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1、Fluid Mechanics and Machinery 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械工学流体力学课件 孔口管嘴、堰流与闸孔出流 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望Fluid Mechanics and Machinery 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械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
2、力计算方法。第十章第十章 孔口管嘴、堰流与闸孔出流孔口管嘴、堰流与闸孔出流引言Fluid Mechanics and Machinery 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械第一节 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。第十章第十章 孔口管嘴、堰流与闸孔出流孔口管嘴、堰流与闸孔出流Fluid Mechanics and Machinery 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械第一节第一节 孔口出流孔口出流（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（
3、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。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 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械第一节第一节 孔口出流孔口出流 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
4、 淹没在下游液面之下。Fluid Mechanics and Machinery 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械2 薄壁小孔口的自由出流 第一节第一节 孔口出流孔口出流 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 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械列 A-A 断面与 c-c 断面间的能量
5、方程：式中 令：称为作用水头。称为行进水头。第一节第一节 孔口出流孔口出流Fluid Mechanics and Machinery 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械第一节第一节 孔口出流孔口出流时是理想流体的流动；这时 。且无损失情况下，即其中 为流速系数。若令 其中为流量系数Fluid Mechanics and Machinery 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械3 孔口类型 第一节第一节 孔口出流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
6、 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。Fluid Mechanics and Machinery 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械2 薄壁小孔口的淹没出流 第一节第一节 孔口出流孔口出流取上下游自由液面 1-1 及 2-2，列能量方程：Fluid Mechanics and Machinery 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械第一节第一节 孔口出流孔口出流对薄壁小孔口：孔口自由出流与淹没出流其公式形
7、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 则 Fluid Mechanics and Machinery 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械第二节 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。第十章第十章 孔口管嘴、堰流与闸孔出流孔口管嘴、堰流与闸孔出流Fluid Mechanics and Machinery 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械第二节第二节 管嘴的恒定出流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
8、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。1 管嘴恒定出流 Fluid Mechanics and Machinery 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械第二节第二节 管嘴的恒定出流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Fluid Mechanics and Machinery 流流 体
9、体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械第二节第二节 管嘴的恒定出流管嘴的恒定出流Fluid Mechanics and Machinery 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械第二节第二节 管嘴的恒定出流管嘴的恒定出流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 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械2 管嘴真空现象 第二节第二节 管嘴的恒定出流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
10、列能量方程Fluid Mechanics and Machinery 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械第二节第二节 管嘴的恒定出流管嘴的恒定出流Fluid Mechanics and Machinery 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械第二节第二节 管嘴的恒定出流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 流流 体体 力力 学学 与
11、与 流流 体体 机机 械械3 圆柱形外管嘴的正常工作条件第二节第二节 管嘴的恒定出流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
12、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H09m ；（2）管嘴长度L(34)d。Fluid Mechanics and Machinery 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械例题一例题一P217：10-1Fluid Mechanics and Machinery 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械第三节 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
13、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。第十章第十章 孔口管嘴、堰流与闸孔出流孔口管嘴、堰流与闸孔出流Fluid Mechanics and Machinery 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械第三节 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Flui
14、d Mechanics and Machinery 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械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 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械第三节 堰流3 堰流分类 薄壁堰 按堰 比值范围将堰分为薄壁堰、实用堰、宽顶堰三类。薄壁堰主要用作测量流量的设备。水舌不受堰宽的影响，
15、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 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械 实用堰第三节 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 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械第三节 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。宽顶堰Fluid
16、Mechanics and Machinery 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械堰流的分类堰流的分类堰的堰的外形及厚度外形及厚度不同，其能量损失及过水能力也会不同不同，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HHH按按/H分类分类/H0.67 薄壁堰流薄壁堰流0.67/H2.5 实用堰流实用堰流2.5/H10 宽顶堰流宽顶堰流曲线形曲线形折线形折线形有坎有坎无坎无坎Fluid Mechanics and Machinery 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械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
17、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 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械4 堰流基本公式第三节 堰流以薄壁堰为例进行推导列12的伯努利方程令令 （作用水头作用水头）Fluid Mechanics and Machinery 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械第三节 堰流则则堰流基本公式1Fluid Mechanics and Machinery 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械第三节 堰流堰流基本公式2Fluid Mechanics and Machinery
18、流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械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。m0采用经验公式计算。Fluid Mechanics and Machinery 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械第三节 堰流矩形堰三角堰 梯形堰Fluid Mechanics and Machinery 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械（2）
19、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淹没系数侧收缩系数Fluid Mechanics and Machinery 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械（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。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 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机
20、 械械第三节 堰流式中：一般由经验公式确定。自由式淹没式流量计算公式Fluid Mechanics and Machinery 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械kkh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 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械第四节 闸孔出流第十章第十章 孔口管嘴、堰流与闸孔出流孔口管嘴、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
21、门。Fluid Mechanics and Machinery 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械据实验，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 M
22、achinery 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械1 底坎为宽顶堰型的闸孔出流第四节 闸孔出流过过闸闸流流量量闸闸宽宽闸闸孔孔全全水水头头流流量量系系数数淹淹没没系系数数闸闸门门开开启启高高度度Fluid Mechanics and Machinery 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械2 底坎为曲线型实用堰的闸孔出流第四节 闸孔出流He流量系数平板闸门弧形闸门Fluid Mechanics and Machinery 流流 体体 力力 学学 与与 流流 体体 机机 械械本章小结本章小结 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：注意：出流现象出流现象