流体力学第五章-孔口出流-课件

流体力学第五章流体力学第五章 孔口出流孔口出流第五章第五章 孔口出流孔口出流孔口出流孔口出流孔口出流（孔口出流（orifice dischargeorifice discharge）：）：在容器壁上开孔，水经孔口流出的水力现在容器壁上开孔，水经孔口流出的水力现象就称为孔口出流，象就称为孔口出流，薄壁孔口出流：薄壁孔口出流：L/d 2厚壁孔口出流：管嘴出流厚壁孔口出流：管嘴出流2 2 小孔口（小孔口（small orifice small orifice）：当孔口直径）：当孔口直径d d（或高度（或高度e e）与孔口形心以上的水头高度）与孔口形心以上的水头高度H H的比值小于的比值小于0.10.1，即，即d d/H H0.10.10.1时，需时，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。的变化，这时的孔口称为大孔口。1.1.根据根据d d/H H的比值：大孔口、小孔口的比值：大孔口、小孔口 一、分类一、分类3 3非恒定出流（非恒定出流（非恒定出流（非恒定出流（unsteady dischargeunsteady dischargeunsteady dischargeunsteady discharge）：当孔口出流时，水箱中水量得不）：当孔口出流时，水箱中水量得不）：当孔口出流时，水箱中水量得不）：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。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。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。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。恒定出流（恒定出流（恒定出流（恒定出流（steady dischargesteady dischargesteady dischargesteady discharge）：当孔口出流时，水箱中水量如能得到）：当孔口出流时，水箱中水量如能得到）：当孔口出流时，水箱中水量如能得到）：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。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。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。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。3.3.3.3.根据孔口水头变化情况，出流可分为：恒定出流、非恒定出流根据孔口水头变化情况，出流可分为：恒定出流、非恒定出流根据孔口水头变化情况，出流可分为：恒定出流、非恒定出流根据孔口水头变化情况，出流可分为：恒定出流、非恒定出流 淹没出流（淹没出流（淹没出流（淹没出流（submerged dischargesubmerged dischargesubmerged dischargesubmerged discharge）：若经孔口流出的水流不是）：若经孔口流出的水流不是）：若经孔口流出的水流不是）：若经孔口流出的水流不是进入空进入空进入空进入空 气，而是流入下游水体中，致使孔口淹没在下游水面之下，这气，而是流入下游水体中，致使孔口淹没在下游水面之下，这气，而是流入下游水体中，致使孔口淹没在下游水面之下，这气，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。种情况称为淹没出流。种情况称为淹没出流。种情况称为淹没出流。自由出流（自由出流（自由出流（自由出流（free dischargefree dischargefree dischargefree discharge）：若经孔口流出的水流直接进入空气）：若经孔口流出的水流直接进入空气）：若经孔口流出的水流直接进入空气）：若经孔口流出的水流直接进入空气中，中，中，中，此时收缩断面的压强可认为是大气压强，即此时收缩断面的压强可认为是大气压强，即此时收缩断面的压强可认为是大气压强，即此时收缩断面的压强可认为是大气压强，即p p p pc c c c=p p p pa a a a，则该孔口出，则该孔口出，则该孔口出，则该孔口出 流称为孔口自由出流。流称为孔口自由出流。流称为孔口自由出流。流称为孔口自由出流。2.2.2.2.根据出流条件的不同，可分为自由出流和淹没出流根据出流条件的不同，可分为自由出流和淹没出流根据出流条件的不同，可分为自由出流和淹没出流根据出流条件的不同，可分为自由出流和淹没出流 4 4二、管嘴出流：在孔口周边连接一长为二、管嘴出流：在孔口周边连接一长为3434倍孔径的短管，水倍孔径的短管，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。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。圆锥形扩张管嘴：较大过流能力，较低出口流速。圆锥形扩张管嘴：较大过流能力，较低出口流速。引射器，水轮机尾水管，人工降雨设备。引射器，水轮机尾水管，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，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。消防用喷嘴。流线形外管嘴：无收缩扩大，阻力系数最小。水坝泄流流线形外管嘴：无收缩扩大，阻力系数最小。水坝泄流圆柱形外管嘴：先收缩后扩大到整满管。圆柱形外管嘴：先收缩后扩大到整满管。5 5一般孔口边缘呈刃口形一般孔口边缘呈刃口形状，各种结构形式的阀状，各种结构形式的阀口大多都属于薄壁小孔口大多都属于薄壁小孔类型。类型。5.1 薄壁孔口出流薄壁孔口出流6 65.1.1 孔口出流的速度和流量计算孔口出流的速度和流量计算收缩系数收缩系数在在1-1,C-C断面列伯努利方程：断面列伯努利方程：7 7大家应该也有点累了，稍作休息大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流8 8出流速度出流速度 简化为：简化为：流量为：流量为：其中：其中：称为流速系数。称为流速系数。其中：其中：称为流量系数。称为流量系数。9 9 2 2）若）若）若）若d d与与与与D D差距不大，则为大孔口出流差距不大，则为大孔口出流差距不大，则为大孔口出流差距不大，则为大孔口出流 收缩系数为其经验公式收缩系数为其经验公式收缩系数为其经验公式收缩系数为其经验公式出流速度为出流速度为流量为流量为流速系数流速系数流量系数流量系数1010一、流速系数一、流速系数 :5.1.2 孔口出流系数孔口出流系数出流速度出流速度 ：而理想流速为而理想流速为 ：（1）（2）比较（比较（1）、（）、（2）两式：）两式：孔口阻力系数越大，实际流速越小，流速系数也就越小。孔口阻力系数越大，实际流速越小，流速系数也就越小。实际流速与理想流速之比，实际流速与理想流速之比，1111流速系数的测定流速系数的测定应注意到：孔口出流进入大气后即成平抛运动。应注意到：孔口出流进入大气后即成平抛运动。1212流量系数流量系数 ：实际流量与理想流量之比。实际流量与理想流量之比。流量为：流量为：而理想流量：而理想流量：（1）（2）比较（比较（1）、（）、（2）两式：）两式：1313收缩系数收缩系数 ：阻力系数阻力系数 ：0.640.06流量系数流量系数 ：0.62流速系数流速系数0.9714145.2 厚壁孔口出流厚壁孔口出流厚壁孔口：厚壁孔口：1.厚壁孔口只有内收缩而无外厚壁孔口只有内收缩而无外收缩，此时收缩系数收缩，此时收缩系数CC=1与小孔口出流对比，其特点特点：与小孔口出流对比，其特点特点：2.总局部阻力系数包括三部分：总局部阻力系数包括三部分：a)入口系数（相当于薄壁孔口入口系数（相当于薄壁孔口出流；出流；b)c-c断面后扩张阻力系数（可按突扩计算），断面后扩张阻力系数（可按突扩计算），c)后半段后半段上的沿程当量系数。上的沿程当量系数。15155.2.1 厚壁孔口出流的速度和流量厚壁孔口出流的速度和流量16165.2.2 厚壁孔口出流系数厚壁孔口出流系数收缩系数收缩系数 ：阻力系数阻力系数 ：流速系数流速系数 ：流量系数流量系数 ：10.50.820.8217175.3 几种孔口出流性能比较几种孔口出流性能比较为什么厚壁孔口流量大于薄壁孔口流量？为什么厚壁孔口流量大于薄壁孔口流量？18185.4 机械中的气穴现象机械中的气穴现象5.4.1 5.4.1 气穴概念气穴概念气穴产生的条件：局部地区的高速和低压。气穴产生的条件：局部地区的高速和低压。5.4.2 5.4.2 节流气穴节流气穴5.4.3 5.4.3 泵进口处的气穴泵进口处的气穴防止泵前气穴的方法：防止泵前气穴的方法：1.降低吸水高度；降低吸水高度；2.降低吸水管、吸油管的局部沿程阻力；降低吸水管、吸油管的局部沿程阻力；3.加大管径以降低流速；加大管径以降低流速；4.减少进水管输送长度。减少进水管输送长度。19195.5 5.5 相似原理相似原理相似原理相似原理2020212122222323242425255.5.1 相似概念相似概念力学相似是指实物流动与模型流动在对应点上物理量都力学相似是指实物流动与模型流动在对应点上物理量都应该有一定的比例关系，具体包括几何相似、运动相似应该有一定的比例关系，具体包括几何相似、运动相似及动力相似：及动力相似：1）几何相似：）几何相似：即模型流动与实物流动有相似的边界形即模型流动与实物流动有相似的边界形状，一切对应的线性尺寸成比例。状，一切对应的线性尺寸成比例。如果用无上标的物理量符号来表示实物流动，用有如果用无上标的物理量符号来表示实物流动，用有上标上标“”的物理量符号表示模型流动。则有下述比例的物理量符号表示模型流动。则有下述比例尺：尺：262627272 2 2 2）运动相似：即实物流动与模型流动的流线应该几何相似，）运动相似：即实物流动与模型流动的流线应该几何相似，）运动相似：即实物流动与模型流动的流线应该几何相似，）运动相似：即实物流动与模型流动的流线应该几何相似，而且对应点上的速度成比例。而且对应点上的速度成比例。而且对应点上的速度成比例。而且对应点上的速度成比例。速度比例尺速度比例尺 时间比例尺时间比例尺加速度比例尺加速度比例尺2828流量比例尺流量比例尺运动粘度比例尺运动粘度比例尺角速度比例尺角速度比例尺29293 3 3 3）动力相似：即实物流动与模型流动应受同种外力作）动力相似：即实物流动与模型流动应受同种外力作）动力相似：即实物流动与模型流动应受同种外力作）动力相似：即实物流动与模型流动应受同种外力作用，而且对应点上的对应力成比例。用，而且对应点上的对应力成比例。用，而且对应点上的对应力成比例。用，而且对应点上的对应力成比例。密度比例尺密度比例尺质量比例尺质量比例尺力的比例尺力的比例尺力矩比例尺力矩比例尺3030压强（应力）比例尺压强（应力）比例尺压强（应力）比例尺压强（应力）比例尺动力粘度比例尺动力粘度比例尺动力粘度比例尺动力粘度比例尺功率的比例尺功率的比例尺功率的比例尺功率的比例尺无量纲系数的比例尺无量纲系数的比例尺无量纲系数的比例尺无量纲系数的比例尺3131 在相似的实物流动与模型流动之间存在着一切无在相似的实物流动与模型流动之间存在着一切无量纲系数皆对应相等的关系，这提供了在模型流动上量纲系数皆对应相等的关系，这提供了在模型流动上测定实物流动中的流速系数、流量系数、阻力系数等测定实物流动中的流速系数、流量系数、阻力系数等等的可能性。等的可能性。所有力学相似的比例尺中，基本比例尺所有力学相似的比例尺中，基本比例尺 l l、v v、是各自独立的，基本比例尺确定后，其它一切物理量是各自独立的，基本比例尺确定后，其它一切物理量的比例尺都可确定，模型流动与实物流动之间一切的的比例尺都可确定，模型流动与实物流动之间一切的物理量的换算关系也就都可以确定了。物理量的换算关系也就都可以确定了。实物和模型大多是处于同样的地心引力范围，因此实物和模型大多是处于同样的地心引力范围，因此单位质量重力的比例尺一般等于单位质量重力的比例尺一般等于1，即：，即：32321 1）、）、弗劳德弗劳德(Froude)(Froude)数数代表惯性力与重力之比。代表惯性力与重力之比。弗劳德数弗劳德数5.5.2 相似准则相似准则3333）、欧拉数）、欧拉数代表压力与惯性力之比。代表压力与惯性力之比。欧拉数欧拉数）、雷诺数）、雷诺数代表惯性力与粘性力之比。代表惯性力与粘性力之比。雷诺数雷诺数3434 总结以上可见，如果两个流动成力学相似，则总结以上可见，如果两个流动成力学相似，则总结以上可见，如果两个流动成力学相似，则总结以上可见，如果两个流动成力学相似，则它们的弗劳德数、欧拉数、雷诺数必须各自相等。它们的弗劳德数、欧拉数、雷诺数必须各自相等。它们的弗劳德数、欧拉数、雷诺数必须各自相等。它们的弗劳德数、欧拉数、雷诺数必须各自相等。称为不可压缩流体定常流动的力学相似准则。可称为不可压缩流体定常流动的力学相似准则。可称为不可压缩流体定常流动的力学相似准则。可称为不可压缩流体定常流动的力学相似准则。可据此判断两个流动是否相似。据此判断两个流动是否相似。据此判断两个流动是否相似。据此判断两个流动是否相似。3535 相似准则不但是判别相似的标准，而且也是设计相似准则不但是判别相似的标准，而且也是设计相似准则不但是判别相似的标准，而且也是设计相似准则不但是判别相似的标准，而且也是设计模型的准则，因为满足相似准则实质上意味着相似比模型的准则，因为满足相似准则实质上意味着相似比模型的准则，因为满足相似准则实质上意味着相似比模型的准则，因为满足相似准则实质上意味着相似比例尺之间要保持下列三个互相制约的关系：例尺之间要保持下列三个互相制约的关系：例尺之间要保持下列三个互相制约的关系：例尺之间要保持下列三个互相制约的关系：设计模型时，所选择的三个基本比例尺设计模型时，所选择的三个基本比例尺设计模型时，所选择的三个基本比例尺设计模型时，所选择的三个基本比例尺 如果如果如果如果能满足这三个制约关系，当然模型流动与实物流动是完能满足这三个制约关系，当然模型流动与实物流动是完能满足这三个制约关系，当然模型流动与实物流动是完能满足这三个制约关系，当然模型流动与实物流动是完全力学相似的。但这是有困难的。全力学相似的。但这是有困难的。全力学相似的。但这是有困难的。全力学相似的。但这是有困难的。3636Reynolds numberMach numberFroude numberStrouhal numberPrandtl numberNusselt numberGrashov number37375.5.3 5.5.3 近似模型法近似模型法近似模型法近似模型法不能保证全面力学相似的模型设计方法叫近似模型法。不能保证全面力学相似的模型设计方法叫近似模型法。不能保证全面力学相似的模型设计方法叫近似模型法。不能保证全面力学相似的模型设计方法叫近似模型法。在水利工程及明渠无压流动中，处于主要地位的力是重在水利工程及明渠无压流动中，处于主要地位的力是重在水利工程及明渠无压流动中，处于主要地位的力是重在水利工程及明渠无压流动中，处于主要地位的力是重力。用水位落差形式表现的重力是支配流动的原因，重力是力。用水位落差形式表现的重力是支配流动的原因，重力是力。用水位落差形式表现的重力是支配流动的原因，重力是力。用水位落差形式表现的重力是支配流动的原因，重力是水工结构中的主要矛盾。粘性力有时不起作用，有时作用不水工结构中的主要矛盾。粘性力有时不起作用，有时作用不水工结构中的主要矛盾。粘性力有时不起作用，有时作用不水工结构中的主要矛盾。粘性力有时不起作用，有时作用不甚显著，因此可用弗劳德模型法解决此类问题甚显著，因此可用弗劳德模型法解决此类问题甚显著，因此可用弗劳德模型法解决此类问题甚显著，因此可用弗劳德模型法解决此类问题：1 1）弗劳德模型法）弗劳德模型法）弗劳德模型法）弗劳德模型法同时同时几何相似几何相似3838一般模型流动与实物流动中的重力加速度是相同的，于是一般模型流动与实物流动中的重力加速度是相同的，于是或或 此式说明在弗劳德模型法中，速度比例尺可以不再作为需此式说明在弗劳德模型法中，速度比例尺可以不再作为需要选取的基本比例尺。要选取的基本比例尺。弗劳德模型法在水利工程上应用甚广，大型水利工程设计弗劳德模型法在水利工程上应用甚广，大型水利工程设计必须首先经过模型实验的论证而后方可投入施工。必须首先经过模型实验的论证而后方可投入施工。39392 2）雷诺模型法）雷诺模型法）雷诺模型法）雷诺模型法 管中有压流动是在压差作用下克服管道摩擦而产生的流管中有压流动是在压差作用下克服管道摩擦而产生的流动，粘性力决定压差的大小，粘性力决定管内流动的性质，动，粘性力决定压差的大小，粘性力决定管内流动的性质，此时重力是无足轻重的次要因素，因此此时可以用雷诺模型此时重力是无足轻重的次要因素，因此此时可以用雷诺模型法解决问题，雷诺准则是：法解决问题，雷诺准则是：雷诺模型法在管道流动、液压技术、水力机械等雷诺模型法在管道流动、液压技术、水力机械等方面应用广泛。方面应用广泛。同时同时几何相似几何相似4040 粘性流动中有一种特殊现象，当雷诺数增大到一定界粘性流动中有一种特殊现象，当雷诺数增大到一定界限以后，惯性力与粘性力之比也大到一定程度，粘性力的限以后，惯性力与粘性力之比也大到一定程度，粘性力的影响相对减弱，此时继续提高雷诺数，也不再对流动现象影响相对减弱，此时继续提高雷诺数，也不再对流动现象和流动性能发生质和量的影响，此时尽管雷诺数不同，但和流动性能发生质和量的影响，此时尽管雷诺数不同，但粘性效果却是一样的。这种现象叫做自动模型化，产生这粘性效果却是一样的。这种现象叫做自动模型化，产生这种现象的雷诺数范围叫做自动模型区，雷诺数处在自动模种现象的雷诺数范围叫做自动模型区，雷诺数处在自动模型区时，雷诺准则失去判别相似的作用。型区时，雷诺准则失去判别相似的作用。3 3）欧拉模型法）欧拉模型法）欧拉模型法）欧拉模型法4141 这也就是说，研究雷诺数处于自动模型区时的粘性流这也就是说，研究雷诺数处于自动模型区时的粘性流动不满足雷诺准则也会自动出现粘性力相似。因此设计模型动不满足雷诺准则也会自动出现粘性力相似。因此设计模型时，粘性力的影响不必考虑了；如果是管中流动，或者是气时，粘性力的影响不必考虑了；如果是管中流动，或者是气体流动，其重力的影响也不必考虑；这样我们只需考虑代表体流动，其重力的影响也不必考虑；这样我们只需考虑代表压力和惯性力之比的欧拉准则就可以了。压力和惯性力之比的欧拉准则就可以了。欧拉模型法用于自动模型区的管中流动、风洞实验及气欧拉模型法用于自动模型区的管中流动、风洞实验及气体绕流等情况。体绕流等情况。即：即：或或4242 （2 2）在模型上测得流量）在模型上测得流量 收缩断面的速度收缩断面的速度 作用在闸门上的力作用在闸门上的力 力矩力矩例题例题1 1：图示表示为深图示表示为深H=6H=6米的水在弧形闸门下的流动。米的水在弧形闸门下的流动。求（求（1 1）试求模型上的水深）试求模型上的水深试求实物流动上的流量、试求实物流动上的流量、收缩收缩断面上的速度、作用在闸门上的断面上的速度、作用在闸门上的力和力矩。力和力矩。H4343(2)解；闸门下的水流是在重力作用下的流动，因而模解；闸门下的水流是在重力作用下的流动，因而模型应该是按照弗劳德模型法设计。型应该是按照弗劳德模型法设计。(1)（弗劳德数相等）（弗劳德数相等）444445454646例题例题2 2：设计新型汽车主高：设计新型汽车主高h=1.5mh=1.5m，车速，车速v=108km/h=30m/s,v=108km/h=30m/s,准备在风洞里作实验。已知风速准备在风洞里作实验。已知风速v=45m/sv=45m/s，求模型，求模型 高度高度h=?h=?若作模型实验时，测得阻力若作模型实验时，测得阻力F=1500NF=1500N，求求F=F=？解：因为是绕流，采用欧拉模型法求解。解：因为是绕流，采用欧拉模型法求解。4747假定雷诺数相似，几何相似，则模型与原型近似相似，则假定雷诺数相似，几何相似，则模型与原型近似相似，则可以利用粘性相似准则，近似得出：可以利用粘性相似准则，近似得出：4848