孔口与管嘴出流实验
流体力学孔口管嘴出流实验报告
3)直角形管嘴：流股发生收缩，收缩断面前后与管壁分离，中间形成漩涡区，产生负压，出现了管嘴真空现象。
3、分析为什么三种管嘴的流量系数不同，何者最小？
因为三种管嘴的形状不同所存在的沿程水头损失和局部水头损失不同，以及形成的真空度也不同，所以流量系数不同，直角形管嘴流量系数最小。
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
4.掌握孔口、管嘴出流的流量计算公式与流量系数的大小。
2、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
实验记录与计算分类项目孔口水面读数h1cm体积vcm328802940316631142946304628322742时间ts流量qcm3s平均流量qcm3s作用水头hocm面积acm2流量系数u测管读数h2cm收缩系数流速系数阻力系数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六结果及分析1分析孔口出流与管嘴出流量系数的影响因素
平均流量Q‘/（cm³/s）
流体力学(孔口管嘴出流与有压管流)
缩断面后，液体质点受重力作用而下落。
计算孔口出流流量(出流规律) 列出断面1－1和收缩断面c－c的伯诺里方程。
2 p0 0v0 pc c vc2 H hw g 2g g 2g
（1）
式中 p0＝pc＝pa
孔口出流在一个极短的流程上完成的，可认为流体的阻力损失
完全是由局部阻力所产生，即
数也相同。 但自由出流的水头H是水面至孔口形心的深度，而淹没出流的
水头H是上下游水面高差。因此淹没出流孔口断面各点的水头相同， 所以淹没出流没有“大”、“小”孔口之分。
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＝）
将式（2）和式（3）代入式（1）得
2 2 pv pa pc c 1 v2 2 2 1 g g 2g
把式 v2 n 2gH0
代入上式得
2 pv c 1 2 2 2 1 H 0 g
l 太短，液流经管嘴收缩后，还来不及扩大到整个管断面，真
空区不能形成；或者虽充满管嘴，但因真空区距管嘴出口断面太近，
极易引起真空的破坏。
l 太长，将增加沿程阻力，使管嘴的流量系数μ相应减小，又达 不到增加出流的目的。 所以，圆柱形管嘴的正常工作条件是： ①作用水头H0≤9m ②管嘴长度l＝(3～4)d 判断：增加管嘴的作用水头，能提高真空度，所以对于管嘴的 出流能力，作用水头越大越好。
2.小孔口自由出流与淹没出流的流量计算公式有何不同？
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。
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H 1，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。
第7章 孔口管嘴出流
令
H0
=
H
0v0 2
2g
，c = 1.0
0
则
H0
=
(1
0
)
vc 2 2g
H0 H v0
1
c dc d0
c1112 Nhomakorabeavc =
1
1
2gH0 = 2gH0
0
qV = Acvc = A 2gH0 = m A 2gH0
式中：H 0 ——作用水头（包括行进流速）；
0
——水流经孔口的局部阻力因数；
圆柱形外管嘴：先收缩后扩大到整满管。
按
管 嘴
流线形外管嘴：无收缩扩大，阻力系
的 形
数最小。
m=0.82
状
(a)
和 圆锥形扩张管嘴：较大过流能力，较
装 置
低出口流速。引射器，水轮机尾
情 况
水管，人工降雨设备。
分 圆锥形收缩管嘴：较大出口流速。水力
m=0.9~0.96
(c)
挖土机喷嘴，消防用喷嘴。
m=0.9~0.98 (b)
相邻壁面的距离大于同方向孔口尺寸的3倍（l>3a或 l>3b）。
不完善收缩( Non-perfect Contraction) ：不满
足上述条件的孔口出流 。
l>3a a l>3a
bA B
CD
注：不完善收缩的流量因数较完善收缩的流量因数大。
7.2 管嘴出流
管嘴出流（nozzle discharge）：流体流经外管嘴
18
• 孔口在壁面上的位置对m的影响
孔口在壁面上的位置对收缩因数有直接的影响。
全部收缩孔口（Full Contrastive Orifice）：当孔口的全部边界都
第七章孔口、管嘴出流和气体射流
[例7-2] 某水管上安装有一孔板流量计，参见图。测得 ΔP=100mmH20，管道直径D=100mm，孔板直径d = 40mm，试 求水管中流量Q。 [解] （1）此题为液体淹没出流。首先利用式（7-7）确定孔口作 2 2 用水头H0值 p1 1v1 p2 2 v2
H 0 ( z1
分析有 z1 z 2 ， v1 v2
第七章 孔口、管嘴出流和气体射流
图7-1 孔口自由出流
第一节
孔口出流
一、薄壁孔口自由出流 图7-1给出一自由出流薄壁小孔口。设孔口在出流过程中，容器内 水位保持不变，则水流经孔口作恒定出流。 则流速计算公式为 vc 2gH0 （7-3） 式中 vc— 孔口自由出流收缩断面C-C上实际流体的流速，m/s； ¢ — 孔口的流速系数。对圆形薄壁小孔¢ =0.97~0.98。 （7-4）
p0 0.6
(2）计算每个孔口的送风量 由公式
Q A
2
4
则向房间总的送风量 量，单位：个）
0.0052
Q N Q（N为孔口数
2 300 2.63 104 m 3 / s 1.205
Q 200 2.63104 0.0526 m3 / s 189.2m3 / h
第一节
孔口出流
二、薄壁孔口淹没出流 如前所述，当流体由孔口出流到流体空间称为淹没出流，本节讨 论的是等密度流体的淹没出流. vc 2gH0 （7-9） 式（7-9）为液体淹没出流流速计算公式。式中H0为淹没出流作用 水头，根据具体条件确定。 ф为淹没出流流速系数。 淹没出流的流量计算公式
2 2 0 1
5.孔口、管嘴出流和有压管流
v2 n 2 gH0
2
A2 1 2 1 1 A c
2 2 2 a c pv p a pc a c 1 v2 1 2 2 a 1 2 a 1 n H 0 g g 2 g
A.Q1=Q2；
B.Q1>Q2；
C.Q1<Q2； D.关系不定。
四、应用
1.虹吸管的水力计算 （略）
管道轴线的一部分高出无压的上游供水水面，
这样的管道称为虹吸管。因为虹吸管输水，具有能
跨越高地，减少挖方，以及便于自动操作等优点， 在工程中广为应用。
虹吸现象
流速 v 2 gH0
1 l1 l2 d 1 2
3、分析：
水击现象只发生在液体中，因气体的压缩性很大，而 液体的较小，故当液体的受压急剧升高时就会产生水击； 管壁 具有足够的刚性才可能产生水击； 如果液体是不可 压缩的，管壁是完全刚性的，则水击压强可达到无限大。
二、水击的传播过程 以较简单的阀门突然关闭为例 1、分析：
与自由出流一致
结论 1、流量公式：
Q A 2 gH 0
2、自由式与淹没式对比： 1> 公式形式相同； 2> φ、μ基本相同，但 H0不同； 3> 自由出流与孔口的淹没深度有关，
淹没出流与上、下游水位差有关。
z H v0 v0 v2
自由式： H0 = H + v02 2g
淹没式： v02 2g v22 2g
2F
A
H H' 2g
解得
H ' 2.44
一昼夜的漏水量
V ( H H ' ) F 8.16m3
水力学与泵站实验—孔口管嘴出流实验
《流体力学、泵与泵站综合实验》实验报告开课实验室：流体力学实验室 年 月 日 课程 名称 流体力学与水泵综合实验实验项目 名 称孔口管嘴出流实验成绩教师评语教师签名：年 月 日一、实验目的1.掌握均匀流的压强分布规律一斤非均匀流的压强分布特点。
2.验证不可压缩流体恒定流动中各种能量间的相互转换。
3.学会使用测压管与测速管测量压强水头，流速水头与总水头值。
4.理解毕托管测速原理。
二、实验原理实际流体在流动过程中除遵循质量守恒原理外，必须遵守动能定理。
质量守恒原理在一维总流中的应用为总流的连续性方程，动能定理在一维总流中的应用为能量方程。
他们分别如下：Q 1=Q i =v 1A 1=v i A iiw i i i h gv p z g v p z -+++=++12)(2)(22111αγαγ对于某断面而言，测压管水头等于该断面的总水头减去其流速水头。
即:Z + =H-同样，断面平均流速也可以用总水头减去断面的测压管水头得到： = H-(z+)六、实验结果及分析50035022003 4 5（6）9 1012 1315（14）16（17）18 0190 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 按文丘里流量计计算的流量大于实际流量。
实验分析与讨论1 均匀流断面的测压管水头与压强分布与非均匀流断面测压管水头与压强分布不同。
2 实际流体的测压管水头不能沿程升高，总水头沿程降低。
流速不沿程减少。
3 毕托管测定流速不准确，因为测得的是中心流速而不是断面平均流速。
4用测压管测测压管水头再用毕托管测总水头差值为流速水头即可由此算得流速5 3到10产生沿程水头损失，10到13以及13到15产生局部水头损失。
利用毕托管之间的差值确定。
孔口与管嘴出流实验
实验原理
在稳定水位下用量筒及秒表测量各孔口、管嘴的流
量。根据孔口、管嘴流速、流量公式，可推倒出相
应流速系数、流量系数；在稳定水位下，用卡尺测
量孔口流束最小收缩直径 d c , 从而得到 A c。
实验目的和内容
• 1.了解孔口、管嘴恒定自由出流特征，根据流量
公式，计算相关参数，分析流量影响因素。 2.在恒定水头下，测定孔口管嘴的流量系数，收
2. 试比较薄壁圆孔口和圆柱管嘴的流速系数、流 量系数, 说明当二者的作用水头、出口直径 d 相 同的情况下，哪一个流量较大？为什么？
缩系数，流速系数并比较它们的流量大小。
实验设备
1 进水管 2. 水位指示器 3. 进水开关 4.管嘴1 5.管嘴2 6.薄壁圆孔口 8. 水箱
测具
1 游标卡尺一把；2. 量桶一只 3. 秒表一只
实验步骤
• 1、用游标卡尺记录各孔口、管嘴的出口直径；然后关闭各孔口、 管嘴出口。 • 2、开启进水开关注水；当水位接近水箱最高水位时，首先打开薄 壁圆孔口（其余管嘴关闭），调节进水开关，使水位缓慢上升至 最高水位，并保持有少量溢流，待水箱水位稳定后，读记该水位 高度 H 。 • 3、在稳定水位下用量水桶、秒表及磅秤测量薄壁圆孔口的流量。 • 4、用游标卡尺测量流束最小收缩断面处流束直径。 • 5、关闭薄壁圆孔口，依次打开各管嘴，按照步骤2、3各重复测量 两次； • 6、 实验完毕，将实验水箱内水全部排尽，整理好仪器设备并放 回原处。
ε= Ac /A
体积 ㎝3
时间 （秒）
流量嘴2 2
1 管嘴3 2
孔口管嘴类型
实验次数
流量(㎝3/s)
流速㎝/s）
流量系数μ
流速系数ψ
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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。
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的效果就十分显著。
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，那么值就会显著增大。