水力学讲义
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第九章 孔口、管嘴出流和有压管道 本章在定量分析沿程水头损失和局部水头损失的基础上,对工程实际中最常见的有压管道恒定流动和孔口、管嘴出流进行水力计算。
§9—1 孔口与管嘴的恒定出流液体从孔口以射流状态流出,流线不能在孔口处急剧改变方向,而会在流出孔口后在孔口附近形成收缩断面,此断面可视为处在渐变流段中,其上压强均匀。
● 孔口出流的分类:小孔口出流、大孔口出流(按H /D 是否大于10来判定);恒定出流、非恒定出流;淹没出流、非淹没出流;薄壁出流、厚壁出流。
薄壁出流确切地讲就是锐缘孔口出流,流体与孔壁只有周线上接触,孔壁厚度不影响射流形态,否则就是厚壁出流,如孔边修圆的情况,此时孔壁参与了出流的收缩,但收缩断面还是在流出孔口后形成。
如果壁厚达到3~4D ,孔口就可以称为管嘴,收缩断面将会在管嘴内形成,而后再扩展成满流流出管嘴。
管嘴出流的能量损失只考虑局部损失,如果管嘴再长,以致必须考虑沿程损失时就是短管了。
一. 薄壁孔口出流● 非淹没出流的收缩断面上相对压强均为零。
对上游断面O 和收缩断面C 运用能量方程即可得到小孔口非淹没出流公式:00221gH gH v C C ϕζα≡+=,0022gH A gH A A v Q C C μϕε≡==. 其中H 0是作用总水头;ϕ称为孔口的流速系数,主要取决于水头损失系数;μ是孔口的流量系数,它是流速系数ϕ与小孔口断面收缩系数A A C /=ε的乘积。
● 由于边壁的整流作用,它的存在会影响收缩系数,故有完全收缩与非完全收缩之分,视孔口边缘与容器边壁距离与孔口尺寸之比的大小而定,大于3则可认为完全收缩。
● 小孔口淹没出流的相应公式只需将作用总水头改成孔口上下游水位差即可。
● 大孔口出流的流量公式形式不变,只是相应的水头应为孔口形心处的值,具体的流量系数也与小孔口出流不同。
二. 厚壁孔口出流厚壁孔口出流与薄壁孔口出流的差别在于收缩系数和边壁性质有关,注意到收缩系数定义中的A 为孔口外侧面积,容易看出孔边修圆后,收缩减小,收缩系数和流量系数都增大。
第六章 流动阻力与能量损失本章首先讨论实际流体在运动过程中的能量损失的分类和计算公式,公式中损失系数的确定将是这一章主要的内容。
由于粘性的影响,实际流体的流动会呈现出两种不同的型态 — 层流和紊流,它们的流场结构和动力特性区别很大,必须加以判别,并分别研究。
由均匀流流动的特点,导出了均匀流的沿程损失与切应力之间的关系,圆管层流类似于均匀流,因此得到了圆管层流的沿程损失的计算方法。
由于在紊流流场中存在随机的脉动量,须对瞬时量取统计平均,分别讨论平均流动和脉动量。
紊流中切应力包含了粘性切应力和附加切应力(雷诺应力),采用混合长度理论建立起附加切应力与时均流速之间的关系。
本章还紊流运动中的局部水头损失的计算方法。
§6—1 流动阻力和能量损失的两种形式● 实际流体在渐变流段中流动,由流管壁面上粘性切应力形成的阻力称为沿程阻力或摩擦阻力。
在均匀流段上这种阻力是沿程不变的。
为克服沿程阻力形成的能量损失,称为沿程损失,沿程损失随着流程的增加而增加。
在均匀流段上每单位流程上的沿程损失是常数,沿程损失与流程长度呈正比例关系。
单位重量流体的沿程损失用 hf 表示,称为沿程水头损失。
计算公式为:gv d l h f 22λ= ● 在流管边壁沿程急剧变化,流速分布急剧调整的局部区段上,集中产生的流动阻力称为局部阻力。
由局部阻力引起的水头损失,称为局部水头损失,以 hj 表示,如管道进口、异径管、弯管、三通、阀门等各种管件处的水头损失,都是局部水头损失。
计算公式为:gv h j 22ζ= ● 若断面1至断面2的一段管路由若干段渐变流段组成,其间又有若干处局部损失,则这段管路的能量损失为所有沿程损失和局部损失的总和。
§6—2 流动的两种型态● 实际流体的流动会呈现出两种不同的型态:层流和紊流,它们的区别在于:流动过程中流体层之间是否发生混掺现象。
在紊流流动中存在随机的脉动量,而在层流流动中则没有。
● 1883年,雷诺试验表明:圆管中恒定流动的流态转化取决于雷诺数νvdR e =,d 是圆管直径,v 是断面平均流速,ν是流体的运动粘性系数。