第六章--有压管流
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西北工大875流体力学讲义 第六章 孔口、管嘴和有压管道流动前面我们学习了流体运动的基本规律和理论,从本章开始,将重点介绍实际工程中常见的各种典型流动现象,并运用前面的基础理论知识分析这些流动的计算原理和方法。
孔口、管嘴和有压管道流动是实际工程中常见的流动典型问题,例如给水排水工程中的取水、泄水闸孔,通风工程中管道漏风,某些液体流量设备等就是孔口出流问题;水流经过路基下的有压短涵管、水坝中泄水管、农业灌溉用喷头、冲击式水轮机、消防水枪等都有管嘴出流的计算问题;有压管道流动非常广泛,如环境保护、给水排水、农业灌溉、建筑环境与设备、市政建设等工程。
本章将运用前几章中的流体力学基础知识,主要是总流的连续性方程、能量方程及能量损失规律,来研究孔口、管嘴与有压管道的过流能力(流量)、流速与水头损失的计算及其工程应用;在分析有压管道流动时,将主要讨论不可压的流动问题。
孔口、管嘴和有压管道流动现象可近似看作是从短管(孔口、管嘴)到长管(有压管道)的流动,将它们归纳在一类讨论,可以更好地理解和掌握这一类流动现象的基本原理和相互之间的区别。
第一节 孔口及管嘴恒定出流流体经过孔口及管嘴出流是实际工程中广泛应用的问题。
本节将要介绍孔口和管嘴出流的计算原理。
一、孔口出流的计算在盛有流体的容器上开孔后,流体会通过孔口流出容器,称这类流动为孔口出流。
流体经孔口流入大气的出流,称为自由出流,如图6-1所示;若孔口流出的水股被另一部分流体所淹没,称为淹没出流,如图6-2所示。
若孔口内为锐缘状,容器壁的厚度较小,或出流流体与孔口边壁成线状接触(2/≤d l ),而不影响孔口出流,称这种孔口为薄壁孔口。
本节将主要讨论薄壁孔口出流。
根据孔口尺寸的大小,可以将孔口分成小孔口与大孔口。
圆形薄壁孔口的实验研究表明,如图6-1所示,当0.1/d H ≤,称为小孔口;当10./>H d ,称为大孔口。
1.薄壁小孔口恒定出流 (1)自由出流以图6-1为例,当流体流经薄壁孔口时,由于流体的惯性作用,流动通过孔口后会继续收缩,直至最小收缩断面c c -。
第六章 孔口、管嘴出流与有压管流6-1 在水箱侧壁上有一直径50mm d =的小孔口,如图所示。
在水头H 的作用下,收缩断面流速为 6.86m/s C V =,经过孔口的水头损失0.165m w h =,如果流量系数0.61μ=,试求流速系数ϕ和水股直径c d 。
解:根据伯努利方程:22.51m 2c w V H h g=+= 流速系数0.9672c cV V V gHϕ=== 2c c Q A gH AV μ==,39.71mm cd = 6-2 图示一船闸闸室,闸室横断面面积2800m A =,有一高2m h =、宽4m b =的矩形放水孔。
该孔用一个速度0.05m/s v =匀速上升的闸门开启。
假设初始水头15m H =,孔口流量系数0.65μ=,孔口出流时下游水位保持不变。
试求(1)闸门开启完毕时闸室中水位降低值y ;(2)闸室水位与下游平齐所需要的总时间T 。
解:(1)闸门完全开启所用的时间:40s ht v== 此段时间内孔口的面积可用孔的平均面积来表示:24m A =因为40s T ==所以:2 3.796m H =,12 1.204m y H H =-=(2)闸门完全打开后,防水孔的面积:28m A bh '== 液面降到与下游液面平齐所需要的时间因为135.41s T '==所以175.41s T t T '=+=6-3 贮液箱中水深保持为 1.8m h =,液面上的压强070kPa p =(相对压强),箱底开一孔,孔直径50mm d =。
流量系数0.61μ=,求此底孔排出的液流流量。
解:根据伯努利方程:202p V h g gρ+= 215.9L/s 4Q d V πμ==6-4 用隔板将矩形水池中的水体分成左右两部分,如图所示,右半部分水面保持恒定,隔板上有直径10.1m d =的圆形孔口,位于右半部液面下1 4.8m H =处。
在左半部分的侧面与前一孔口相同的高度处开有直径20.125m d =的圆形孔口,当水池两半部分的水面稳定后,试求左半部水面高度计孔口出流流量。