流体力学 第七章 孔口、管嘴出流和有压管道(1)概述

四、影响孔口出流流量系数的因素
在边界条件中，影响的因素有：孔口形状、孔口边缘情况、孔口在壁面
上的位置三个方面。
•
孔口形状对的影响
实验证明，对于小孔口，不同形状孔口的流量系数影响不大。
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孔口边缘情况对的影响
薄壁孔口的收缩系数最小（=0.64），
孔口边缘情况对收缩系数会有影响：
圆边孔口收缩系数较大，甚至等于1。
流线形外管嘴：无收缩扩大，阻力 系 数最小。 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。 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。
第一节 薄壁小孔口恒定出流
一、薄壁孔口
薄壁孔口：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。


——孔口的流量系数，

，对于薄壁小孔口：
0.64 0.97 0.62
三、小孔口的淹没出流
取基准面O-O ，列断面1-1与断面2-2的能量方 程 p v2 p v2
1
112 2g
2 2 2 2g
2
H0
2g 因： p1 p2 pa
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 ，则该出流称为自由出流。
淹没出流：若经孔口（或管嘴，或管道出
口）流出的水流不是进入空气，而是流入下游水体中，致使出口淹没 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分：恒定出流、非恒定出流
恒定出流：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：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。
二、管嘴出流：在孔口上连接长为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。
圆柱形外管嘴：先收缩后扩大到整满管。
按 管 嘴 的 形 状 和 装 置 情 况 分
式中：
H0
——作用水头（包括行进流速）；


0
——水流经孔口的局部阻力系数；

——流速系数，
1 1 1 ，是收缩断面的实际流体流 c 0 0
速vc对理想流体流速 2 gH 0 的比值。圆形小孔口在Re很大的时候， 1 1 0.06 流速系数 0.97 ，流经小孔口的局部阻力系数 0 。 2
令 则
H1
1

1 1
H2
2g ，H1 H 2 H

2

2 2
h
H1
H H2
H0 H
v2
1 1
v2
2 2
v1
vc
v2
2g
2g
H 0 h ( 0 s )
v2
c
式中：
0
2g
1
2
——水流经孔口的局部阻力系数， ——水流由孔口流出后突然扩大的局部阻力系数，有 s (1
二、薄壁小孔口恒定自由出流
1、收缩断面与收缩系数
液流从各个方向涌向孔口，由于惯性作用， 流线只能逐渐弯曲，水股在出口后继续收缩，直 至离开孔口1/2孔径处，过流断面达到最小，此断 面为收缩断面，C—C断面。根据试验资料，收缩 断面直径dc=0.8d。
pa
H
d
收缩系数：是指收缩断面面积Ac与孔口断面面
• 孔口在壁面上的位置对的影响
孔口在壁面上的位置对收缩系数有直接的影响。
全部收缩孔口：当孔口的全部边界都不与相邻的容器底边和侧边重合时，
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，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。
pa
H d
2、根据出流条件分：自由出流、淹没出流
自由出流：若经孔口（或管嘴，或管道出口）流
Ac 2 )。 A
s
当 A Ac 时， s 1。 说明：小孔口淹没出流时的作用水头全部转化为水流流经孔口和从孔口流
出 后突然扩大的局部水头损失。
H 0 h ( 0 s )
v2
c
2g
vc
1 1
2 gH 0
0
2 gH 0
Q A
2 gH 0 A 2 gH 0
主要是流经孔口的局部水头损失。 则有h=hj=0vc2/2g。 令 则
C d C
o
， c 1.0
H0 H
v2
0 0
2g
H 0 (1 0 )
v2
c
2g
vc
1 1
2 gH 0 2 gH 0
0
Q Acv c A 2 gH 0 A 2 gH 0
积A之比，以表示。
c A 0.64 A
2、薄壁小孔口恒定自由出流的流速与流量计算
断面0-0和收缩断面C-C，列能量方程
H
p

a

v2
0 0
2g
0
p

c

v2
c c
o
pa
2 0 0
2g
2g
h
H0
H
考虑到：1）小孔口自由出流，则有pc=pa；
2）水箱中的微小沿程水头损失可忽略不计，
出的水力现象就称为孔口出流。
应用：排水工程中各类取水，泄水闸孔，以及某些量测流量设备均属孔口。 pa
H d
1、根据d/H的比值大小分：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。
式中： ——孔口淹没出流的流量系数，可取与自由出流时的流量系 数相同，即 0.62 。
注意：自由出流时，水头H值系水面至孔口形心的深度；
口
淹没出流时，水头H值系孔口上、下游水面高差。流速、流量与孔 想一想： 在水面下的深度无关，所以也无“大”，“小”孔口区别。
Q1 Q2 Q1 < Q2
Q1 Q1 = Q2 Q2
第七章 孔口、管嘴出流和有压管流
• 概念
第一节 薄壁小孔口恒定出流
一、薄壁孔口 二、薄壁小孔口恒定自由出流 三、小孔口的淹没出流 四、影响孔口出流流量系数的因素
第二节 薄壁大孔口自由出流 第三节 管嘴出流 第四节 孔口的非恒定泄流
概 念
一、孔口出流（Orifice Discharge）：在容器壁上开孔，水经孔口流