垂直锐边孔口的自由出流特性[1]流动状态和孔结构参数对孔流系数的影响
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９卷 第９期 第５ ０ ０ ８年９月 ２
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不仅缺乏系统 性 ， 而 且 对 孔 流 机 理 的 分 析 也 不 足 。
０ ０ ７－１ ２－１ ３ 收到初稿 ，２ ０ ０ ８－０ ３－１ １ 收到修改稿 。 ２ 联系人 ： 刘艳 升 。 第 一 作 者 ： 曹 睿 （ ，女，硕 士 研 究 １ ９ ７ ３—） 生 ， 讲师 。 基金项目 ： 国家自然科学基金项目 （ ） 。 ２ ０ ４ ７ ６ ０ ５ ９
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２ 实验结果
２ １ 孔流系数随 犚 犲 狀 狅 犾 犱 狊数或液层高的变化 狔 图 ２ 和图 ３ 分别示出了不同板厚狋 下 ， 孔流系 数犆 ｅ ｎ ｏ ｌ ｄ ｓ数 犚 犲 和液层高犺 的变化规律 。 ｙ ｏ 随 Ｒ 由图可知 ， 孔流系 数 随 犚 犲 或犺 的 增 大 呈 现 出 两类不同的流动机理 。 一类曲线随 犚 犲 或犺 增大 单 调递增 ， 直至趋于某一定值 ， 类似于指数函数 。 这 一类曲线的孔径板厚比较小 ， 其流动机理可定义为 “ 小孔机 理 ” 。另一类曲线随 犚 犲 或犺 的 增 加 先 增 加 ， 再减小 ， 然 后 逐 渐 趋 于 定 值 ， 曲 线 存 在 峰 值 ， 类似于指数平方函数 。 这一类曲线的孔径板厚比较 大 ， 其流动机理可称为 “ 大孔机理 ” 。 在板厚 ８ 孔径 ． ３ ｍｍ 和 孔 径 １ ０ ｍｍ 的 实 验 （ 板厚比为 １ ） 中出现了 不 同 。 在 液 层 高 度 小 于 ． ２ ０ ５ ２ ０ ０ｍｍ 时 ， 表现为显 著 小 孔 机 理 的 特 征 ， 而 当 液 位高度超过 ２ ０ ０ｍｍ 时 ， 则清晰地表现出大孔机理 的性质 。 由此可以推断 ， 两种孔流机理不仅与孔结
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·２ １ ７ ６·
化 工 学 报 表 １ 实验孔尺寸
９卷 第５
工程 中 常 常 将 孔 流 系 数 界 定 在 ０ ． ６～０ ． ８ 之 间，当 流体湍动程度足够大后 ， 薄壁孔的孔流系数稳定在 ０ ． ６ ０～０ ． ６ ２ 左 右， 厚 壁 孔 的 孔 流 系 数 为 ０ ． ８ ２ ０或 ［ ］ ８ １ ０ 。 这些 经 验 数 据 在 过 去 粗 放 型 工 程 ０ ． ８ ６ ０ 左右 应用中已经达到了很好的效果 ， 但随着现代工程技 术的发展和控制精度要求的提高 ， 采用这些数据稍 显不足 ， 因此 ， 系统开展液体孔流的研究不仅有利 于提高这些工程装备的设计效能 ， 而且对丰富化学 工程理论也十分重要 。 孔流系数本质上反映了实际流体通过孔口的能 量损失
］ １ ４ 塔板堰上开 孔 等 都 涉 及 到 孔 流 问 题 ［ 。关于孔流
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摘要 ： 通过实验 ， 考察了 Ｒ ｅ ｎ ｏ ｌ ｄ ｓ数 、 液层高等操作参数和 孔 径 、 板 厚 等 结 构 参 数 对 垂 直 锐 边 孔 口 自 由 出 流 特 ｙ 性的影响 。 在此基础上 ， 根据孔流系数曲线的不同规律 ， 将孔流机理划 分 为 “ 大孔机理” 和 “ 小孔机理” ，并对 孔流曲线进行了分区讨论 ， 借助边界层理论 ， 探讨了 这 两 类 孔 流 过 程 的 机 械 能 损 失 差 异 以 及 孔 流 曲 线 在 不 同 操 作区的机械能损失差异 。 关键词 ： 孔流系数 ；Ｒ ｅ ｎ ｏ ｌ ｄ ｓ数 ； 液层高 ； 孔径板厚比 ； 边界层 ｙ 中图分类号 ：ＴＱ０ ２ ２ ． １ ２ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：０ ）０ ４ ３ ８－１ １ ５ ７（ ２ ０ ０ ８ ９－２ １ ７ ５－０ ６
引 言
液体通 过 板 孔 向 气 相 中 的 出 流 （ 以下简称孔 流 ） ห้องสมุดไป่ตู้流体力学中最基本的流动现象之一 ， 填料塔 液体分布器 、 穿流塔板 、 筛板塔 、 悬挂式降液管和
的系统研究报道相对较少 ， 已有一些针对实际工程 问题 而 进 行 的 实 验 以 及 简 单 经 验 关 联 的 报
］ １， ２， ４ ７ 道［ ， 但仅 限 于 特 定 的 结 构 尺 寸 和 物 性 条 件 ，
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实验用记时称重的方法测量流过孔口的液体 量 ， 确定固定液位下的孔流系数 。
１ 实 验
１ １ 设备与流程 实验流程见图 １， 水从 水槽 １ 由 泵 ２ 抽 出 ， 经 控 制 阀 ３ 进 入 缓 冲 槽 ４， 然 后 进 入 实 验 水 箱 ５， 后 经待测孔板６流出，返回 水 槽 １ 循 环 使 用。实 验 水箱是长×宽×高为４ ０ ０ ｍｍ×２ ０ ０ ｍｍ×５ ０ ０ ｍｍ 的矩 形 结 构， 实 验 孔 板 安 装 在 水 箱 底 板， 可 以 更换。
３ ． ２ ８， ６ ． １ ８， ８ ． ３ ８， １ ０ ． １ ０， ０ ． ６ ０， １ ． １ ２， １ ． ５ ２， １ ． ８ ４， １ ２ ． ０ ０， １ ５ ． ０ ０， １ ７ ． ０ ０ ２ ． １ ８， ２ ． ７ ３， ３ ． ０ ９ ３ ． ０ ２， ５ ． ０ ０， ８ ． ０ ２， １ ０ ． ０ ０， １ １ ． ８ ４， １ ５ ． ０ ０ ０ ． ３ ６， ０ ． ６ ０， ０ ． ９ ７， １ ． ２ ０， １ ． ４ ３， １ ． ８ １
檭殐
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研究论文
垂直锐边孔口的自由出流特性 （ Ⅰ） 流动状态和孔结构参数对孔流系数的影响
曹 睿 ， 刘艳升 ， 严超宇 ， 王东升 ， 仵 浩
（ 中国石油大学 （ 北京 ） 化学科学与工程学院 ， 北京 １ ） ０ ２ ２ ４ ９
檭檭殐
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１ ３ 孔流系数定义和研究方法
］ ８ 孔流系数的计算如下 ［
。 在不同结构 参 数 、 流 动 状 态 以 及 物 性
参数的交互作用下 ， 变化规律较为复杂 。 上述厚壁 孔阻力较薄壁孔小的经验数据与常规的液体流动常 识是相悖的 ， 也充分显示了孔流的特殊性 。 本文实 验 考 察 了 Ｒ ｅ ｎ ｏ ｌ ｄ ｓ数、 液 层 高、 孔 径 ｙ 板厚 比 等 影 响 因 素 ， 并 对 机 械 能 损 失 进 行 简 单 分析 。
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２ 实验结果
２ １ 孔流系数随 犚 犲 狀 狅 犾 犱 狊数或液层高的变化 狔 图 ２ 和图 ３ 分别示出了不同板厚狋 下 ， 孔流系 数犆 ｅ ｎ ｏ ｌ ｄ ｓ数 犚 犲 和液层高犺 的变化规律 。 ｙ ｏ 随 Ｒ 由图可知 ， 孔流系 数 随 犚 犲 或犺 的 增 大 呈 现 出 两类不同的流动机理 。 一类曲线随 犚 犲 或犺 增大 单 调递增 ， 直至趋于某一定值 ， 类似于指数函数 。 这 一类曲线的孔径板厚比较小 ， 其流动机理可定义为 “ 小孔机 理 ” 。另一类曲线随 犚 犲 或犺 的 增 加 先 增 加 ， 再减小 ， 然 后 逐 渐 趋 于 定 值 ， 曲 线 存 在 峰 值 ， 类似于指数平方函数 。 这一类曲线的孔径板厚比较 大 ， 其流动机理可称为 “ 大孔机理 ” 。 在板厚 ８ 孔径 ． ３ ｍｍ 和 孔 径 １ ０ ｍｍ 的 实 验 （ 板厚比为 １ ） 中出现了 不 同 。 在 液 层 高 度 小 于 ． ２ ０ ５ ２ ０ ０ｍｍ 时 ， 表现为显 著 小 孔 机 理 的 特 征 ， 而 当 液 位高度超过 ２ ０ ０ｍｍ 时 ， 则清晰地表现出大孔机理 的性质 。 由此可以推断 ， 两种孔流机理不仅与孔结
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化 工 学 报 表 １ 实验孔尺寸
９卷 第５
工程 中 常 常 将 孔 流 系 数 界 定 在 ０ ． ６～０ ． ８ 之 间，当 流体湍动程度足够大后 ， 薄壁孔的孔流系数稳定在 ０ ． ６ ０～０ ． ６ ２ 左 右， 厚 壁 孔 的 孔 流 系 数 为 ０ ． ８ ２ ０或 ［ ］ ８ １ ０ 。 这些 经 验 数 据 在 过 去 粗 放 型 工 程 ０ ． ８ ６ ０ 左右 应用中已经达到了很好的效果 ， 但随着现代工程技 术的发展和控制精度要求的提高 ， 采用这些数据稍 显不足 ， 因此 ， 系统开展液体孔流的研究不仅有利 于提高这些工程装备的设计效能 ， 而且对丰富化学 工程理论也十分重要 。 孔流系数本质上反映了实际流体通过孔口的能 量损失
］ １ ４ 塔板堰上开 孔 等 都 涉 及 到 孔 流 问 题 ［ 。关于孔流
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摘要 ： 通过实验 ， 考察了 Ｒ ｅ ｎ ｏ ｌ ｄ ｓ数 、 液层高等操作参数和 孔 径 、 板 厚 等 结 构 参 数 对 垂 直 锐 边 孔 口 自 由 出 流 特 ｙ 性的影响 。 在此基础上 ， 根据孔流系数曲线的不同规律 ， 将孔流机理划 分 为 “ 大孔机理” 和 “ 小孔机理” ，并对 孔流曲线进行了分区讨论 ， 借助边界层理论 ， 探讨了 这 两 类 孔 流 过 程 的 机 械 能 损 失 差 异 以 及 孔 流 曲 线 在 不 同 操 作区的机械能损失差异 。 关键词 ： 孔流系数 ；Ｒ ｅ ｎ ｏ ｌ ｄ ｓ数 ； 液层高 ； 孔径板厚比 ； 边界层 ｙ 中图分类号 ：ＴＱ０ ２ ２ ． １ ２ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：０ ）０ ４ ３ ８－１ １ ５ ７（ ２ ０ ０ ８ ９－２ １ ７ ５－０ ６
引 言
液体通 过 板 孔 向 气 相 中 的 出 流 （ 以下简称孔 流 ） ห้องสมุดไป่ตู้流体力学中最基本的流动现象之一 ， 填料塔 液体分布器 、 穿流塔板 、 筛板塔 、 悬挂式降液管和
的系统研究报道相对较少 ， 已有一些针对实际工程 问题 而 进 行 的 实 验 以 及 简 单 经 验 关 联 的 报
］ １， ２， ４ ７ 道［ ， 但仅 限 于 特 定 的 结 构 尺 寸 和 物 性 条 件 ，
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实验用记时称重的方法测量流过孔口的液体 量 ， 确定固定液位下的孔流系数 。
１ 实 验
１ １ 设备与流程 实验流程见图 １， 水从 水槽 １ 由 泵 ２ 抽 出 ， 经 控 制 阀 ３ 进 入 缓 冲 槽 ４， 然 后 进 入 实 验 水 箱 ５， 后 经待测孔板６流出，返回 水 槽 １ 循 环 使 用。实 验 水箱是长×宽×高为４ ０ ０ ｍｍ×２ ０ ０ ｍｍ×５ ０ ０ ｍｍ 的矩 形 结 构， 实 验 孔 板 安 装 在 水 箱 底 板， 可 以 更换。
３ ． ２ ８， ６ ． １ ８， ８ ． ３ ８， １ ０ ． １ ０， ０ ． ６ ０， １ ． １ ２， １ ． ５ ２， １ ． ８ ４， １ ２ ． ０ ０， １ ５ ． ０ ０， １ ７ ． ０ ０ ２ ． １ ８， ２ ． ７ ３， ３ ． ０ ９ ３ ． ０ ２， ５ ． ０ ０， ８ ． ０ ２， １ ０ ． ０ ０， １ １ ． ８ ４， １ ５ ． ０ ０ ０ ． ３ ６， ０ ． ６ ０， ０ ． ９ ７， １ ． ２ ０， １ ． ４ ３， １ ． ８ １
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研究论文
垂直锐边孔口的自由出流特性 （ Ⅰ） 流动状态和孔结构参数对孔流系数的影响
曹 睿 ， 刘艳升 ， 严超宇 ， 王东升 ， 仵 浩
（ 中国石油大学 （ 北京 ） 化学科学与工程学院 ， 北京 １ ） ０ ２ ２ ４ ９
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１ ３ 孔流系数定义和研究方法
］ ８ 孔流系数的计算如下 ［
。 在不同结构 参 数 、 流 动 状 态 以 及 物 性
参数的交互作用下 ， 变化规律较为复杂 。 上述厚壁 孔阻力较薄壁孔小的经验数据与常规的液体流动常 识是相悖的 ， 也充分显示了孔流的特殊性 。 本文实 验 考 察 了 Ｒ ｅ ｎ ｏ ｌ ｄ ｓ数、 液 层 高、 孔 径 ｙ 板厚 比 等 影 响 因 素 ， 并 对 机 械 能 损 失 进 行 简 单 分析 。