孔口与管嘴出流实验

孔口与管嘴出流实验

一、实验目的要求

１．掌握孔口与管嘴出流的流速系数、流量系数、侧收缩系数、局部阻力系数的量测技能；

２．通过对不同管嘴与孔口的流量系数测量分析，了解进口形状对出流能力的影响及相关水力要素对孔口出流能力的影响。

孔口管嘴实验装置简图

1. 自循环供水器

2. 实验台

3. 可控硅无级调速器

4. 恒压水箱

5. 溢流板

6. 稳水孔板

7. 孔口管嘴(1#喇叭进口管嘴2#直角进口管嘴3#锥形管嘴4#孔口)

8. 防溅旋板

9. 测量孔口射流收缩直径移动触头10. 上回水槽11. 标尺12. 测压管

二、实验原理

流量系数

收缩系数

流速系数

阻力系数

三、实验方法与步骤

１．记录实验常数，各孔口管嘴用橡皮塞塞紧。

２．打开调速器开关，使恒压水箱充水，至溢流后，再打开1＃园角管嘴，待水面稳定后，测记水箱水面高程标尺读数Ｈ

，测定流量Ｑ（要求重复测量三次，时间尽量长些，以求准确），

1

测量完毕，先旋转水箱内的旋板，将1＃管嘴进口盖好，再塞紧橡皮塞。

及流量Ｑ，观察和量测直角３．依照上法，打开2＃管嘴，测记水箱水面高程标尺读数Ｈ

1

管嘴出流时的真空情况。

及Ｑ。

４．依次打开3＃园锥形管嘴，测定Ｈ

1

及Ｑ，并按下述7(2)的方法测记孔口收缩５．打开4＃孔口，观察孔口出流现象，测定Ｈ

1

断面的直径（重复测量三次）。然后改变孔口出流的作用水头（可减少进口流量），观察孔口收缩断面直径随水头变化的情况。

６．关闭调速器开关，清理实验桌面及场地。

７．注意事项：

（１）实验次序先管嘴后孔口，每次塞橡皮塞前，先用旋板将进口盖掉，以免水花溅开；

（２）量测收缩断面直径，可用孔口两边的移动触头。首先松动螺丝，先移动一边触头将其与水股切向接触，并旋紧螺丝，再移动另一边触头，使之切向接触，并旋紧螺丝，再将旋板开关顺时针方向关上孔口，用卡尺测量触头间距，即为射流直径。实验时将旋板置于不工作的孔口（或管嘴）上，尽量减少旋板对工作孔口、管嘴的干扰；

（３）进行以上实验时，注意观察各出流的流股形态，并作好记录。

四、实验分析与讨论

问题一.结合观测不同类型管嘴与孔口出流的流股特征，分析流量系数不同的原因及增大过流能力的途径。

参考答案:

据实验报告解答的实际实验结果可知，流股形态及流量系数如下：

园角管嘴出流的流股呈光滑园柱形，u = 0. 935；

直角管嘴出流的流股呈园柱形麻花状扭变，u = 0. 816；

园锥管嘴出流的流股呈光滑园柱形，u = 0. 934；

孔口出流的流股在出口附近有侧收缩，呈光滑园柱形，u = 0. 611。

影响流量系数大小的原因有：

（1）出口附近流股直径，孔口为，其余同管嘴的出口内径，

= 1。

（2）直角进口管嘴出流，u大于孔口，是因为前者进口段后由于分离，使流股侧收缩而引起局部真空（实际实验实测局部真空度为16cm），产生抽吸作用从而加大过流能力。后者孔口出流流股侧面均为大气压，无抽吸力存在。

（3）直角进口管嘴的流股呈扭变，说明横向脉速大，紊动度大，这是因为在侧收缩断面附近形成漩涡之故。而园角进口管嘴的流股为光滑园柱形，横向脉速微弱，这是因进口近乎流线形，不易产生漩涡之故，所以直角管嘴比园角管嘴出流损失大，u值小。

（4）园锥管嘴虽亦属直角进口，但因进口直径渐小，不易产生分离，其侧收缩断面面积接近出口面积（u值以出口面积计），故侧收缩并不明显影响过流能力。另外，从流股形态看，横向脉动亦不明显，说明渐缩管对流态有稳定作用（工程或实验中，为了提高工作段水流的稳定性，往往在工作段前加一渐缩段，正是利用渐缩的这一水力特性）。能量损失小，因此其u值与园角管嘴相近。

从以上分析可知，为了加大管嘴的过流能力，进口形状应力求流线形化，只要将进口修园，提高u的效果就十分显著。孔口及直角管嘴的流量系数的实验值有时比经验值偏大，其主要原因亦与制作工艺上或使用上不小心将孔口、管嘴的进口棱角，磨损了有关。

问题二.观察d/H > 0. 1时，孔口出流的侧收缩率较d/H < 0. 1时有何不同？

参考答案：

当d/H > 0. 1时，观测知收缩断面直径增大，并接进于孔径d，这叫作不完全收缩，实验测知，u增大，可达0. 7左右。

问题三.试分析完善收缩的锐缘薄壁孔口出流的流量系数有下列关系：

其中为韦伯数。根据这一关系，并结合其他因素分析本实验的流量系数偏离理论值（

= 0. 611）的原因。

参考答案：

薄壁孔口在完善收缩条件下（孔口距相邻壁面距离L > 3d），影响孔口出流流速v的因素有：作用水头H，孔径d，流体的密度，重力加速度g，粘滞系数u及表面张力系数，即

（1）

现利用定律分析流量Q与各物理量间的相互关系，然后推求与流量系数相关的水力要素。

因v、H、是三个量纲独立的物理量，只有：

根据定理得

（2）

（3）

（4）

（5）

根据量纲和谐原理，（2）式的量纲应为

故有

可解得：

即

同理，求得

将各值代入（1）式，有

或

又因Q = Av，则

对照流量计算公式

则流量系数应有

或表明影响流量系数有三方面因素。现结合实验结果和已有资料分析对本实验结果的影响：

（1）< 0. 1时，水流在锐缘孔口前后收缩完全，对无影响；反之> 0. 1时，收缩不完全，增大。若d/H = 1. 21/31. 5 = 0. 038 < 0. 1，则无影响。

（2）以特征长度d替代H时，很小时，（例< ），因粘滞性影响，使

降低。实验中若，表明略有影响，使值偏小。

（3）（韦伯数），代表表面张力影响。这只有当孔口小，流股细，流动慢时，表面张力影响可使降低。实际实验d = 1. 21cm，表面张力的影响很小，可略。

根据上述分析，实测值比理论值偏小，说明是合理的，不然，可能存在其他影响因素。如上问题1所述“锐缘薄壁孔口”的锐缘遭磨损，那么值就会显著增大。