流体力学_龙天渝_流动阻力、能量损失、孔口、管嘴与有压管流
第四章流动阻力、能量损失、孔口、管嘴与有压管流
一、学习引导
1.流动阻力与水头损失的两种型式：
流体通过的边界不同，产生的阻力不同，流动阻力分为沿程阻力与局部阻力。同样，克服这些阻力产生的能量损失也分为沿程水头损失与局部水头损失。
1）流动阻力
沿程阻力：流体边界几何形状沿程不变，均匀分布在流程上的阻力称沿程阻力
局部阻力：流体边界发生突变，集中分布在突变处的阻力，如转弯、阀门、进出口、突扩。
2）能量损失
沿程水头损失：克服沿程阻力产生的能量损失，h f。
局部水头损失：克服局部阻力产生的能量损失h j。
2.流体的两种流动型态——层流和紊流
1）层流与紊流
层流：流体质点有条不紊，互不混掺的流动。
紊流：流体质点互相混掺的流动。
2）层流与紊流的判别标准
层流与紊流的判别标准为临界雷诺数。从层流到紊流时为上临界雷诺数，从紊流到层流时为下临界雷诺数。上临界雷诺数不稳定，通常取下临界雷诺数作为层流与紊流的判别标准
圆管流：ek R=2000 Re>2000紊流Re<2000层流
明渠流：ek R=500 Re>500 紊流Re<500层流
圆管流雷诺数：νυd ?=
Re 明渠流雷诺数：
νυR ?=
Re
水力半径的计算： X A R =
3.
均匀流基本方程与沿程水头损失 1）
均匀流基本方程
RJ γτ=0
适用范围：在压管流动，明渠流动。 圆管流中：
2rJ γτ=
200J
r γτ=
有： 00r r =ττ
00
r r ττ= 恒定均匀流中，有压管流的过流断面上切应力成线性分布，中心处τ最小，为零；边壁上τ最大，τ=0τ
2）沿程水头损失的计算公式
达西公式：圆管流中：
g d l h f 22υλ?
?= 明渠流动：
g R l h f 242
υλ?
?= 达西公式适用：有压管流、明渠流， 层流 、紊流 4.
圆管中的层流运动
1）流速分布
圆管中的层流运动流速分布为一个旋转抛物面：μγ4)
(20r r J u -=
最大流速位于圆管中心：r=0 ，
μγ42
0max
Jr u =
平均流速：max
22021328u Jd Jr ===μγμγυ
2）动能修正系数与动量修正数 动能修正系数：2=α 动量修正数：33.1=β 5.
紊流运动的特征和紊流阻力
1）紊流运动的特征
紊流运动最大的特点是具有脉动性与时均性。紊流在脉动中产生流体微团之间的质量、动量、能量交换，从而形成紊流扩散、紊流摩阻，紊流热传导。
x x x u t u u -=')( 若 0='='='b y x u u u
y y y u t u u -=')( 0='='='='y y x y y x x x u u u u u u u u
δδχu t u u -=')(
2）紊流阻力
紊流在运动过程中，既有紊流层间的相对运动（时均流速）引起的粘性切应力，又有脉动流速引起的脉动附加应力（雷诺应力）
即： 21τττ
+=
1τ——粘性切应力。 2τ——雷诺应力
其中：????
?
'+'=''-==)
(2
1
x x y y x u u u u u dy du ρρτμτ 3）紊流流速分布
因紊流的随机性极强，一般很难测出各时刻的脉动流速y x u u '',。紊
流产生的惯性应力主要依靠一些半经验理论，目前广泛使用普朗特混
合长度理论。
圆管紊流中，不同位置处的流体流速分布不同，流层间的应力状态不同。圆管紊流中可分为粘性底层、过渡层、紊流核心区三个部分。
①粘性底层（层流层）：紧贴固壁作层流运动的流层，其厚度
λδe R d
8.32=
。粘性底层δ较小，却极大地影响着紊流核心区的流动。粘
性底层内流体速度成旋转抛物体分布。
②过渡层：粘性底层与紊流核心之间的流层，极不稳定。 ③紊流核心：完全作紊流运动，内部流动型态又分为： 紊流光滑区： δ4.0
紊流粗糙区： δ6>?，也称水力粗糙管
紊流核心区，流速成对数分布，满足下面两种分布公式：
1
*
ln C y K
u +=
υ （a ）
?
??
???+=2**)ln(1C y K u γυυ （b ）
4）尼古拉兹实验
尼古拉兹通过人工加糙管道实验，将流动分为五个区域。 I 区：层流区， R e <2000，
e e R R
f 64
)(=
=λ
II 区：过渡区，2000
,(d R f e ?=λ；λ与R e 、d ?
均有关
Ⅴ区：紊流粗糙区， R e >4000；
)
(d f ?
=λ；λ与R e 无关，这一区
域也称阻力平方区，或自模区。
6.
工业管道紊流阻力系数的计算公式
1）、当量粗糙度：和工业管道λ相等的同直径d 人工粗糙管的粗糙度称为当量粗糙高度。
2）、尼古拉兹半经验公式：
紊流光滑区：
()
8
0281
.R lg v v e *
-==
λλ
或
()
51221
.R lg
e
λλ
=
适用于：R e =5×104~3×106
紊流粗糙区： ()
74
121
0.r lg
+?
=λ
或 ?=d .lg
7321
λ
适用于：R e >?
??
???0381r λ
3）、过渡区：柯列勃洛克根据大量的实验资料，提出λ的计算公式：
????
?
?+
?-=λλe R .d .lg 51
27321
该公式实际为尼古拉兹公式的综合，也适用于三个区域。 4）、Moody 图：1944 Moody 在此基础上泛制了工业管道的λ计算曲线，暖通专业广泛使用Moody 图，给排专业则使用舍维列夫公式。
5）布拉修斯公式：
2503164
0.e R .=
λ 光滑区 适用条件：R e <105
6）希弗井松公式：
25
0110.d .?
??
???=λ 粗糙区
7）舍维列夫公式
舍维列夫公式：新钢管：
226
022606840101590..v .d .?
?? ??+=λ（R e <2.4×106d ）
新铸铁管：
3
02840362101440..v .d .?
??
??+=λ（R e <2.7×106d ） 旧铸铁、旧铜管：s m v /2.1<
3
03
08670101790..v .d .???
??+=λ （过渡区） s m v /2.1>
30021
0.d .=
λ （粗糙区，10℃水温）
8）谢才公式：RJ c v =；
曼宁公式：6
1
1R n C =
巴甫洛夫斯基公式：
y
R n C 1=
y=2.5)1.0(75.013.0---n R n
近似公式：R<1m, y=1.5n 适用：0.1m ≤R ≤3.0m R>1m, y=1.3n 适用：0.011≤n ≤0.04 7.
局部水头损失
1）局部损失
局部损失：克服局部阻力消耗的能量，
g v h m 22
ζ
= 2）局部损失产生的原因：
①边界层与分离现象：边界突变，引起流线脱离原来的壁面，产生边界分离现象，形成漩涡点压区，并与主流不断进行质量、动量、能量的交换。
②二次流动：形成两个方向流动（纵向流、过流断面上的流动）叠力形成螺旋流。
3）突然扩大的局部水头损失与局部阻力系数：
2222
1211112
22
2
22221()(1)222(1)22m v v v v A h g g g A v v A
g g A ζζ-===-==- ，
2211)1(A A -=ζ ， 2112)1(A A -=ζ 其它管段的局部阻力数ζ通过插表选取。 二、难点分析
工业管道紊流阻力系数的计算 1）紊流光滑区 布拉修斯公式：
2503164
0.e R .=
λ 光滑区 适用条件：R e <105
尼古拉兹半经验公式：
(
(2lg 0.82lg
2.51R R ==-= 适用于：R e =5×104~3×106 Moody 图 2）紊流过渡区
柯列勃洛克公式：
????
??+
?-=λλe R .d .lg 5127321
Moody 图 舍维列夫公式：
旧铸铁、旧铜管：s m v /2.1<
3
03
08670101790..v .d .??? ??+=λ （过渡区） 3）紊流粗糙区
尼古拉兹半经验公式：
()0 3.72lg
1.742lg r d
=+=?
?
适用于：R e >
???
???0381r λ 舍维列夫公式：s m v /2.1>
30021
0.d .=
λ （粗糙区，10℃水温）
希弗井松公式：
25
0110.d .?
??
???=λ
三、习题详解：
1. 有一管径mm d 25=的室内水管，如管中流速s m v /0.1=，水温
C t 010=。（1）试判断管中水的流态；（2）管内保持层流状态的最
大流速为多少？
【解】(1)100C 时水的运动粘性系数为s m /1031.12
6-?=ν
管中的雷诺数为：
2000
191001013.1025
.00.1Re 6>=??=
=
-ν
vd
(2) 保持层流状态的最大流速就是临界流速 由于
2000
Re ==
ν
d
v K
所以 s
m v K /105.0025.01031.120006=??=-
2. 一条输水管长l ＝1000m ，管径d ＝0.3m ，设计流量Q ＝0.055m 3/s ，水的运动粘性系数为ν＝10－6m 2/s ，如果要求此管段的沿程水头损失为h f ＝3m ，试问应选择相对粗糙度Δ/d 为多少的管道。
【解】由已知数据可以计算管流的雷诺数Re 和沿程水头损失系数λ。
由水头损失
算得λ＝0.02915。
将数据代入柯列勃洛克公式，有
可以求出λ：，
3. 如图所示，密度ρ＝920kg/m3的油在管中流动。用水银压差计测量长度l＝3m的管流的压差，其读数为Δh＝90mm
流力实验实验十一孔口与管嘴出流实验
实验十一孔口与管嘴出流实验 一、实验目的 1.量测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及圆柱形管嘴内的局部真空度。 2.分析圆柱形管嘴的进口形状（圆角和直角）对出流能力的影响及孔口与管嘴过流能力不同的原因。 二、实验装置
图二孔口、管嘴结构剖面图三、实验原理
在恒压水头下发生自由出流时孔口管嘴的有关公式为: 实验测得上游恒压水位及各孔口、管嘴的过流量，利用以上5个公式，从而得出不同形状断面的孔口、管嘴在恒压、自由出流状态下的各水力系数。 根据理论分析，直角进口圆柱形外管嘴收缩断面处的真空度为 hv = Pv/ρg = 0.75H 本实验装置可实测出直角进口圆柱形外管嘴收缩断面处的真空度，打开直角进口管嘴射流，即可观测到，测管处水柱迅速降低，hv = 0.6 ~ 0.7H。。说明直角进口管嘴在进口处产生较大真空。但与经验值0.75H。相比，真空度偏小，其原因主要是有机玻璃材料的直角进口锐缘难以达到象金属材料那样的强度。 观察孔口及各管嘴出流水柱的流股形态： 打开各孔口管嘴，使其出流，观察各孔口及管嘴水流的流股形态，因各种孔口、管嘴的形状不同，过流阻力也不同，从而导致了各孔口管嘴出流的流股形态也不同：圆角管嘴出流水柱为光滑圆柱，直角管嘴为圆柱形麻花状扭变，圆锥管嘴为光滑圆柱，孔口则为具有侧收缩的光滑圆柱； 圆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（μ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μ
流动阻力和能量损失
流动阻力和能量损失 1.如图所示： （1）绘制水头线；（2）若关小上游阀门A，各段水头线如何变化？若关小下游阀门B，各段水头线又如何变化？（3）若分别关小或开大阀门A和B，对固定断面1-1的压强产生什么影响？ 解：（1）如图所示 （2）A点关小阀门，使A点局部阻力加大（A点总水头线下降更多）但由于整个管道流量减小，使整个管道除A点外损失减小，即B点局部阻力减小（B点总水头线下降，但没有原来多）各管道沿程阻力减小（总水头线坡长减小），速度水头减小（测压管水头线与总水头线之间距离减小） 同理可以讨论B点阀门关小的性质
（3）由于1—1断面在A 点的下游，又由于A 点以下测压管水头线不变，所以开大或者关小阀门对1—1断面的压强不受影响。对B 点，关小闸门，B 点以上测压管水头线上移，使1—1断面压强变大，反之亦然 2.用直径mm d 100=的管道，输送流量为s kg /10的水，如水温为5℃，试确定管内水的流态。如用这样管道输送同样质量流量的石油，已知石油密度 3 850m kg =ρ，运动粘滞系数 s cm 214.1=υ，试确定石油的流态。 解：（1）5℃时，水的运动粘滞系数s m 2 610519.1-?=υ Av Q Q ρρ==，v = () 2 31.04 10110 ?? ?π 20008386310519.1)1.0(4 1011 .010Re 6 23>=???? ??== -π υ vd 故为紊流 （2） 200013141014.1)1.0(4 8501 .010Re 4 2<=???? ?= -π 故为层流 3.有一圆形风道，管径为300mm ，输送的空气温度20℃，求气流保持层流时的最大质量流量。若输送的空气量为200kg/h ，气流是层流还是紊流？ 解 ：20℃时,空气的运动粘滞系数s m v 26107.15--?= 3205.1m kg =ρ 2000Re == υ vd s m v 105.03 .0107.1520006=??=-
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。
孔口与管嘴出流实验
实验八孔口与管嘴出流实验 一、实验目的 1、掌握测定薄壁孔口与管嘴出流的断面收缩系数ε、流量系数μ、流速系数φ、 局部阻力系数ξ的测量方法； 2、观察各种典型孔口及管嘴自由出流的水力现象，并通过对不同管嘴与孔口的流量系数测量分析，了解进口形状对过流能力的影响，及相关水力要素对孔口出流能力的影响。 二、实验原理 在盛有液体的容器侧壁上开一小孔，液体质点在一定水头作用下，从各个方向流向孔口，并 以射流状态流出，由于水流惯性作用，在流经孔口后，断面发生收缩现象，在离孔口1/2直径的地方达到最小值，形成收缩断面。 若在孔口上装一段L=(3-4)d的短管，此时水流的出流现象便为典型的管嘴出流。当液流经过 管嘴时，在管嘴进口处，液流仍有收缩现象，使收缩断面的流速大于出口流速。因此管嘴收缩断面处的动水压强必小于大气压强，在管嘴内形成真空，其真空度约为h v=0.75H0，真空度的存在相当于提高了管嘴的作用水头。因此，管嘴的过水能力比相同尺寸和作用水头 的孔口大32%。 在恒定流条件下，应用能量方程可得孔口与管嘴自由出流方程： Q=φεA(2gH0)1/2 =μA(2gH0)1/2 流量系数μ=Q/[A(2gH0)1/2] 收缩系数ε=A c/A=d2c/d2 流速系数φ=V c/(2gH0)1/2=μ/ε=1/(1+ξ)1/2 阻力系数ξ=1/φ2-1 三、实验设备 图8-1 孔口与管嘴实验装置图 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、供水管； 6、回水管； 7、孔口管嘴： (A-A图内小字标号1#为喇叭进口管嘴，2#为直角进口管嘴，3#为锥形管嘴，4#为孔口)；8、防溅旋板； 9、测量孔口射流收缩直径的移动触头；10、回水槽；11、标尺；12、测压管。
流动阻力和能量损失讲解
流动阻力和能量损失 1.如图所示：（1）绘制水头线；（2）若关小上游阀门A ，各段水头线如何变化？若关小下游阀门B ，各段水头线又如何变化？（3）若分别关小或开大阀门A 和B ，对固定断面1-1的压强产生什么影响？ 解：（1）略 （2）A 点阻力加大，从A 点起，总水头线平行下移。由于流量减少，动能减少，使总水头线与测压管水头线之间的距离减小，即A 点以上，测压管水头线上移。A 点以下，测压管水头线不变，同理讨论关小B 的闸门情况。 （3）由于1—1断面在A 点的下游，又由于A 点以下测压管水头线不变，所以开大或者关小阀门对1—1断面的压强不受影响。对B 点，关小闸门，B 点以上测压管水头线上移，使1—1断面压强变大，反之亦然。 2.用直径mm d 100=的管道，输送流量为s kg /10的水，如水温为5℃，试确定管内水的流态。如用这样管道输送同样质量流量的石油，已知石油密度3850m kg =ρ，运动粘滞系数s cm 214.1=υ，试确定石油的流态。 解：（1）5℃时，水的运动粘滞系数s m 2610519.1-?=υ Av Q Q ρρ==，v =() 231.0410110???π 20008386310519.1)1.0(41011.010Re 62 3>=??????= =-π υvd 故为紊流 （2） 200013141014.1)1.0(48501.010Re 4 2<=?????= - 故为层流 3.有一圆形风道，管径为300mm ，输送的空气温度20℃，求气流保持层流时的最大流量。若输送的空气量为200kg/h ，气流是层流还是紊流？ 解 ：20℃时,空气的运动粘滞系数s m v 26107.15--?= 3205.1m kg =ρ 2000 Re ==υvd s m v 105.03 .0107.1520006 =??=-
流体力学孔口管嘴出流实验报告
《流体力学》实验报告 开课实验室: 2013年5月17日
三、使用仪器、材料 实验仪器：孔口与管嘴出流实验仪 仪器元件：自循环供水器、实验台、无级调速器、水箱、溢流板、稳水孔板、孔口、管嘴、挡水旋板、移动触头、上回水槽、标尺、测压管、接水盒、回水管等。 流体介质：水、气，实验装置如图： T汞厦 1! ! ! ! 1 n b a ■ 四、实验步骤 1、记录参数d1=1.20cm,d2=1.20cm,d3=1.20cm,d4=1.20cm;z仁z2=19cm,z3=z4=12cm 。 2、通电充水逐一打开1-4#孔口管嘴，待液面稳定后分别测记H Q 3 、用游标卡尺测读孔口收缩断面处直径d。 4、关闭电源，将仪器恢复到实验前状态。 五、实验过程原始记录（数据、图表、计算 1. 记录计算有关参数 圆角形管嘴d仁1.20cm，直角形嘴d2=1.20cm，圆锥形嘴d3=1.20cm ； 出口高程读数Z1=Z2=19cm，出口高程读数Z3=Z4=12cm， 孔口d4=1.20cm。 分类项目1圆角形管嘴2直角形管嘴3圆锥形管嘴4孔口水面读数H1/cm 42.10 42.45 42.39 42.10 体积V/cm3 2880 2940 3166 3114 2946 3046 2832 2742 时间t/s 12.95 13.00 15.60 15.00 11.30 11.20 16.70 15.8C 流量Q/（cm3s）222.39 226.15 202.95 207.60 260.71 217.96 169.58 173.5 平均流量Q /（cmSs）224.27 205.28 266.34 171.56 作用水头H o/cm 23.10 23.45 30.39 30.10 面积A/ cm2 1.13 1.13 1.13 1.13 流量系数u 0.933 0.847 0.966 0.625
新版流体力学孔口管嘴出流实验报告-新版.pdf
《流体力学》实验报告 开课实验室：2013年5 月17日学院城环学院年级、专业、班11环工2班姓名成绩 课程名称流体力学实验 实验项目 名称 孔口管嘴出流实验指导教师 教师 评语教师签名： 年月日 一、实验目的 1.理解射流与孔口出流的特点。 2.掌握管嘴出流的水力现象。 3.灵活应用静力学的基本知识，由测压管读数推求作用水头。 4.掌握孔口、管嘴出流的流量计算公式与流量系数的大小。 二、实验原理
三、使用仪器、材料 实验仪器：孔口与管嘴出流实验仪 仪器元件：自循环供水器、实验台、无级调速器、水箱、溢流板、稳水孔板、孔口、管嘴、挡水旋板、移动触头、上回水槽、标尺、测压管、接水盒、回水管等。 流体介质：水、气，实验装置如图： 四、实验步骤 1、记录参数d1=1.20cm,d2=1.20cm,d3=1.20cm,d4=1.20cm;z1=z2=19cm,z3=z4=12cm。 2、通电充水逐一打开1-4#孔口管嘴，待液面稳定后分别测记H、Q。 3、用游标卡尺测读孔口收缩断面处直径d。 4、关闭电源，将仪器恢复到实验前状态。
五、实验过程原始记录(数据、图表、计算 1.记录计算有关参数 圆角形管嘴d1=1.20cm，直角形嘴d2=1.20cm，圆锥形嘴d3=1.20cm； 出口高程读数Z1=Z2=19cm，出口高程读数Z3=Z4=12cm， 孔口d4=1.20cm。 2.实验记录与计算 分类项目1圆角形管嘴2直角形管嘴3圆锥形管嘴4孔口水面读数H1/cm 42.10 42.45 42.39 42.10 体积V/cm32880 2940 3166 3114 2946 3046 2832 2742 时间t/s 12.95 13.00 15.60 15.00 11.30 11.20 16.70 15.80 流量Q/（cm3/s）222.39 226.15 202.95 207.60 260.71 217.96 169.58 173.54 平均流量Q‘/（cm3/s）224.27 205.28 266.34 171.56 作用水头H o/cm 23.10 23.45 30.39 30.10 面积A/ cm2 1.13 1.13 1.13 1.13 流量系数u 0.933 0.847 0.966 0.625 测管读数H2/cm ／ 1.82 ／／ 真空度H v/cm ／17.18 ／／ 收缩直径d c/cm ／／／0.972 收缩断面A c/cm2／／／0.742 收缩系数 1.0 1.0 1.0 0.66 流速系数0.93 0.85 0.97 0.95 阻力系数0.16 0.38 0.06 0.11 流股形态光滑水柱、无收 缩不光滑、紊乱水 柱 光滑水柱扭变光滑水柱、 侧收缩
7第七章流动阻力和能量损失
第七章 流动阻力和能量损失 7—1 管道直径d = 100 mm ，输送水的流量为10 kg/s ，如水温为5℃，试确定管内水流的状态。如用这管道输送同样质量流量的石油，已知石油密度ρ= 850 kg/m 3、运动粘度ν= 1.14 cm 2/s ，试确定石油流动的流态。 解：（1）2 410 m /s 1.27m /s 0.11000 Q v A π?= = =?? 62 1.51910m /s ν-=? （t = 5℃ ） 6 1.270.183********.51910ν -?= = =>?vd R e ，为湍流 （2）2 410 m /s 1.50m /s π0.1850 Q v A ?= = =?? 2 1.14cm /s ν= 15010 131620001.14 ν?= == 孔口与管嘴出流实验 Revised as of 23 November 2020 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、 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 ，测定流量Ｑ（要求重复测量三次，时间尽量长些，以求后，测记水箱水面高程标尺读数Ｈ 1 准确），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、 .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； 实验十一孔口与管嘴出流实验 实验目的 1.量测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及圆柱形管嘴内的局部真空度。 二、2.分析圆柱形管嘴的进口形状(圆角和直角）对出流能力的影响及孔口与管嘴过流能力不同的原因。 三、实验装置 三、图二孔口、管嘴结构剖面图 四、实验原理 在恒压水头下发生自由出流时孔口管嘴的有关公式为： 实验测得上游恒压水位及各孔口、管嘴的过流量，利用以上5个公式，从而得出不同形状断面的孔口、管嘴在恒压、自由出流状态下的各水力系数。 根据理论分析，直角进口圆柱形外管嘴收缩断面处的真空度为 hv=Pv/ρg=0。75H 本实验装置可实测出直角进口圆柱形外管嘴收缩断面处的真空度，打开直角进口管嘴射流，即可观测到,测管处水柱迅速降低，hv=0。6~0.7H。。说明直角进口管嘴在进口处产生较大真空.但与经验值0。75H。相比，真空度偏小，其原因主要是有机玻璃材料的直角进口锐缘难以达到象金属材料那样的强度。 观察孔口及各管嘴出流水柱的流股形态： 打开各孔口管嘴，使其出流，观察各孔口及管嘴水流的流股形态,因各种孔口、管嘴的形状不同，过流阻力也不同,从而导致了各孔口管嘴出流的流股形态也不同：圆角管嘴出流水柱为光滑圆柱，直角管嘴为圆柱形麻花状扭变，圆锥管嘴为光滑圆柱,孔口则为具有侧收缩的光滑圆柱； 圆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（μ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μ值与圆角管嘴相近. 观察孔口出流在d/H〉0.1时与在d/H〈0。1时侧收缩情况： 开大流量，使上游水位升高,使d/H〈0。1,测量相应状况下收缩断面直径dc； 再关小流量，上游水头降低，使d/H〉0。1，测量此时的收缩断面直径d c’的值，可发现当d/H〉0。1时d c’增大，并接近于孔径d,这叫作不完全收缩，此 时由实验测知，μ也增大，可达0。7左右. 四、实验步骤与方法 1.记录实验常数，各孔口管嘴用橡皮塞塞紧。 2.打开水泵开关，使恒压水箱充水,至溢流后，再打开圆柱形管嘴（先旋转旋板挡住管嘴，然后拔掉橡皮塞，最后旋开旋板)，待水面稳定后，测定水箱水面高程标尺读数，用体积 法或数显流量计（两种方法皆可）测定流量，测量完毕，先旋转水箱内的旋板，将管嘴进 口盖好，再塞紧橡皮塞。 3。打开圆锥形管嘴，测记恒压水箱水面高程标尺读数及流量,观察和量测圆柱形管嘴出流 时的真空情况。 4。打开孔口，观察孔口出流现象，测量水面高程标尺读数及孔口出流流量，测记孔口收 缩断面的直径（重复测量3次）。改变孔口出流的作用水头（可减少进口流量），观察孔 口收缩断面的直径随水头变化的情况. 实验八 孔口与管嘴出流实验 一、 实验目的 1、掌握测定薄壁孔口与管嘴出流的断面收缩系数ε、流量系数μ、流速系数φ、局部阻力系数ξ的测量方法； 2、观察各种典型孔口及管嘴自由出流的水力现象，并通过对不同管嘴与孔口的流量系数测量分析，了解进口形状对过流能力的影响，及相关水力要素对孔口出流能力的影响。 二、实验设备 图8-1 孔口与管嘴实验装置图 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、供水管； 6、回水管； 7、孔口管嘴： 8、防溅旋板； 9、测量孔口射流收缩直径的移动触头； 10、回水槽；11、标尺；12、测压管。 (A-A 图内小字标号1#为喇叭进口管嘴，2#为直角进口管嘴，3#为锥形管嘴，4#为孔口)； 三、实验原理 在盛有液体的容器侧壁上开一小孔，液体质点在一定水头作用下，从各个方向流向孔口，并以射流状态流出，由于水流惯性作用，在流经孔口后，断面发生收缩现象，在离孔口1/2直径的地方达到最小值，形成收缩断面。 若在孔口上装一段L=(3-4)d 的短管，此时水流的出流现象便为典型的管嘴出流。当液流经过 管嘴时，在管嘴进口处，液流仍有收缩现象，使收缩断面的流速大于出口流速。因此管嘴收缩断面处的动水压强必小于大气压强，在管嘴内形成真空，其真空度约为h v =0.75H 0，真空度的存在相当于提高了管嘴的作用水头。因此，管嘴的过水能力比相同尺寸和作用水头 的孔口大32%。 在恒定流条件下，应用能量方程可得孔口与管嘴自由出流方程： 0022gH A gH A Q μ?ε== 流量系数 02gH A Q =μ 收缩系数 22d d A A c c ==ε 流速系数 ξεμ?+===1120 gH V c 阻力系数 112-=? ξ 四、实验步骤 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#圆角管嘴，待水面稳定后，测定水箱水面高程标尺读数H1，用体积法(或重量法)测定流量Q(要求重复测量三次，时间尽量长些，要在15秒以上，以求准确)，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。 3、依照上法，打开2#管嘴，测记水箱水面高程标尺读数H1及流量Q ，观察和量测直角管嘴出流时的真空情况。 4、依次打开3#圆锥形管嘴，测量H1及Q 。 5、打开4#孔口。观察孔口出流现象，测量H1及Q ，并按下述注意事项b 的方法测记孔口收缩断面的直径(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、关闭开关3，清理实验桌面及场地。 五、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、以上实验时，注意观察各出流的流股形态，并作好记录。 六、实验成果及要求 1.有关常数： 直角管嘴d1= cm, 喇叭进口管嘴d2= cm,出口高程读数Z1=Z2= cm ； 锥形管嘴d3= cm ， 孔口d4= cm,出口高程读数Z3=Z4= cm 。 2.整理记录及计算表格（附表）。 七、思考题 1、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。 2、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? 3、为什么要求圆柱形外管嘴长度L=(3～4)d ，当圆柱形外管嘴长度大于或小于(3～4)d 时将会出现什么情况? 孔口与管嘴出流实验 摘要： 本实验通过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，并且掌握孔口与管嘴出流的流速系数?、流量系数μ、侧收缩系数ε、局部阻力系数ζ的量测技能。 前言： 管嘴和孔口的出流流体的形态,一直引起有关研究者的兴趣,文献[1～5]综述了这方面的工作。早在17世纪就有人开始研究,包括Bernouli,Reynolds,Barres等等许多人均在此领域有所建树,涉及流体形态特征、孔口与出流形态的影响,出流形态的显示方法等。到本世纪90年代,李文平等人[6]考察了垂直矩形薄壁孔射流轮廓的变化,指出射流的断面形状在流体的不同位置呈现不同的形态。射流轮廓由孔口处的规则矩形,随出流距离的增加发生有规律的收缩,到一定程度转换为一个近似的十字架形态,其长短轴分别为垂直取向和水平取向。在研究范围内,除了非完全收缩区外其它水面线均与孔口宽高比、模型尺寸无关。Hager[1]用摄像法记录扁矩形孔射流的出流形态,发现矩形长边垂直设置的孔口出流,流体上缘首先收缩,向侧面扩展,最后包覆流体的下部,呈现美丽的伞形;而水平设置的孔口出流的边缘,随出流距离的增加,持续发生横向收缩,其边缘增厚。槐文信等人[7]研究了双孔平面射流的吸附现象。根据两股流体间存在的相互吸附效应(Coanda效应),两股流体之间被卷吸的流体得不到补充或补充不足,则相互吸引汇成一股射流。研究指出,在两孔平面射流之间的补充流体小于其卷吸量,其内缘因此效应发生相互吸附,从而汇成一股射流。 实验装置 本实验装置如图9.1所示。 图9—1孔口管嘴实验装置图 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；8.防溅旋板；9.测量孔口射流收缩直 径的移动触头；10.上回水槽；11.标尺；12.测压管； 9-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 ，测定流量Ｑ（要求记水箱水面高程标尺读数Ｈ 1 重复测量三次，时间尽量长些，以求准确），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。 ３．依照上法，打开2＃管嘴，测记水箱水面 及流量Ｑ，观察和量测直角管嘴高程标尺读数Ｈ 1 出流时的真空情况。 ４．依次打开3＃园锥形管嘴，测定Ｈ1及Ｑ。 ５．打开4＃孔口，观察孔口出流现象，测定及Ｑ，并按下述7(2)的方法测记孔口收缩断面的Ｈ 1 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孔口与管嘴出流实验
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9-孔口与管嘴出流实验