流体力学第五章 孔口出流教学内容

二、管嘴出流：在孔口周边连接一长为3~4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。
圆柱形外管嘴：先收缩后扩大到整满管。
圆锥形扩张管嘴：较大过流能力，较低出口流速。 引射器，水轮机尾水管，人工降雨设备。
流线形外管嘴：无收缩扩大，阻力系数最小。水坝泄流
圆锥形收缩管嘴：较大出口流速。水力挖土机喷嘴， 消防用喷嘴。
5.1 薄壁孔口出流
l 2 d
一般孔口边缘呈刃口形 状，各种结构形式的阀 口大多都属于薄壁小孔 类型。
5.1.1 孔口出流的速度和流量计算
收缩系数
Cc
Ac A
在1-1,C-C断面列伯努利方程：
pg 12 v1 g 2 pg c 2 vc g 22 vc g 2
根 据 连 续 v1A方 1vc程 Ac C ： cvcA
速度比例尺 时间比例尺 加速度比例尺
V
v v
t
t t
l lv
v
l v
a
aavvtt
v t
v2 l
流量比例尺
q
qv qv
l3 t
l3 t
l3 t
l2v
运动粘度比例尺
v
v
l2 t
v l2
所以v1 ， CcD d2vc，pc p2，代入伯努利 理方 得程，
vc
1
1 Cc2D d 4
2p
（ 1） 对 于 小 d孔 D，口 有 d： 40 D
出流速度
vc
简化为：
vc
1
1
2 pCv
2p
其中： Cv
1
1
称为流速系数。
流量为：q v A c v c C cA v c C c C vA2 p C q A2 p
气，而是流入下游水体中，致使孔口淹没在下游水面之下，这 种情况称为淹没出流。
3.根据孔口水头变化情况，出流可分为：恒定出流、非恒定出流
恒定出流（steady discharge）：当孔口出流时，水箱中水量如能得到 源源不断的补充，从而使孔口的水头不变，此时的出流称为恒定出流。
非恒定出流（unsteady discharge）：当孔口出流时，水箱中水量得不 到补充，则孔口的水头不断变化，此时的出流称为非恒定出流。
上的沿程当量系数。（e
l 2d
）
5.2.1 厚壁孔口出流的速度和流量
v1 1 2 p1 1 2 g H C v 2 g H
q v A v C vA 2 g H C q A 2 g H
5.2.2 厚壁孔口出流系数
收缩系数 C c ： Cc 1
1
阻力系数 ： 1 2 3 0.5
流速系数 C v
其中： Cq CcCv
Cc
1
称为流量系数。
2）若d与D差距不大，则为大孔口出流
收缩系数为其经验公式
Cc 0.630.37D d4
出流速度为
2p
2gH
vc 1Cc2D d4 1Cc2D d4Cv 2gH
流速系数
Cv
1
1
Cc2
d 4 D
流量为 流量系数
2gH
qvA cvcC cA1C c 2 D d 4C qA2gH
Cq CcCv Biblioteka Cc1Cc2D d4
5.1.2 孔口出流系数
一、流速系数
C
:
v
实际流速与理想流速之比，
孔口阻力系数越大，实际流速越小，流速系数也就越小。
出流速度 ：vc11 2 pC v 2 pC v 2gH （1）
而理想流速为 ：vT
2p
2gH
（2）
比较（1）、（2）两式：
Cv
vc vT
流速系数的测定 应注意到：孔口出流进入大气后即成平抛运动。
Cq
qV qT
0.62
流速系数 C v
0.97
5.2 厚壁孔口出流
厚壁孔口：
2 l 4 d
与小孔口出流对比，其特点特点：
1. 厚壁孔口只有内收缩而无外 收缩，此时收缩系数CC=1
2. 总局部阻力系数包括三部分：a) 入口系数（相当于薄壁孔口
出流；b) c-c断面后扩张阻力系数（可按突扩计算），c) 后半段
：
Cv
1
1
流量系数 C v ： Cq Cv
0.82 0.82
5.3 几种孔口出流性能比较
出口面积和积 器不 壁等 上 Cq的 时 的大 ， 面小并不小 代。
为什么厚壁孔口流量大于薄壁孔口流量？
5.4 机械中的气穴现象
5.4.1 气穴概念
气穴产生的条件：局部地区的高速和低压。
5.4.2 节流气穴 5.4.3 泵进口处的气穴
防止泵前气穴的方法： 1. 降低吸水高度； 2. 降低吸水管、吸油管的局部沿程阻力； 3. 加大管径以降低流速；4.减少进水管输送长度。
5.5 相似原理
5.5.1 相似概念
力学相似是指实物流动与模型流动在对应点上物理量都 应该有一定的比例关系，具体包括几何相似、运动相似 及动力相似： 1）几何相似： 即模型流动与实物流动有相似的边界形 状，一切对应的线性尺寸成比例。
流量系数 C q ： 实际流量与理想流量之比。
流量为：qVCqA2 pCqA2gH（1）
而理想流量： qTA 2 pA 2gH（2）
比较（1）、（2）两式：
Cq
qV qT
可见，只qV， 要测 H和 得 A就可以Cq得 。到
收缩系数
Cc
：
Cc
Cq Cv
0.64
阻力系数
：
1 Cv2
1
0.06
流量系数 C q ：
流体力学第五章 孔口出流
一、分类
1.根据d/H的比值：大孔口、小孔口
大孔口（big orifice） ：当孔口直径d（或高度e）与孔 口形心以上的水头高H的比值大于0.1，即d/H>0.1时，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，这时的孔口称为大孔口。
小孔口（small orifice ）：当孔口直径d（或高度e）与 孔口形心以上的水头高度H的比值小于0.1，即d/H<0.1时，
如果用无上标的物理量符号来表示实物流动，用有 上标“′”的物理量符号表示模型流动。则有下述比例尺：
长 度 比 例尺 l ： ll
面 积 比例 AA A尺 ll22： l2 体 积 比例 VV V尺 ll33： l3
2）运动相似：即实物流动与模型流动的流线应该几何相似， 而且对应点上的速度成比例。
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， 这时的孔口称为小孔口。
2.根据出流条件的不同，可分为自由出流和淹没出流
自由出流（free discharge）：若经孔口流出的水流直接进入空气中，
此时收缩断面的压强可认为是大气压强，即pc=pa，则该孔口出
流称为孔口自由出流。 淹没出流（submerged discharge）：若经孔口流出的水流不是进入 空