最新2019-水力学第8章孔口出流-PPT课件
水力学 (完整版)PPT
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第一章 绪论
1.3 作用在液体上的力
1.3.1 表面力定义
表面力是作用于液体的表面上的力，是相邻液体 或其他物体作用的结果，通过相互接触面传递。
表面力按作用方向可分为： 压力： 垂直于作用面。 切力： 平行于作用面
lim p
P
A0 A
lim
T
A0 A
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第一章 绪论
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第一章 绪论
第1章 绪 论 第2章 水静力学 第3章 液体运动学 第4章 水动力学基础 第5章 流动阻力和水头损失 第6章 量纲分析与相似原理 第7章 孔口、管嘴出流和有压管流 第8章 明渠均匀流 第9章 明渠非均匀流 第10章 堰流及闸孔出流 第11章 渗流
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第一章 绪论
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第一章 绪论
Isaac Newton(1642-1727)
➢ Laws of motion
➢ Laws of viscosity of Newtonian fluid
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第一章 绪论
19th century
Navier (1785-1836) & Stokes (1819-1905)
N-S equation
viscous flow solution
Reynolds (1842-1912) 发现紊流（Turbulence） 提出雷诺数（ReynoldsNumber）
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第一章 绪论
20th century
Ludwig Prandtl (1875-1953) Boundary theory(1904)
孔口(管嘴)出流、堰顶溢流和闸孔出流_水力学
第八章 孔口（管嘴）出流、堰顶溢流和闸孔出流1、当 H =2 m ，δ=0.6 m ，如图所示的的建筑物为实用堰。
( )2、当水头及其它条件相同时，薄壁堰的流量大于实用堰的流量。
( )3、只要下游 水位超过宽顶堰堰顶，一定是淹没出流。
( )4、两个WES 型实用堰，堰高大于三倍水头，它们的设计水头不等，即d2d1H H ≠，但泄水时d11H H =，d22H H =，则它们的流量系数 m 1=m 2。
( )5、无侧收缩与收缩的实用堰，当水头、堰型及其它条件相同时，后者通过的流量比前者大。
( )6、锐缘平面闸门的垂向收综系数'ε 随相对开度He的增大而 ( )(1) 增大 (2) 减小 (3) 不变 (4) 不定7、当实用堰水头 H 大于设计水头 H d 时，其流量系数 m 与设计流量系数 m d 的关系是 ( ) (1) m =m d (2) m > m d (3) m < m d (4) 不能确定8、平底渠道中弧形闸门的闸孔出流，其闸下收缩断面水深 h c0 小于下游水跃的跃前水深 h 1，则下游水跃的型式为 ( )(1) 远离式水跃 (2) 临界式水跃 (3) 淹没式水跃 (4)无法判断9、有两个 WES 型实用堰(高堰)，它们的设计水头分别为 H 1=H d1，H 2=H d2，则它们的流量系数 m 1 与 m 2 之间的关系为 ( ) (1) m 1 > m 2 (2) m 1 < m 2 (3) m 1=m 2 (4)无法确定10、WES 型实用堰 (高堰)，当水头等于设计水头 H d 时，其流量系数 m 等于 ( ) (1) 0.385 (2) 0.49 (3) 0.502 (4) 0.6511、闸孔自由出流的流量公式为 ( ) (1) 230v 2H g mnb q ε= (2) 23v 2H g mnb q σε=(3) )(20v e H g nbe q εμ'-= (4) )(20v e H g mnbe q ε'-=12、宽顶堰的总水头 H 0=2 m ，下游水位超过堰高度 h a =1.0 m ，此种堰流为_______________出流。
水力学 孔口出流
3、在湍流过渡区：工业管道实验曲线和尼古拉兹试验曲线
存在较大差异。这表现在工业管道实验曲线的过渡区在较 小Re的下就偏离光滑曲线，且随着Re的增加平滑下降，而
尼古拉兹试验曲线则存在着上升部分，造成这种差异的原
因在于两种管道粗糙均匀性的不同。
Lg（100λ）
1 d 30 1 d 61 1 d 120 1 d 252 1 d 504 1 d 1014
y
可以看出：水流中某空间点 的瞬时流速虽然随时间不断变化， 但始终围绕某一平均值不断跳动， 这种跳动称为脉动，这一平均值 称作时间平均流速（时均流速）。
uy A ux x ux A u x1 O T1 T ux ux t ux
ux(t)曲线 B
1 T u x o u x dt T
时均流速和所取时段长短有 关，如时段较短（T1），则时均 流速为 u x1 ；如时段较长（T）， 则时均流速为 ux 。
一部分：可将液体分层，因为各液层的时均流速不同，存在相 对运动，各液层间也存在粘性切应力。
du 1 dy
二部分：湍流中流体质点存在脉动，在液层分界面上产生了 湍流附加切应力。
2 u u
' x
' y
混合长度理论
在湍流里，质点被横向脉动流速运移某一横向距离L后， 这个质点才会在新的的地点与四周的质点互相混合，从而 失去他原来的特征（如动量），结果是该质点具有与四周 质点同样的特征，这个横向距离L叫做自由运移长度。 根据实验结果：
1 u ln y c 积分得： u k
（湍流流速分布公式）
5.5.5 圆管湍流流核与粘性底层
在紊流中紧靠管壁附近这一 薄层称为粘性底层；在粘性底层 之外的液流，统称为湍流流核。 在这两液流之间还存在一层极薄 的过渡层。
水力学PPT课件
§1-4 液体的主要物理性质
§1-5 作用在流体上的力
第一章 绪
论
§1-1绪 论
一、水力学的定义：
用这
水力学是研究液体的运动规律，以及如何运 些规律来解决工程实际问题的科学。
水力学包括：
⑴水力学基础：
主要是研究液体在各种情况下的平衡运动规律 ，为研究的方便起见，该内容又分为流体静力学和流体 动力学。
3、内摩擦力的大小：
⑴、与相邻运动液体层的接触面积成正比
⑵、与速度梯度成正比
⑶、视液体的性质而定
⑷、与压力的大小无关
第一章 绪
4论、牛顿内摩擦定律：
F A du dy
F A du
dy
单位面积上的力，称为切应力τ。
F du
A dy
μ——液体性质的一个系数，称为粘性系数或动力 粘性系数 （单位：N·S/m2)
三、水力学在给排水工程中的应用
1、供水工程方面：管网和渠道中的水力计算；
2、水处理厂：各构筑物间的衔接和水流情况；
3、环境的分析和预测：污水排入河中混合情况。
第一章 绪 论
四、课程的性质和学习方法
性质：为应用科学，专业基础课，即有理论也 有实验。
方法：除理论推导外，实验也不可忽视。
五、教学参考书:
第一章 绪 论
§1-3 量纲、单位
一、量纲：表示物理量的特征。
如：长度、时间、质量等。在科学文献中，一般 用〔〕符号来表示量纲。例如〔长度〕或〔L〕。
二、量纲的分类：基本量纲和导出量纲。
1、基本量纲：必须具有独立性，即一个量纲不能从 其它基本量纲推导出来，也就是不依赖于其它基本 量纲。
如〔L〕、〔T〕和〔M〕是相互独立的，不能从〔
水力学第八章 有压管道恒定流动和孔口、管嘴出流
=
80 64 64 == v 2 vd Re
沿程水头损失
h f
l v2 4R 2 g
=
64 l v 2 Re d 2 g
注意到分母中的雷诺数含有断面平均流速的一次项，所以圆 管层流流动的沿程水头损失与断面平均流速的一次方成正比。
l
p A p A =0 l
1 2
p p A =J R 0 = l
1 2
水力半径
R= A
该段的沿程水头损失
hf = 1
( p1 p 2) =
0 l R
它计算断面平均流速会带来什么问题？
流速分布
断面平均流速
沿程水头损失
层 流
Re <2300
J ux= (r02 r 2) 4
v=
J 2 r0 8
=
64 Re
u x =v (2.5 ln
光滑管区
yv +5.5)
5 = 0.3164 (Re <10 )
0
根据试验资料将常 +1.68 数略加修改
2
=
1
2
粗糙圆管流动沿程水头损失系数完全 粗糙圆管流动沿程水头损失系数完全 由粗糙度决定，而与雷诺数无关。 由粗糙度决定，而与雷诺数无关。
r0 2 lg +1.74 ks
lg( 100 )
尼古拉兹试验曲线
Re1/ 4
紊 流
Re >2300
Re <5
过渡粗糙管区
v =v (2.5 ln
r0 v +1.75)
薄壁小孔口恒定自由出流流量计算Hppt课件
A为管道出口的断面面积；
λi，Li，di，Ai，ξi分别为任一管道的沿程水头损失系数、管 长、管径、断面面积和局部水头损失系数。
2、水面下淹没出流
在淹没出流情况下，下游水位高低将直接影响管道输水能力的大小。
以下游水面为基准面，对断面1和2列能量方程，其中v2≈0，
z0
hw
(
l d
) v2
2g
流速 v
1 c 0
ψ称为孔口的流速系数，一般取αc=1
流量 Q Ac 2gH0 A 2gH0 A 2gH0 μ称为孔口流量系数。
实验测得孔口流速系数：φ= 0.97～0.98
孔口的局部阻力系数：
0
1
2
1
1 0.9 72
0.06
孔口的收缩系数： Ac / A 0.64
孔口的流量系数： μ= 0.60～0.62
Ｈ
Ｈ
Ｈ
§5－1 孔 口 出 流
一、孔口分类： 1、按孔壁厚度和形状分类：
薄壁孔口： 具有尖锐的边缘，出流与孔壁仅接触在一条线上， 出流仅受局部阻力作用；
非薄壁孔口：孔壁厚度和形状使出流与孔壁接触不仅在一条线 上，出流同时受局部阻力和沿程阻力作用。
Ｈ
2、按薄壁孔口高度与水头H的比值分类：
大孔口： H/d＜10，大孔口的上部与下部各点水头有明显差
v
l d
2 gH 0
流量 Q VA c A 2gH0
自由出流的短管的基本公式
管道的流量系数
c
1
l d
当忽略行近流速时，流量计算公式变为
Q c A 2gH
H
如果管道是由不同管径的几段连成：
短管的基本公式 Q VA c A 2gH
水力学课件-堰流及闸孔出流
（3）第一次近似计算流量 hs 0.94 查表8.2得σs1=0.70 设H01=H=0.85m， H 01
（4）第二次近似计算流量
2 2 2 V Q 1 . 0 8 0 1 1 H H H 0 . 8 5 0 . 8 7 m 0 2 2 2 2 g 2 g A 1 9 . 6 ( 1 . 2 8 1 . 3 5 ) 0 hs 0.92 查表8.2得σs2=0.78 H 02
3 Q m b 20 g H . 7 8 0 . 3 4 6 6 1 . 2 8 1 9 . 6 0 . 8 7 1 . 2 4 m / s 2s 2 0 2
3 2 3 2
（5）第三次近似计算流量
2 2 2 V Q 1 . 2 4 0 2 2 H H H 0 . 8 5 0 . 8 8 m 0 3 2 2 2 g 2 g A 1 9 . 6 ( 1 . 2 8 1 . 3 5 ) 0 h s 0.91 查表8.2得σs3=0.82 H 03
H 0 1 2 [ K ( n 1 ) K ] 1 a P n b
淹没条件：
hs 0 .1 5 H 0 P2 2 H 0
hs ht
H
返回
宽顶堰流的水力计算
Q m b2 g H s 1 0
3 2
流量系数
m 0.32 0.01
3
P1 H
0.46 0.75 0
3 2 2 Q m b 20 g H . 8 2 0 . 3 4 6 6 1 . 2 8 1 9 . 6 0 . 8 8 1 . 3 3 m / s 4s 4 0 3
3 3
Q Q 1 .3 3 1 .3 3 4 3 0 Q 1 .3 3 4
第八章孔口(管嘴)出流、堰顶溢流和闸孔出流_水力学
第八章 孔口（管嘴）出流、堰顶溢流和闸孔出流( )( ) 3、只要下游 水位超过宽顶堰堰顶，一定是淹没出流。
( )4、两个WES 型实用堰，堰高大于三倍水头，它们的设计水头不等，即d2d1H H ≠，但泄水时d11H H =，d22H H =，则它们的流量系数 m 1=m 2。
( )5、无侧收缩与收缩的实用堰，当水头、堰型及其它条件相同时，后者通过的流量比前者大。
( )6、锐缘平面闸门的垂向收综系数'ε 随相对开度He的增大而 ( )(1) 增大 (2) 减小 (3) 不变 (4) 不定7、当实用堰水头 H 大于设计水头 H d 时，其流量系数 m 与设计流量系数 m d 的关系是 ( ) (1) m =m d (2) m > m d (3) m < m d (4) 不能确定8、平底渠道中弧形闸门的闸孔出流，其闸下收缩断面水深 h c0 小于下游水跃的跃前水深 h 1，则下游水跃的型式为 ( )(1) 远离式水跃 (2) 临界式水跃 (3) 淹没式水跃 (4)无法判断9、有两个 WES 型实用堰(高堰)，它们的设计水头分别为 H 1=H d1，H 2=H d2，则它们的流量系数 m 1 与 m 2 之间的关系为 ( ) (1) m 1 > m 2 (2) m 1 < m 2 (3) m 1=m 2 (4)无法确定10、WES 型实用堰 (高堰)，当水头等于设计水头 H d 时，其流量系数 m 等于 ( ) (1) 0.385 (2) 0.49 (3) 0.502 (4) 0.6511、闸孔自由出流的流量公式为 ( ) (1) 230v 2H g mnb q ε= (2) 23v 2H g mnb q σε=(3) )(20v e H g nbe q εμ'-= (4) )(20v e H g mnbe q ε'-= 12、宽顶堰的总水头 H 0=2 m ，下游水位超过堰高度 h a =1.0 m ，此种堰流为_______________出流。
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H2＝0时，即得容器放空时间为
2 t
H1
2H1
2V
A 2g A 2gH1 Qmax
式中 V――容器放空的体积； Qmax――开始出流时的最大流量。
8.2 管嘴出流
●圆柱形外管嘴恒定出流 ●收缩断面的真空 ●圆柱形外管嘴的正常工作条件
在孔口上连接一段短管，即形成了的管嘴。
应用管嘴的目的是为了增加孔口出流的流量，或者是为了增加 或减小射流的速度。
不全部收缩是不符合全部收缩的条件； 如图中Ⅲ、Ⅳ两孔。
在相同的作用水头下，不全部收缩的
收缩系数 ε 比全部收缩时大，其流量系数 μ′ 值亦将相应增大。
全部收缩的孔口分为： 完善收缩：凡孔口与相邻壁面或液面的距离大于或等于同
方向孔口尺寸的3倍(图中l1≥3a及l2≥3b)，孔口出流的收缩不受 壁面或液面的影响。如图中I孔。
2、淹没出流
由于惯性作用，水流经孔口流束形成收缩断面c－c，然后扩大。
列上、下游自由液面1－1和2－2的能量方程。式中水头损失项
包括孔口的局部损失和收缩断面c－c至2－2断面流束突然扩大局部
损失。
H 12 1v g1 2H 22 2g v2 212 vc g 222 vc g 2
令
H0 H121vg12 H222gv22
不完善收缩：不符合完善收缩条件的。如图中Ⅱ孔。
问题1：薄壁小孔淹没出流时，其流量与 （ C）有关。
A、上游行进水头；
B、下游水头；
C、孔口上、下游水面差； D、孔口壁厚。
问题2：请写出下图中两个孔口Q1和Q2的流量关系式（A1＝ A2）。（填>、< 或＝）
图1 图1：Q1<Q2；
图2 图2：Q1＝Q2。
四、孔口非恒定出流（孔口的变水头出流）
解决问题的思路：若容器水面积比孔口面积大得多，H随时间 变化较缓慢，可将整个非恒定出流过程划分成许多微小时段，将各 微小时段dt内的流动近似看成恒定流，然后进行叠加。把非恒定流 问题转化为恒定流问题处理。
设在某t时刻，孔口水头为h，容器内水表面积为Ω，孔口面积 为A，该时刻孔口出流的流量为：
Q A 2gh
在dt时段内经孔口流出的液体体积为
QdtA 2ghdt
根据质量守恒定律，dt时段流出的液体体积应等于该时段内容 器内水量的减少量Ωdh。
Q dtA2ghdt dh
则
dt dh
A 2g h
对上式积分，得到水位由H1降至H2所需时间
t H H 1 2 A 2 g d h h A 1 2 gH H 1 2 d h h A 2 2 gH 1 H 2
在收缩断面c－c前后，流股与管壁分离，中间形成旋涡区， 产生负压，出现真空现象。
整理得
vc
1
12
2gH02gH0
Q v cA c A2 g H 0A2 g H 0
Q v cA c A2 g H 0A2 g H 0
上两式中 H0――作用水头，当出口两侧容器较大，v1≈v2≈0，则
H0＝H1－H2＝H；
ζ1――孔口的局部阻力系数，与自由出流相同；
ζ2――液流在收缩断面后突然扩大的局部阻力系数，当
8.1 孔口出流
一、孔口出流分类
1、按孔口大小与其水头高度的比值分
小孔口出流：若孔径d（或孔高e）＜ H/10 大孔口出流：若孔径d（或孔高e）≥ H/10
2、按孔口作用水头（或压力）的稳定与否分
恒定孔口出流：出流水头不变 非恒定孔口出流：出流水头变化
3、按出口出流后的周围介质分
自由出流：若液体经孔口流入大气，称自由出流。 淹没出流：液体经孔流入充满液体的空间，称淹没出流。
水力学教学课件
主讲教师：刘伟 答疑地点：综合实验楼106
第八章 孔口、管嘴出流与堰流
本章为连续性方程、伯努利方程和水头损失 规律的具体应用。
本章学习要点 1、孔口、管嘴出流的特点。 2、孔口、管嘴出流的水力计算。
Байду номын сангаас
• 孔口、管嘴出流：沿流动方向边界长度 很小，只需考虑局部损失，不计沿程损
失。例：门窗过流、节流孔板、消火栓、 水龙头等。
4、按孔壁的厚度分
薄壁孔口：液流与孔壁仅在一条周线上接触，壁厚对出流无影 响。
厚壁孔口（管嘴）：当孔壁厚度和形状使流股收缩后又扩开， 与孔壁接触形成面而不是线，称这种孔口称为厚壁孔口(管嘴)。
孔口出流：计算特点：hf≈0；出流特点：收缩断面
二、薄壁小孔口恒定出流
1、自由出流
液体从各个方向涌向孔口，由于惯性作用，流 线只能逐渐弯曲，在孔口断面上仍然继续弯曲且向 中心收缩，直至出流流股距孔口d/2 处，过流断面 收缩达到最小，此断面即为收缩断面c—c断面。自 收缩断面后，液体质点受重力作用而下落。
A2>>Ac时，ζ2＝(1－Ac/A2)2≈1；
φ――淹没孔口的流速系数，
1
1 2
1
11
μ――淹没孔口的流量系数，μ＝εφ。
孔口出流各项系数
对于薄壁小孔口，试验证明，不同形状孔口的流量系数差别不大。 但孔口在壁面上的位置对收缩系数却有直接影响。
全部收缩是当孔口的全部边界都不与容器的底边、侧边或液面 重合时，孔口的四周流线都发生收缩的现象；如图中I、Ⅱ两孔。
通过收缩断面形心引基准线0-0，列出A-A及C-C两断 面的能量方程。
A
pa
a
A
v
2 A
2g
A
ZAp A2 A g vA 2Zcp c2 cv gC 2hw
H0
H
0
d
对薄壁孔口来说
hw
hm
1
vc2 2g
,
C
0 移项整理得：c12 vc g 2ZAZCpApCA 2g vA 2
C
解vc得：vc
1
ac1
2gH 0 (512)
令： H0
HAvA2
2g
H0称为作用水头，是促使出流的全部能量。
令： 1 ac 1
φ称为流速系数
孔口出流流量公式 QvcAc 令 Ac A ε为断面收缩系数
Q vcAA 2gH 0 令 μ为流量系数
QA 2gH0
通过实验测得，对圆形薄壁小孔口
流速系数，φ =0.97～ 0.98 断面收缩系数，ε =0.62～ 0.64 流量系数，μ =0.60～ 0.62
管嘴的基本型式： (a)圆柱形外管嘴 (b)圆柱形内管嘴 (c)圆锥形收敛管嘴 (d)圆锥形扩张管嘴 (e)流线形管嘴 着重介绍圆柱形外管嘴的恒定出流。
一、圆柱形外管嘴恒定出流
当孔口壁厚l＝(3～4)d时，或者在孔口处外接一段长l的圆管 时，即是圆柱形外管嘴。
管嘴出流的特点：hf≈0；在c－c断面形成收缩，然后又逐渐 扩大，充满整个断面。