设 备 均 属 孔 口 。 第 十 章 孔 口 管 嘴 、 堰 流 与 闸 孔 出 流 Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 第 一 节 孔 口 出 流（ 1） 孔 口 分 类 按 孔 口 直 径 d（ 或 高 度 e） 与 孔 口 淹 没 深 度 的 比 值（ d/H） 可 分 为 ：大 孔 口 ： ， 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 。( ) 0.1d e H 1 ( ) 0.1d e H小 孔 口 ： ， 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 。 Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 第 一 节 孔 口 出 流 根 据 孔 口 水 头 变 化 情 况 可 分 为 ： 恒 定 出 流 ： 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 水 头 不 变 的 流 动 。非 恒 定 出 流 ： 当 孔 口 出 流 时 ， 水 箱 中 水 量 得 不 到 补 充 ， 则 孔 口 水 头 不 断 变 化 的 流 动 。 按 孔 口 出 流 情 况 可 分 为 ：自 由 出 流 ： 液 体 流 经 孔 口 射 入 大 气 中 的 流 动 。淹 没 出 流 ： 液 体 流 经 孔 口 流 入 另 一 部 分 液 体 中 ， 孔 口 被 淹 没 在 下 游 液 面 之 下 。 Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 2 薄 壁 小 孔 口 的 自 由 出 流 第 一 节 孔 口 出 流 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 。 水 流 特 征 ： 液 流 从 各 个 方 向 涌 向 孔 口 ， 由 于 惯 性 作 用 ，流 线 只 能 逐 渐 弯 曲 ， 水 股 在 出 口 后 继 续 收 缩 ， 直 至 离 开 孔口 1/2孔 径 处 ， 过 流 断 面 达 到 最 小 ， 即 收 缩 断 面 c-c断 面 。 Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 列 A-A 断 面 与 c-c 断 面 间 的 能 量 方 程 ： 222 2c c cA A AA c mppz z hg g 22cmh g式 中 cAA c ppH z z 令 ： 20 2A AH H g 称 为 作 用 水 头 。22A Ag 称 为 行 进 水 头 。 第 一 节 孔 口 出 流 Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 0 01 2 2c c gH gH 第 一 节 孔 口 出 流时 是 理 想 流 体 的 流 动 ； 这 时 。1 0 且 无 损 失 情 况 下 ， 即1c 其 中 为 流 速 系 数 。 若 02c c cQ A A gH 0 0 02 2 2cQ A gH A gH A gH cAA 令 其 中 为 流 量 系 数 Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 3 孔 口 类 型 第 一 节 孔 口 出 流孔 口 的 位 置 对 流 动 的 收 缩 程 度 有 很 大 的 影 响 。 四 周 的 流 线 全 部 发 生 弯 曲 ， 水 股 在 各 方 向 都 发 生 收 缩 为 全 部 收 缩 孔 口 。 孔 口只 有 1、 2 边 发 生 收 缩 ， 其 它 3 、 4 边 没 有 收 缩 称 为 非 全 部 收 缩 孔 口 。 在 相 同 作 用 水 头 下 ， 非 全 部 收 缩 的 收 缩 系 数 比 全 部 收 缩 的 大 。 孔 口 周 边 离 侧 壁 的 距 离 ， 此 时 出 流 流 线 弯 曲 率 最 大 ， 收 缩 得 最 充 分 ， 为 全 部 完 善 收 缩 。 其 它 孔 口 为 非 完 善 收 缩 孔 口 。 1 23 , 3l a l b Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 2 薄 壁 小 孔 口 的 淹 没 出 流 第 一 节 孔 口 出 流取 上 下 游 自 由 液 面 1 - 1 及 2 - 2 ， 列 能 量 方 程 ： 2 22 21 1 1 2 2 21 2 1 22 2 2 2c cp pH Hg g g g Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 第 一 节 孔 口 出 流 0.64, 0.06, 0.97, 0.62 对 薄 壁 小 孔 口 ：孔 口 自 由 出 流 与 淹 没 出 流 其 公 式 形 式 完 全 相 同 ， 在 孔 口 相 同 条 件 下 亦 相 等 ， 只 需 注 意 作 用 水 头 H0。 、 令 作 用 水 头 2 21 2 1 1 2 20 1 2 2p pH H H g 则 0 01 21 2 2c gH gH 0 02 2c cQ A A gH A gH Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 第 二 节 管 嘴 的 恒 定 出 流 在 孔 口 周 边 连 接 一 长 为 34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 ， 称 为 管 嘴 出 流 。 第 十 章 孔 口 管 嘴 、 堰 流 与 闸 孔 出 流 Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 第 二 节 管 嘴 的 恒 定 出 流管 嘴 出 流 的 局 部 损 失 由 两 部 分 组 成 ， 即 孔 口 的 局 部 水 头 损 失及 收 缩 断 面 后 扩 展 产 生 的 局 部 损 失 ， 水 头 损 失 大 于 孔 口 出 流 。但 是 管 嘴 出 流 为 满 流 ， 收 缩 系 数 为 1， 因 此 流 量 系 数 仍 比 孔 口 大 ， 其 出 流 公 式 为管 嘴 出 流 的 特 点 是 在 距 管道 入 口 约 为 处 有一 收 缩 断 面 cc， 经 cc后逐 渐 扩 张 并 充 满 全 管 泄 出 。dLc 8.01 管 嘴 恒 定 出 流 Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 第 二 节 管 嘴 的 恒 定 出 流现 以 o-o为 基 准 面 ， 列 A-A和 B-B的 能 量 方 程2 22 2A A A B B BA B lp pz z hg g 2 0 2A B A AA Bp pH z z g 令 ： 式 中 hl 由 三 种 损 失 组 成 ： 经 过 孔 口 的 局 部 损 失 ， 以 收 缩 断 面 的 速 度 水 头 表 示 为 水 流 由 收 缩 断 面 到 满 管 流 动 时 突 然 扩 大 的 损 失 沿 程 水 头 损 失 2 2 2Bg 21 2cg22Bld g Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 第 二 节 管 嘴 的 恒 定 出 流B 2 2 212 20 0212 2 0 0 1 1, 1 21 2 212 2c l lh d ggH gHldQ A A gH A gH 令2 2 21 22 2 2c B Bl lh g g d g Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 第 二 节 管 嘴 的 恒 定 出 流1 0.06, 0.64, 3, 0.020.82 1.32 ld 孔口取即 同 样 的 水 头 同 样 的 过 流 面 积 管 嘴 的 过 流 能 力 是 孔 口 过 流能 力 的 1.32倍 。 Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 2 管 嘴 真 空 现 象 第 二 节 管 嘴 的 恒 定 出 流孔 口 外 加 了 管 嘴 ， 增 加 了 阻 力 ，但 流 量 并 未 减 少 ， 反 而 比原 来 提 高 了 32 ， 这 是 因 为 收缩 断 面 处 真 空 起 的 作 用 。对 A-A和 c-c 断 面 列 能 量 方 程 222 2c c cA A A mp ap aH hr g r g Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 第 二 节 管 嘴 的 恒 定 出 流 2 2 01 22 210 1 221 02 2 2 21 02 20.64, 0.06, 0.82 0, , 1,2 2 21 21 10.75 cA A A c c mcHg cp aH H hr g g gp Hgph Hh H Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 第 二 节 管 嘴 的 恒 定 出 流与 孔 口 自 由 出 流 相 比 ， 孔 口 出 流 收 缩 断 面 在 大 气 中 ， 而管 嘴 出 流 收 缩 断 面 为 真 空 区 ， 真 空 度 达 作 用 水 头 的 0.75倍 ， 真 空 对 液 体 起 抽 吸 的 作 用 ， 相 当 于 把 孔 口 的 作 用 水头 增 大 75 ， 这 就 是 管 嘴 出 流 比 孔 口 出 流 增 大 的 原 因 。 Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 3 圆 柱 形 外 管 嘴 的 正 常 工 作 条 件第 二 节 管 嘴 的 恒 定 出 流作 用 水 头 越 大 ， 收 缩 断 面 的 真 空 值 越 大 。 当 hv 7m 时 ， H09m ， 液 体 内 部会 放 出 大 量 的 汽 泡 ， 这 种 现 象 称 为 空 化 （ 或 汽 化 ） 。 低 压 区 放 出 的 汽 泡 随 流带 走 ， 当 到 达 高 压 区 时 ， 由 于 压 差 的 作 用 使 汽 泡 突 然 溃 灭 ， 汽 泡 溃 灭 的 过 程时 间 极 短 ， 只 有 几 百 分 之 一 秒 ， 四 周 的 水 流 质 点 以 极 快 的 速 度 去 填 充 汽 泡 空间 ， 以 致 这 些 质 点 的 动 量 在 极 短 的 时 间 变 为 零 ， 从 而 产 生 巨 大 的 冲 击 力 ， 不停 地 冲 击 固 体 边 界 ， 致 使 固 体 边 界 产 生 剥 蚀 ， 这 就 是 汽 蚀 (或 空 蚀 )。 另 外 ，当 汽 泡 被 液 流 带 出 管 嘴 时 ， 管 嘴 外 的 空 气 将 在 大 气 压 的 作 用 下 冲 进 管 嘴 内 ，使 管 嘴 内 液 流 脱 离 内 壁 管 ， 成 为 非 满 管 出 流 ， 此 时 的 管 嘴 已 不 起 作 用 。 其 次 ，管 嘴 的 长 度 也 有 一 定 的 限 制 。 长 度 过 短 ， 流 束 收 缩 后 来 不 及 扩 到 整 个 断 面 ，其 空 不 能 形 成 ， 管 嘴 不 能 发 挥 作 用 ； 长 度 过 长 ， 沿 程 损 失 不 能 忽 赂 ， 出 流 将变 为 短 管 流 ， 因 此 圆 柱 形 外 管 嘴 的 工 作 条 件 是 ： （ 1） 作 用 水 头 H 09m ； （ 2） 管 嘴 长 度 L (34)d。 Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 例 题 一 P217： 10-1 Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 第 三 节 堰 流 在 明 渠 流 中 ， 为 控 制 水 位 和 流 量 而 设 置 的 顶 部 溢 流 障 碍物 称 为 堰 ， 水 流 经 堰 顶 溢 流 使 堰 前 水 面 壅 高 ， 堰 上 水 面 降落 ， 这 种 急 变 流 现 象 称 为 堰 流 。 在 水 利 工 程 中 ， 溢 流 堰 是 主 要 的 泄 水 建 筑 物 ， 常 用 作 溢流 集 水 设 备 和 量 水 设 备 ； 在 实 验 室 常 用 作 流 量 量 测 设 备 。 研 究 堰 流 主 要 是 分 析 堰 的 上 、 下 游 水 流 流 态 ， 分 析 堰 的过 流 能 力 。 第 十 章 孔 口 管 嘴 、 堰 流 与 闸 孔 出 流 Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 第 三 节 堰 流1 堰 流 的 主 要 特 征 量 上 游 渠 道 宽 度 B 堰 宽 b 水 流 漫 过 堰 顶 的 宽 度 堰 顶 厚 度 堰 前 水 头 H 上 游 水 位 在 堰 顶 上 最 大 超 高 堰 上 、 下 游 坎 高 p 和 p 堰 下 游 水 深 h 行 近 流 速 0 下 游 水 位 超 出 堰 顶 的 高 度 Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 2 堰 流 的 水 力 特 征 堰 的 上 游 水 流 受 阻 ， 水 面 壅 高 ， 势 能 增 大 ； 堰 顶 水深 变 小 ， 速 度 变 大 ， 动 能 增 大 ， 势 能 转 化 为 动 能 ; 堰 流 是 从 缓 流 到 急 流 的 过 渡 。 堰 流 的 水 力 计 算 中 主要 考 虑 局 部 阻 力 、 忽 略 沿 程 阻 力 ; 水 流 在 流 过 堰 顶 时 ， 一 般 在 惯 性 作 用 下 会 脱 离 堰 ，水 流 会 收 缩 。第 三 节 堰 流 Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 第 三 节 堰 流3 堰 流 分 类 薄 壁 堰 67.0H按 堰 比 值 范 围 将 堰 分 为 薄 壁 堰 、 实 用 堰 、 宽 顶 堰 三 类 。H薄 壁 堰 主 要 用 作 测 量 流 量 的 设 备 。水 舌 不 受 堰 宽 的 影 响 ，堰 和 过 堰 水 流 就 只 有 一 条边 线 接 触 ， 堰 顶 厚 度 对 水流 无 影 响 。 Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 实 用 堰 5.267.0 H第 三 节 堰 流堰 顶 厚 度 大 于 薄 壁 堰 ， 堰 顶 厚 对 水流 有 一 定 影 响 ， 堰 上 水 面 是 一 次 性连 续 降 落 与 下 游 水 流 衔 接 。实 用 堰 有 曲 线 型 和 折 线 型 两 种 ，溢 流 坝 一 般 都 采 用 曲 线 型 实 用 堰 。 Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 105.2 H第 三 节 堰 流堰 顶 厚 度 对 水 流 有 显 著 影 响 ，水 流 经 两 次 降 落 ， 然 后 与 下 游相 接 。小 桥 过 流 属 于 宽 顶 堰 流 。 当 时 ， 沿 程 水 头 损 失 不 能 忽 略 ， 流 动 已 属 于明 渠 流 动 。 10H 宽 顶 堰 Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 堰流的分类堰的外形及厚度不同，其能量损失及过水能力也会不同堰高P1堰高P2堰顶厚度 堰顶厚度堰顶厚度堰宽b堰顶水头H H H按/H分类/H 0.67 薄壁堰流0.67/H 2.5 实用堰流2.5/H 10 宽顶堰流曲线形折线形 有坎无坎 Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械按 下 游 水 位 对 过 堰水 流 是 否 有 影 响 自 由 式 堰 流淹 没 式 堰 流按 有 无 侧 向 收 缩 无 侧 收 缩 堰 流 B = b有 侧 收 缩 堰 流 b B 堰 流 的 分 类 Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 4 堰 流 基 本 公 式第 三 节 堰 流以 薄 壁 堰 为 例 进 行 推 导列 12的 伯 努 利 方 程 gggH 220020 22222200 令 （ 作 用 水 头 ）gHH 2 2000 Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 第 三 节 堰 流则 01022 221 2 gHgH 令 5.10 5.10022 2 22 02 Hgmb HgbkgHbeAQ km kHebeA 令令堰 流 基 本 公 式 15.102 HgmbQ Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 第 三 节 堰 流 5.1200 0 5.15.12005.12002 121 1212222000 Hgmm HHggmbgHgmbQ gHH 令5.10 2 HgbmQ 则堰 流 基 本 公 式 2 Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 5 薄 壁 堰 的 水 力 计 算第 三 节 堰 流 薄 壁 堰 流 由 于 具 有 稳 定 的 水 头 和 流 量 关 系 ， 常 作 为 水力 模 型 试 验 或 野 外 测 量 的 一 种 有 效 的 量 水 工 具 。 常 用 的 薄 壁 堰 的 堰 口 形 状 有 矩 形 、 三 角 形 和 梯 形 。（ 1） 矩 形 薄 壁 堰 流 完 全 堰 ： 无 侧 收 缩 、 自 由 式 、 水 舌 下 通 气 且 水 流 稳 定 。用 堰 流 基 本 公 式 2计 算 较 为 方 便 。 m 0采 用 经 验 公 式 计 算 。 Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 第 三 节 堰 流矩 形 堰 三 角 堰 梯 形 堰 Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 （ 2） 实 用 堰第 三 节 堰 流 实 用 堰 是 水 利 工 程 中 常 见 的 堰 型 之 一 。 作 为 挡 水 和泄 水 建 筑 物 ， 低 堰 常 用 石 料 砌 成 折 线 型 ， 高 的 溢 流 坝 一般 作 成 曲 线 型 。 实 用 堰 的 水 力 计 算 公 式 5.102 HgmbQ s11s 淹 没 系 数侧 收 缩 系 数 Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 （ 3） 宽 顶 堰第 三 节 堰 流 2.5 /H 10时，进口处形成水面跌落，堰顶范围内产生一段近似平行于堰顶的渐变流动，称宽顶堰流。自 由 式 淹 没 式 Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 第 三 节 堰 流 5.102 HgmbQ 5.102 HgmbQ 式 中 ： 一 般 由 经 验 公 式 确 定 。进口形式,Hpfm自 由 式淹 没 式流 量 计 算 公 式 Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 0 ph k kHp 1h p h hph0 ph 08.0 Hph 淹 没 标 准当 宽 顶 堰 绝 对 不 会 淹 没 。必 要 条 件充 分 条 件第 三 节 堰 流 Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 第 四 节 闸 孔 出 流第 十 章 孔 口 管 嘴 、 堰 流 与 闸 孔 出 流实 际 水 利 工 程 中 的 闸 门 一 般 是 建 在宽 顶 堰 或 实 用 堰 上 的 ， 闸 门 形 式 主要 有 平 面 和 弧 形 两 种 。 当 闸 门 部 分开 启 ， 出 闸 水 流 受 到 闸 门 控 制 时 就形 成 了 闸 孔 出 流 。右 图 上 为 平 面 闸 门 ， 下 为 弧 形 闸 门 。 Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 据 实 验 ， 宽 顶 堰 和 实 用 堰 上 形 成 堰 流 或 闸 孔 出 流 的 界 限 大 致 为 ：宽 顶 堰 ： e/H0.65为 堰 流 ； e/H0.65为 闸 孔 出 流实 用 堰 ： e/H0.75为 堰 流 ； e/H0.75为 闸 孔 出 流 闸 孔 出 流 的 基 本 原 理 与 孔 口 出 流 的 基 本 原 理 是 一 致 的 ， 但 闸 孔的 流 量 系 数 除 了 与 上 、 下 游 水 位 有 关 外 ， 还 取 决 于 闸 底 （ 堰 顶 ） 与闸 门 的 形 式 和 尺 寸 ， 因 此 更 加 复 杂 多 变 。 闸 孔 出 流 水 力 计 算 的 主 要 任 务 是 在 一 定 闸 前 水 头 下 ， 计 算 不 同闸 孔 开 度 时 的 泄 流 量 ， 或 根 据 已 知 的 泄 流 量 求 所 需 的 闸 孔 宽 度 b。第 四 节 闸 孔 出 流 Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 1 底 坎 为 宽 顶 堰 型 的 闸 孔 出 流第 四 节 闸 孔 出 流 02Q b e g H 过闸流量闸宽闸孔全水头 200 2H H g 流量系数淹没系数闸门开启高度 Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 2 底 坎 为 曲 线 型 实 用 堰 的 闸 孔 出 流第 四 节 闸 孔 出 流 H e02Q be gH流量系数0.65 0.186 (0.25 0.375 )cose eH H 平板闸门弧形闸门 Fluid Mechanics and Machinery 流 体 力 学 与 流 体 机 械 本 章 小 结 1. 孔 口 分 类 2. 孔 口 流 量 计 算 公 式 3. 管 嘴 出 流 现 象 （ 与 孔 口 相 比 较 ） 4. 管 嘴 正 常 工 作 的 充 分 条 件 5. 堰 流 分 类 6. 堰 流 、 闸 孔 流 量 计 算 公 式注 意 ： 出 流 现 象