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，

，测定流量Ｑ（要求重复测量三次，时间尽量长些，以求准确），测记水箱水面高程标尺读数Ｈ

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的效果就十分显着。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，那么值就会显着增大。