工程流体力学课件 第06章 孔口、管嘴出流及有压管流讲解
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流体力学课件 第六章 孔口、管嘴
①根据经济流速确定已知 流量下各管段的直径，然 后计算各段的水头损失
h fi S i li Qi2
②按串联管路计算干管起点的水塔水面距地面的总水头
H h f H z z z0
（2）扩建供水系统的设计：已知管路沿线地形、水塔高度 、 Q Hz 管段长度 、控制点的自由水头 和通过流量 ，要求确定 H l 管径。 ①枝状管网各管线已知条件，算出它们各自的平均水力坡度
v 2g
2 c
H
v H0 2g
2 1
行近速度 v1 0 作用水头 H0 H
1 0.96 ~ 0.98 1 c
vc 2gH0
流速系数
3.孔口出流流量
Q vc Ac A 2gH0 Cd A 2gH0
流量系数
1
Cd 0.60 ~ 0.62
三、小孔口恒定淹没出流
Q Cd A 2g (H1 H2 )
三、空化、空蚀和管嘴使用条件
1.空化：当液流中存在低于液体饱和蒸汽压强的真空区时， 真空区内的液体会发生汽化，形成含有蒸汽的气泡的现象。 2.空蚀：若气泡随液流运动到高压区，气泡会溃灭，产生瞬时 高压（能达到几千个大气压），当气泡溃灭在管壁附近时，瞬 时高压的冲击能造成壁面材料的破坏的现象。 3.收缩截面的真空度
（2）环状管网是由多条管段互相连接成闭合形状的管道系统。 其特点是管网内任一点均可由不同方向供水，若管内任一点断 流，水可以从其他方向向下游供水，其优点是供水可靠性好， 缺点是管材消耗大、造价高。
二、枝状管网的水力计算（新建和扩建供水系统）
（1）新建供水系统的设计：已知管路沿线地形、各管段长度l 、 H 通过流量 Q 和端点的自由水头 z ，要求确定各管段直径 d 和水塔 高度H 。
h fi S i li Qi2
②按串联管路计算干管起点的水塔水面距地面的总水头
H h f H z z z0
（2）扩建供水系统的设计：已知管路沿线地形、水塔高度 、 Q Hz 管段长度 、控制点的自由水头 和通过流量 ，要求确定 H l 管径。 ①枝状管网各管线已知条件，算出它们各自的平均水力坡度
v 2g
2 c
H
v H0 2g
2 1
行近速度 v1 0 作用水头 H0 H
1 0.96 ~ 0.98 1 c
vc 2gH0
流速系数
3.孔口出流流量
Q vc Ac A 2gH0 Cd A 2gH0
流量系数
1
Cd 0.60 ~ 0.62
三、小孔口恒定淹没出流
Q Cd A 2g (H1 H2 )
三、空化、空蚀和管嘴使用条件
1.空化：当液流中存在低于液体饱和蒸汽压强的真空区时， 真空区内的液体会发生汽化，形成含有蒸汽的气泡的现象。 2.空蚀：若气泡随液流运动到高压区，气泡会溃灭，产生瞬时 高压（能达到几千个大气压），当气泡溃灭在管壁附近时，瞬 时高压的冲击能造成壁面材料的破坏的现象。 3.收缩截面的真空度
（2）环状管网是由多条管段互相连接成闭合形状的管道系统。 其特点是管网内任一点均可由不同方向供水，若管内任一点断 流，水可以从其他方向向下游供水，其优点是供水可靠性好， 缺点是管材消耗大、造价高。
二、枝状管网的水力计算（新建和扩建供水系统）
（1）新建供水系统的设计：已知管路沿线地形、各管段长度l 、 H 通过流量 Q 和端点的自由水头 z ，要求确定各管段直径 d 和水塔 高度H 。
孔口,管嘴出流和有压管路
相同点
流量计算公式的形式以及流量系数的数值均相同
不同点
两者的作用水头在计量时有所不同，自由出流时是指上游水 池液面至下游出口中心的高度，而淹没出流时则指得是上下 游水位差。
出口位置处的总水头线和测压管水头线的画法不同
短管水力计算的内容
四类问题 已知水头H、管径d，计算通过流量Q；
校核输水 能力
已知流量Q、管径d，计算作用水头H，以确定水箱、水塔水位 标高或水泵扬程H值；
经济流速——在选用时应使得给水的总成本（包括铺设水管的 建筑费、泵站建筑费、水塔建筑费及抽水经常运转费之总和） 最小的流速。
一般的中、小直径的管路大致为：
——当直径 d=100-400mm，经济流速 v =0.6~1.0m/s ——当直径 d400mm，经济流速 v =1.0~1.4m/s
3
2g
(H下3 2
H
32 上
)
b为宽 d为高
如果用孔口中心高度H作为孔口作用水头，将孔口断面 各点的压强水头视为相等，按小孔口计算的流量为
Q bd 2gH
大孔口的流量系数
孔口形状和水流收缩情况
全部不完善收缩 底部无收缩，侧向收缩较大 底部无收缩，侧向收缩较小 底部无收缩，侧向收缩极小
流量系数
圆柱形短管内形成收缩,然后又逐渐扩大
H 0 0v02 0 0 v 2 v 2 ,
2g
2g 2g
H0
1
vB2
2g
流速
vB
1
1
2gH0 2gH0
对锐缘进口的管嘴，ζ=0.5， 1 0.82
1 0.5
流量
Q vB A A 2gH0 n A 2gH0
流量计算公式的形式以及流量系数的数值均相同
不同点
两者的作用水头在计量时有所不同，自由出流时是指上游水 池液面至下游出口中心的高度，而淹没出流时则指得是上下 游水位差。
出口位置处的总水头线和测压管水头线的画法不同
短管水力计算的内容
四类问题 已知水头H、管径d，计算通过流量Q；
校核输水 能力
已知流量Q、管径d，计算作用水头H，以确定水箱、水塔水位 标高或水泵扬程H值；
经济流速——在选用时应使得给水的总成本（包括铺设水管的 建筑费、泵站建筑费、水塔建筑费及抽水经常运转费之总和） 最小的流速。
一般的中、小直径的管路大致为：
——当直径 d=100-400mm，经济流速 v =0.6~1.0m/s ——当直径 d400mm，经济流速 v =1.0~1.4m/s
3
2g
(H下3 2
H
32 上
)
b为宽 d为高
如果用孔口中心高度H作为孔口作用水头，将孔口断面 各点的压强水头视为相等，按小孔口计算的流量为
Q bd 2gH
大孔口的流量系数
孔口形状和水流收缩情况
全部不完善收缩 底部无收缩，侧向收缩较大 底部无收缩，侧向收缩较小 底部无收缩，侧向收缩极小
流量系数
圆柱形短管内形成收缩,然后又逐渐扩大
H 0 0v02 0 0 v 2 v 2 ,
2g
2g 2g
H0
1
vB2
2g
流速
vB
1
1
2gH0 2gH0
对锐缘进口的管嘴，ζ=0.5， 1 0.82
1 0.5
流量
Q vB A A 2gH0 n A 2gH0
工程流体力学PPT-6(31)
2 2 2 2 pa 1v1 pa 2v2 vc vc H1 H2 E g 2g g 2g 2g 2g
•
• 整理方程可得 断面1-1总水头
断面2-2总水头
2 vc ( H1 ) (H 2 ) ( E ) 2g 2g 2g
2 1v1
2 2 pa 1v1 pc c vc H 0 hw g 2g g 2g
• 因为水箱内的水头损失与孔口局部损失比 较可以忽略,故 h h vc2
w f
2g
式中, 为流经孔口的局部阻力系数 在小孔口自由出流情况下,可认为 pc pa 2 2 1v1 vc H ( c ) 于是, 2g 2g 2 1v1 设作用于液面的总水头为 H o H 2 g ,可得流速
容器泄空时间
• 设在t=0,t=T,液位变化H1,H2, • 液位变化时间 T Tdt 1 H A' ( z ) dz
0
A 2 g
2
H1
z
• 对于等截面容器,
T
A' ( z ) Ao
2 A0
代入上式积分
A 2g
( H1 H 2 )
当H2=0,求得容器泄空所需时间为
T 2 A0
1 1 2 l ( ) 0.5 2 d
(3)在相同直径与作用水头下,管嘴的 0.82 是 孔口出流流量系数 0.62的1.32倍,所以管 嘴出流能力较孔口要大.
2.管嘴内的真空度
• 由于管嘴在收缩断面 c-c 处存在真空的作用,下面 分析管嘴收缩断面 真空度的大小 (1)以收缩断面c-c和管嘴出 口断面2-2分别与基准线 0-0交点为控制计算点
•
• 整理方程可得 断面1-1总水头
断面2-2总水头
2 vc ( H1 ) (H 2 ) ( E ) 2g 2g 2g
2 1v1
2 2 pa 1v1 pc c vc H 0 hw g 2g g 2g
• 因为水箱内的水头损失与孔口局部损失比 较可以忽略,故 h h vc2
w f
2g
式中, 为流经孔口的局部阻力系数 在小孔口自由出流情况下,可认为 pc pa 2 2 1v1 vc H ( c ) 于是, 2g 2g 2 1v1 设作用于液面的总水头为 H o H 2 g ,可得流速
容器泄空时间
• 设在t=0,t=T,液位变化H1,H2, • 液位变化时间 T Tdt 1 H A' ( z ) dz
0
A 2 g
2
H1
z
• 对于等截面容器,
T
A' ( z ) Ao
2 A0
代入上式积分
A 2g
( H1 H 2 )
当H2=0,求得容器泄空所需时间为
T 2 A0
1 1 2 l ( ) 0.5 2 d
(3)在相同直径与作用水头下,管嘴的 0.82 是 孔口出流流量系数 0.62的1.32倍,所以管 嘴出流能力较孔口要大.
2.管嘴内的真空度
• 由于管嘴在收缩断面 c-c 处存在真空的作用,下面 分析管嘴收缩断面 真空度的大小 (1)以收缩断面c-c和管嘴出 口断面2-2分别与基准线 0-0交点为控制计算点
孔口、管嘴出流和有压管流_图文_图文
为Q=10×10-3m3/s。试求该孔口的收缩系数ε，流速系数φ，流
量系数μ和阻力系数ζ。
解①
②求μ 因为
所以 则得
（大气压），及
③ 也可由下式求出
④ 由公式知
所以
例2 一大水池的侧壁开有一直径d=10mm的小圆孔，水池 水面比孔口中心高H=5m，求：出口流速及流量。
假设：①若池壁厚度δ=40mm；②若池壁厚度δ=3mm。
孔口、管嘴出流和有压管流_图文_图文.ppt
管嘴出流的特点：
水流进入管嘴以前的流动情况与孔口出流相同，进入 管嘴后，先形成收缩断面c-c，在收缩断面附近水流与管壁 分离，并形成旋涡区 ，之后 水流逐渐扩大，直至完全充 满整个断面 ，管嘴出口断面 上水流为满管流动。
管嘴出流流段的水头损失包 括经孔口的局部水头损失和 由于水流扩大所引起的局部 损失(略去沿程水头损失）， 即：
解 首先分析壁厚δ对出流的影响： 若δ=l=(3-4)d=(30-40)mm ，则为管嘴出流，若δ=<l
便为孔口出流，当δ=3mm时为薄壁孔口出流，当δ=40mm 时为圆柱形外管嘴出流。
（2）圆柱形外管嘴的恒定出流
以图示的水箱外接圆柱形管嘴为例。设水箱的水面压强 为大气压强，管嘴为自由出流，同样也仅考虑局部阻力。 以过管轴线的水平面为基准面， 写出水箱中过水断面1-1至管嘴 出口断面2-2的能量方程：
式中 其中ζn称为管嘴出流的阻力系数，根据实验资料其值约为0.5
令
将以上两式代入能量方程，可解 得管嘴出口断面平均流速：
所以，圆柱形外管嘴的正常工作的条件是：
（1）作用水头
（2）管嘴长度
其他形式的管嘴，如扩散管嘴、收缩管嘴和流线形管嘴 等，不再一一讨论。
量系数μ和阻力系数ζ。
解①
②求μ 因为
所以 则得
（大气压），及
③ 也可由下式求出
④ 由公式知
所以
例2 一大水池的侧壁开有一直径d=10mm的小圆孔，水池 水面比孔口中心高H=5m，求：出口流速及流量。
假设：①若池壁厚度δ=40mm；②若池壁厚度δ=3mm。
孔口、管嘴出流和有压管流_图文_图文.ppt
管嘴出流的特点：
水流进入管嘴以前的流动情况与孔口出流相同，进入 管嘴后，先形成收缩断面c-c，在收缩断面附近水流与管壁 分离，并形成旋涡区 ，之后 水流逐渐扩大，直至完全充 满整个断面 ，管嘴出口断面 上水流为满管流动。
管嘴出流流段的水头损失包 括经孔口的局部水头损失和 由于水流扩大所引起的局部 损失(略去沿程水头损失）， 即：
解 首先分析壁厚δ对出流的影响： 若δ=l=(3-4)d=(30-40)mm ，则为管嘴出流，若δ=<l
便为孔口出流，当δ=3mm时为薄壁孔口出流，当δ=40mm 时为圆柱形外管嘴出流。
（2）圆柱形外管嘴的恒定出流
以图示的水箱外接圆柱形管嘴为例。设水箱的水面压强 为大气压强，管嘴为自由出流，同样也仅考虑局部阻力。 以过管轴线的水平面为基准面， 写出水箱中过水断面1-1至管嘴 出口断面2-2的能量方程：
式中 其中ζn称为管嘴出流的阻力系数，根据实验资料其值约为0.5
令
将以上两式代入能量方程，可解 得管嘴出口断面平均流速：
所以，圆柱形外管嘴的正常工作的条件是：
（1）作用水头
（2）管嘴长度
其他形式的管嘴，如扩散管嘴、收缩管嘴和流线形管嘴 等，不再一一讨论。
有压管流与孔口管嘴出流课件
压力与能量损失
压力是流体流动的动力来源，能量损失则是 流体在流动过程中因克服阻力而消耗的能量 。
压力是流体流动的重要参数，它提供了使流 体克服阻力而流动的动力。在有压管流中， 压力的损失通常是由于流体在流动过程中因 摩擦阻力而消耗的能量。这种能量损失可以 通过计算流体在管道中流动时的压差来衡量 。了解压力和能量损失对于优化管道设计和
提高流体输送效率具有重要意义。
03
孔口管嘴出流原理
孔口出流
孔口出流是一种液体通过孔口自由出流的流动方式。
孔口出流是流体在压力作用下，通过管道中的孔口流出的一种流动方式。孔口可以是圆形、方形或其 他形状，其尺寸和形状对出流流量和流动特性有重要影响。在孔口出流中，流体在孔口处受到压力的 作用，克服流动阻力，以一定的速度流出。
流速与流量
流速是指流体在单位时间内流过的距 离，流量则是指单位时间内流过某一 横截面的流体体积。
VS
流速是描述流体流动快慢的物理量， 通常以单位时间内流体流过的距离表 示。流量则是描述流体流动规模的物 理量，表示单位时间内流过某一横截 面的流体体积。在有压管流中，流速 和流量受到管道形状、尺寸、流体性 质以及压力等因素的影响。
01
水利工程
有压管流与孔口管嘴出流在水利工程中有着广泛的应用，如水力发电、
灌溉系统、排水系统等。通过合理设计，可以确保水流在管道中顺畅流
动，满足工程需求。
02
建筑给排水
在建筑给排水系统中，有压管流与孔口管嘴出流技术的应用可以有效控
制水流，保证供水稳定和排水通畅。合理设计管道系统，能够提高建筑
的使用舒适度和安全性。
理论分析。
实验研究
通过实验验证有压管流与孔口 管嘴出流的理论分析结果，并
孔口,管嘴恒定出流和有压管道恒定流
解： 有压涵管出流相当于短管淹没出流问题。
QA 2gH
Q
1
2gH 1d2
l
4
d1
2
3
4
代入已知数据，化简得：
d 5 0 .70 d 0 8 .39 7 0 18 用试算法得： d1.01m8
取标准值： d1m
虹吸管和水泵装置的水力计算
例5-4,如图，虹吸管越过山丘输水。虹吸管
l=lAB+lBC=20+30=50m,d=200mm。两水池水位差 H=1.2m，已知沿程阻力系数λ =0.03，局部水头 损失系数：进口ζe=0.5 ,出口ζs=1.0 ,弯头1的 ζ1 =0.2。弯头2、3的ζ2 = ζ3 =0.4，弯头ζ4 =0.3，B点高出上游水面4.5m，试求流经虹吸管的 流量Q和虹吸管顶点B的真空度。
c
4
0.42m 2 5 /s4
已知流量Q,管道长度l，管径d，沿程阻力系数 λ ，局部水头损失的组成，求作用水头H。
例5-2 水箱供水，l=20m，d=40mm， λ=0.03 ，
总局部水头损失系数为15。求流量Q=2.75L/s时 的作用水头H。
解：
Q 2.7 51 03
vd2 0.0242.18m8/s
同的两个弯头局部水头损失系数为0.25，闸门 全开的局部水头损失系数为0.12，沿程阻力系
数λ=0.03 ，求闸门全开时通过管道的流量Q。
解：先计算流量系数
1
c 1 l
d
1
0.2417
c 10.0 3200 0.520.2 50.12
0.4
忽略行近水头，则
Q A2gH 0.241 17 0.4229.810
2g
孔口管嘴出流与有压管流课件
有压管
模拟有压管流，通常由透明塑料 或玻璃制成，以便观察水流状态 。
压力表
用于测量管道内的压力。
实验步骤与操作
4. 使用流量计和压力表测量流量 和压力，记录数据。
2. 将水泵连接到供水管道，确保 水源充足。
05
04
03
02
01
5. 调整水泵的流量和压力，重复 实验，以获取更多数据。
3. 开启水泵，观察孔口管嘴出流 和有压管流的流动状态，记录实 验现象。
管嘴出流
管嘴出流定义
液体通过管口流出，出口侧有自由液面。
管嘴出流特点
管内压力逐渐降低，出口侧有自由液面，流动过程中有能量损失。
管嘴出流公式
流量与管径、液位高度、重力加速度有关，可用公式Q=π*D^2*v/4计算，其中D为管径，v为液 位高度。
02 有压管流
有压管流的定义
总结词
有压管流是指流体在管道中受到压力作用，具有确定的流动域，有压管流被用于将水源输送到用户家中，提供生活用水和消防用水。在供 热领域，有压管流被用于将热能传输到用户家中，提供暖气和热水等服务。在化工和石 油领域，有压管流被用于输送各种流体，如酸、碱、油等，实现原料的传输和产品的生
产。此外，有压管流还被应用于城市排水系统、农田灌溉等领域。
03
详细描述
有压管流通常发生在具有一定压力差的管道中，流体在压力作用下沿着管道方向 流动。由于管道的约束作用，流体在流动过程中会受到摩擦阻力，导致流速逐渐 减小。同时，随着管道直径的增加，流速也会相应减小。
有压管流的特性
总结词
有压管流的特性包括压力传递、连续流动、不可压缩性和粘性。这些特性使得有压管流在工业和日常生活中得到 广泛应用。
THANKS
孔口、管嘴出流和有压管流
H0
2v2 2
2g
hw
1 v l d
由此得到管道的流量为
2 gH o
A Q l d
2 gH o
由该式 看出，管道的流量取决于H0、A和Hw。A由管径
的大小决定，Hw按第四章水头损失计算方法求得。
若
1 1.0 代入式 v l d
hw h f h j
1
pa
该式说明短管水流在 自由出流的情况下， 其作用水头H0 一部分 消耗于水流的沿程水 1 头损失和局部水头损 失，另一部分转化为 管道2-2断面的流速水头。
v1
H HP v 2 H
v2
闸门
2
对于等直径管 ， 管中流速为常数v， 所以v2=v，代入上式 ，取α2=α，得
1)短管自由出流
液体经短管流动流入大气后，流束四周受到大气压的 作用，称这种流动为短管自由出流，图示为一短管自由出流。
液流从水箱 进入管径为d， 装有一个阀门并 带有两个弯头的 管路，管路总长 度为 l。
1 pa
v1
1
H HP v 2 H
v2
闸门
2
取出口中心高程的水平面为基准面 0-0，断面1-1 取在 管道入口上游水流满足渐变流条件处，2-2断面则取在管流 出口处，对断面1-1至断面2-2 的水流建立能量方程：
可见， 同一短管在自由出流和淹没出流的情况下，
其流量计算公式的形式及μc的数值均相同，但作用水头
H0 的计量基准不同，淹没出流时作用水头是以下游水面 为基准 ，自由出流时是以通过管道出口断面中心点的水
平面为基准。
3)、短管的水力计算问题
短管的水力计算包括以下几类问题： ①已知作用水头、断面尺寸和局部阻碍的组成，计算 管道输水能力，求流量； ② 已知管线的布置和必需输送的流量（设计 流量）， 求所需水头（例如：设计水箱、 水塔的水位标高H、水泵 的扬程H等）； ③ 已知管线布置，设计流量及作用水头，求管径d； ④ 分析计算沿管道各过水断面的压强。
工程流体力学 第六章 孔口、管嘴和有压管流
v2 H 00 00 n 2g 2g
v 2
1
1 v 2 gH n 2 gH n 1 n 式中：φn为管嘴流速系数 n
n 0.82
9
Q Av n A 2 gH
式中：μn为管嘴流量系数 n n 0.82
1
管嘴正常工作条件
2
孔口、管嘴出流
l 0 孔口 d
dH
dH
10
10
小孔口
大孔口
H
d
l
l 3 ~ 4 管嘴
d
3
工程实例
4
6.1 孔口出流的水力计算
1
计算特点：hf≈0
出流特点：收缩现象
H
0
d
c
0
c
1
l
一、自由出流
从 1→C 建立伯努利方程，有
vc2 H 00 00 0 2g 2g
第六章
§ 6－ 1
孔口、管嘴和有压管流
孔口出流的水力计算
§6—2 管嘴出流的水力计算 §6—3 简单管道的水力计算
1
本章所用知识点 连续性方程 能量方程 沿程水头损失 局部水头损失 重点掌握 孔口、管嘴恒定出流的水力计算 简单管路恒定流动的水力计算
虹吸管、离心式水泵的水力计算
公式比较
名称 基本公式 孔口出流
Q A 2 gH
管嘴出流
Q n A 2 gH 0
1 n n
流量系数
c 0
12
孔口、管嘴的水力特性比较
13
例1：在 H
孔口
Hn, d
孔口
6.孔口、管嘴ppt
于把管嘴的作用水头增大了75%。这就是相同直径、相同作用水头 下的圆柱形外管嘴的流量比孔口大的原因。
4）圆柱形外管嘴的正常工作条件
（1） H0≤9m 因为真空度与作用水头的关系式 pv/=0.75H0，真空度过大， 会引起气蚀现象，还可能使管嘴外的大气反吸入管嘴而破坏真空。 所以一般限制pv/ ≤7m ，故H0≤9m 。 （2）管嘴长度l=(3~4)d。
代入上式得：
1， 0.64， 0.82
2 2 2 p p p c a a 0.75H sc 2 g 0 2g 2 2g
圆柱形管嘴水流在收缩断面处出现真空，真空度为：
p
0.75H 0
pa pc
结论：圆柱形管嘴收缩断面处真空度可达作用水头的0.75倍。相当
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。
薄壁孔口（thin-wall orifice） 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。
1、根据d/H的比值大小 大孔口（big orifice） —— d/H>0.1时，沿孔口高度上水头变化。 小孔口（small orifice）—— d/H<0.1时，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。可以用孔口形心处的作用水头代替 孔口各点的作用水头。 2、根据出流条件的不同 自由出流（free discharge）—— pc=pa 淹没出流（submerged discharge）—— 孔口淹没在下游水面之下。 3、根据孔口水头变化情况， 恒定出流（steady discharge）——孔口的水头不变， 非恒定出流（unsteady discharge）——孔口的水头不断变化。
4）圆柱形外管嘴的正常工作条件
（1） H0≤9m 因为真空度与作用水头的关系式 pv/=0.75H0，真空度过大， 会引起气蚀现象，还可能使管嘴外的大气反吸入管嘴而破坏真空。 所以一般限制pv/ ≤7m ，故H0≤9m 。 （2）管嘴长度l=(3~4)d。
代入上式得：
1， 0.64， 0.82
2 2 2 p p p c a a 0.75H sc 2 g 0 2g 2 2g
圆柱形管嘴水流在收缩断面处出现真空，真空度为：
p
0.75H 0
pa pc
结论：圆柱形管嘴收缩断面处真空度可达作用水头的0.75倍。相当
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。
薄壁孔口（thin-wall orifice） 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。
1、根据d/H的比值大小 大孔口（big orifice） —— d/H>0.1时，沿孔口高度上水头变化。 小孔口（small orifice）—— d/H<0.1时，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。可以用孔口形心处的作用水头代替 孔口各点的作用水头。 2、根据出流条件的不同 自由出流（free discharge）—— pc=pa 淹没出流（submerged discharge）—— 孔口淹没在下游水面之下。 3、根据孔口水头变化情况， 恒定出流（steady discharge）——孔口的水头不变， 非恒定出流（unsteady discharge）——孔口的水头不断变化。
六章孔口管嘴出流和有压管路ppt课件
g
2g(h1 h)
2h2 g
h1(h h2 ) h2 (h1 h)
h1 h h1h2 h1h2 h2h h1 h2
§6-3 液体经孔口（管嘴）的非恒定出流
§6-3 液体经孔口（管嘴）的非恒定出流
在某时刻t，孔口的 水头为h，经孔口流 出的流量为：
Q A 2gh
dh
h H1
H2
pc
pa
0.75H0
收缩断面处的真空度为
pv pa pc
0.75H0
相当于把作用水头增加了75％。
一般规定最大真空度不超过 7 米
H0
pv
0.75
7 0.75
9m
管嘴正常工作的必要充分条件是：
1） H 0 9 米水柱
2）l (3 4)d （以保证液流封闭管嘴的末端断面）
如容器壁的厚度达到（3-4）d ,则可按管嘴来计算。
分类：
1) 圆柱形管嘴：又可分为外管嘴和内管嘴。 2) 圆锥形管嘴：
1、 圆柱形外管嘴的恒定出流
①自由出流
水进入到管嘴后，同样形成收缩，
在收缩断面 c-c 处形成旋涡区，
对 o-o 和 b-b 列伯诺里方程：
H
pa
0V02
2g
pa
0 V 2
2g
hw
§6-2 液体经管嘴的恒定出流
式中 hw 为管嘴水头损失，
上式写为：
H
0V02
2g
cVc 2
2g
0
Vc 2 2g
( c
0
)
Vc 2 2g
令
H0
H
0V0 2
2g
代入得:
§6-1 液体经薄壁孔口的恒定出流
2g(h1 h)
2h2 g
h1(h h2 ) h2 (h1 h)
h1 h h1h2 h1h2 h2h h1 h2
§6-3 液体经孔口（管嘴）的非恒定出流
§6-3 液体经孔口（管嘴）的非恒定出流
在某时刻t，孔口的 水头为h，经孔口流 出的流量为：
Q A 2gh
dh
h H1
H2
pc
pa
0.75H0
收缩断面处的真空度为
pv pa pc
0.75H0
相当于把作用水头增加了75％。
一般规定最大真空度不超过 7 米
H0
pv
0.75
7 0.75
9m
管嘴正常工作的必要充分条件是：
1） H 0 9 米水柱
2）l (3 4)d （以保证液流封闭管嘴的末端断面）
如容器壁的厚度达到（3-4）d ,则可按管嘴来计算。
分类：
1) 圆柱形管嘴：又可分为外管嘴和内管嘴。 2) 圆锥形管嘴：
1、 圆柱形外管嘴的恒定出流
①自由出流
水进入到管嘴后，同样形成收缩，
在收缩断面 c-c 处形成旋涡区，
对 o-o 和 b-b 列伯诺里方程：
H
pa
0V02
2g
pa
0 V 2
2g
hw
§6-2 液体经管嘴的恒定出流
式中 hw 为管嘴水头损失，
上式写为：
H
0V02
2g
cVc 2
2g
0
Vc 2 2g
( c
0
)
Vc 2 2g
令
H0
H
0V0 2
2g
代入得:
§6-1 液体经薄壁孔口的恒定出流
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流量 系数
H 23
h O
23
c
1
1 l
d
淹没与自 由出流相 比，作用水 头不同，管 系流量系数 相同，局部 损失中不包 含 2-2 断 面 出 口损失。
简单管道水力计算特例——虹吸管及水泵
安装高度
提水高度
压水管
1
Zs
Z
安装高度
吸水管
Z 1
2 Zs
虹吸管是一种压力管，顶部2 弯 曲且其高程高于上游供水水面。其 顶部的真空值一般不大于7~8m水柱 高。虹吸管安装高度Zs越大，顶部真 空值越大。
圆柱形外管嘴的正常工作条件
H0
7m 0.75
9m
管嘴长度为(3-4)d
P121
§6—3 有压管道恒定流动的水力计算
z1
p1
g
1v12
2g
z2
p2
g
2v22
2g
hw12
实际流体恒 定总流能量
方程
hw12
hf 12 hj
沿程损失 局部损失
已能定量分析，原则上 解决了恒定总流能量方程 中的粘性损失项。
P119
一、管嘴出流的计算
计算特点: hf 0 出流特点:
1
H
0
d
在C-C断面形成收缩，然后再扩大，逐步充满
整个断面。
1
l (3 ~ 4)d
c2 0
c2
从 1→2 建立伯努利方程，有
H
0
0
0
0
v 2
2g
n
v2 2g
v
1
n
0
2gH n 2gH
n
b
a
非l1
完
完全收缩
全 收
l2
缩
无收缩
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。
2.小孔口淹没式出流
从 1→2 建立伯努利方程，有
H1
0
0
H2
0
0
0
vc2 2g
se
vc2 2g
返回
1 水泵的水力计算
已知 流量Q，吸水管长l1，压水
管 长 l2 ， 管 径 d ， 提 水 高 度 z ，各局部水头损失系数，
沿程水头损失系数
要求 水 泵 最 大 真 空度不超过6m
确定 水泵允许安装高度
2
1 l1
1
1
3
4
5
l2
3 z
2
3
z2 2
计算 水泵扬程
水泵允许安装高度
Q，d
第6章 孔口、管嘴及有压管流
工程实例
高压管嘴
喷嘴
主要内容
孔口出流 管嘴恒定出流 短管的水力计算 长管的水力计算 离心式水泵及其水力计算
知识点与难点
★本章所用知识点 连续性方程 能量方程 沿程水头损失 局部水头损失
★重点掌握 孔口、管嘴恒定出流的水力计算 有压管路恒定流动的水力计算 离心式水泵的水力计算
概述
H d
l
l 0 孔口
d
l 3 ~ 4 管嘴
d
l 4 管路
d
d H 10 小孔口 d H 10 大孔口
4 l 1000 短管
d
l 1000 长管
d
简单管路 复杂管路
※复杂管路
串联管路 并联管路
管网
枝状管网 环状管网
孔口的分类及其与管嘴、管流的关系
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 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。
d
O 1
H
v 2 O 2
1
淹没出流 H
= =
= =
v
O
1
( z1
p1
g
1v12
2g
)
(z2
p2
g
)
作用Βιβλιοθήκη 水头HH+h 0
h
2 v22
2g
v2 2g
2
2
hf 12
l v2
d 2g
3 h O
3
hj
v2
( )
2g
1
用3-3断面作 下游断面
O1
H
v
23
h O 出口水头损失
1
n
式中： 为n 管咀流速系数， n 0.82
1 H
d
1
l (3 ~ 4)d
c2 0
c2
Q Av n A 2gH 式中： 为n 管咀流量系数， n n 0.82
★管嘴正常工作条件
l 3 ~ 4d
H 9m
例题1
一.圆柱形外伸管嘴出流 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损失，水头损失大于孔口出流。 但管嘴出流为满流，因此流量系数仍比孔口大，其出流公式为
v n 2gH0
Q n A 2gH0 n A 2gH0
H0
H
a0v02 2g
圆柱形外管嘴的局部阻力系数 0.5
n 圆柱形外管嘴的流速系数
n
1
a
v
5 1.0
0
z2
p2
g
v2 2g
[
l1 d
( 1
2 )]
v2 2g
z2
[1.0
l1 d
(1
2
)]
v2 2g
p2
g
6
4
l2
5
3
3 z
z2
6 [1.0
l1 d
(1
2
)]
v2 2g
2
2
3
1 l1
z2
1
2
1
水泵扬程 = 提水高度 + 全部水头损失
t 2F
A 2g
H1
2V Qm a x
Qmax — 开始出流的最大流量
变水头出流的放空时间，等于在起始水头作用 下流出同体积的液体所需时间的两倍。
§6—2 管嘴恒定出流
在容器孔口上连接 一段断面与孔口形状 相似，长度为(3-4)d 的短管，这样的短管 称为管嘴，液流流经 管嘴且在出口断面满 管流出的现象称为管 嘴出流。
§6—1 孔口出流
P116
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。
O
0v02
2g
H
H0
C
v0
D A
AC
vC
C
O
一 .孔口出流的计算 1
计算特点： hf 0 出流特点：收缩现象
虹吸管的优点在于能跨越高地， 减少挖方。
虹吸管长度一般不长，故按短 管计算。
水泵向单位重量液体所提 供的机械能，称为水泵的 通过扬水程泵转Ht 轮 Z转 h动w吸的水管作 h用w压水，管 在水泵进口端形成真空，使水 流在池面大气压作用下沿吸水 管上升，流经水泵时从水泵获 得新的能量，从而输入压力管， 再流入水塔。
vc
1
0 se
2gH1 H2
（与自由式出流公式完全相同）
2
gH
1
0
0
se
H H1 H2
1
H1 d
2 H
H2 0
2
l
Q Acvc A 2gH （与自由式出流公式完全相1同）
3. 大孔口恒定出流
大孔口出流的流量公式形式不变，只是相应的水头应近似取 为孔口形心处的值，具体的流量系数也与小孔口出流不同。
1)2 ]n2H0
对圆柱形外管嘴：由实验得：
0.64； n 0.82;
取a=1.0, 则得：
hvc
pa pc
g
0.75 H 0
圆柱形外管嘴收缩断面的真空度可达作用 水头的75%，管嘴的作用相当于将孔口自由出流的作用 水头增加了0.75倍，这样就提高了管嘴的出流能力。
hw
式中 E为外界（泵、风机等）加给单位重量流体的机械能。
能量损失
hw hf hj
hf
l d
V2 2g
hj
V2 2g
一、管道系统分类
1．按能量损失大小 长管：凡局部阻力和出口速度水头在总的阻力损失中，其比例不足 5％的管道系统，称为水力长管，也就是说只考虑沿程损失。 短管：在水力计算中，同时考虑沿程损失和局部损失的管道系统， 称为短管。 2．按管道系统结构 简单管道：管径和粗糙度均相同的一根或数根管子串联在一起的管 道。 复杂管道：除简单管道以外的管道系统，称为复杂管道，又可分成 ： 1）串联管道：不同管径或不同粗糙度的数段管子串联联接所组成 的管道系统。 2）并联管道：是指数段管道并列联接所组成的管道系统。
Ac A
式中： 、分别为孔口收缩系数和流量系数