(完整版)[工学]第五章：孔口、管嘴出流和有压管路
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第五章孔口与管嘴出流
筒式减振器，在压缩和伸张行程中均能起减振作用
双向作用筒式减振器工作原理说明。在压缩
行程时，指汽车车轮移近车身，减振器受压缩，
此时减振器内活塞3向下移动。活塞下腔室的容积
减少，油压升高，油液流经流通阀8流到活塞上面
的腔室（上腔）。上腔被活塞杆1占去了一部分空
间，因而上腔增加的容积小于下腔减小的容积，
第五章 流体孔口出流与缝隙流动
13
通常，当孔口边缘距边壁距离大于孔口在该方向 最大尺寸的3倍时可以认为是完善收缩。如图5-2所示 ，其中I孔为完善收缩，Ⅱ、Ⅲ孔为不完善收缩。
方形
第五章 流体孔口出流与缝隙流动
14
五、定常出流和非定常出流
当出流系统的作用水头保持不变时，出流 的各种参数保持恒定，称为定常出流。
第五章 流体孔口出流与缝隙流动
6
一、薄壁孔口
薄壁小孔口 薄壁大孔口
一般指壁面厚度l和孔口直径d的比小于或等于2 ，即l/d<=2的孔口。按孔口直径和作用水头的相对大 小又可分为以下两种。
1．薄壁小孔口 当作用水头H远大于薄壁孔口直径d(通常指H>10d) 时，孔口断面上的流动参数可看作均匀分布，称为薄 壁小孔口。
17
薄壁孔口出流出现收缩断
面是它的重要特征，收缩程度 通常用断面收缩系数Cc来表示 。即:
Cc Ac A
列液面1和收缩断面c的能量方程有:
H
p0
0v02
2g
cvc2
2g
hw
式中： hw
hj
0
vc2 2g
忽略沿程损失，只计局部损失
v0 、vc 分别为液面和收缩截面的平均速度，
0 为孔口局部损失系数。
2g
第五章孔口、管嘴及有压管路
c 1
2
v
1
2 gH 0 n 2 gH 0
Q vA n A 2 gH 0 n A 2 gH 0
其中ζ 为管嘴的局部阻力系数，取0.5；则
流速系数 流量系数
n
1 1 0.82＜孔口 0.97 ~ 0.98 1 0.5
n n 0.82 ＞孔口 0.60 ~ 0.62
图1：Q1
Q2；图2：Q1
Q2。（填>、< 或＝）
第五章 有压管流
问题：水位恒定的上、下游水箱，如图，箱内水深为
H 和h。三个直径相等的薄壁孔口1,2,3位于隔板上的
不同位置，均为完全收缩。 问：三孔口的流量是否相等？为什么？ 若下游水箱无水，情况又如何？
答案
1=2，3不等；三孔不等
第五章 有压管流
v孔口 孔口 2 gH孔口 孔口 0.97 1 vn n 0.82 n 2 gHn
2.流量比较
Q孔口 孔口 A孔口 2 gH孔口 孔口 0.62 1 Qn n 0.82 n An 2 gHn
第五章 有压管流
【例】为使水流均匀地进入混凝沉淀池，通常在进口处 建一道穿孔墙如图，通过穿孔墙流量为125L/s，设若干 个15cmⅹ15cm的孔口，按规范要求通过孔口断面平均流速 在0.08~1.0m/s，试计算需若干孔口？
容器放空（即H2＝0）时间 t0
2 A0 H1
2 A0 H1 2V A g A 2 gH1 Qmax
结论：在变水头情况下，等横截面的柱形容器放空（或充满）所需的时间
等于在起始水头H1下按恒定情况流出液体所需时间的两倍。
第五章 有压管流
第二节、管嘴岀流
流体力学 第5章孔口管嘴出流与管路水力计算
5.2.3 其他类型管嘴出流
对于其他类型的管嘴出流，其流速、流量的计算公式与圆柱形管嘴公式形式相似。但 流速系数及流量系数各不相同，下面是几种常用的管嘴。
1. 流线形管嘴 如图 5.4(a)所示，流速系数ϕ = μ = 0.97 ，适用于水头损失小，流量大，出口断面上速 度分布均匀的情况。
2. 扩大圆锥形管嘴 如图 5.4(b)所示，当θ = 5°～7°时，μ＝ϕ＝0.42～0.50 。适合于将部分动能恢复为压能的 情况，如引射器的扩压管。
流体力学
收缩产生的局部损失和断面 C―C 与 B―B 间水流扩大所产生的局部损失，相当于一般锐缘
管道进口的局部损失，可表示为 hw
=ζ
VB 2 2g
。将
hw 代入上式可得到：
H0
=
(α
+ζ
) VB2 2g
其中， H 0
=
H
+
α
AV
2 A
2g
，则可解得：
V=
1 α + ζ 2gH 0
=ϕ
2gH 0
(5-8)
1. 自由出流 流体经孔口流入大气的出流称为自由出流。薄壁孔口的自由出流如图 5.1 所示。孔口 出流经过容器壁的锐缘后，变成具有自由面周界的流股。当孔口内的容器边缘不是锐缘状 时，出流状态会与边缘形状有关。
图 5.1 薄壁孔口自由出流
由于质点惯性的作用，当水流绕过孔口边缘时，流线不能成直角地突然改变方向，只 能以圆滑曲线逐渐弯曲，流出孔口后会继续弯曲并向中心收敛，直至离孔口约 0.5d 处。流
5.3.1 短管计算
1. 自由出流
流 体 经 管 路 流 入 大 气 ， 称 为 自 由 出 流 ( 图 5.5) 。 设 断 面 A ― A 的 总 水 头 为
第五章孔口管嘴出流及管路计算
建筑给水：孔口管嘴可用于建筑物的给水系统，如水龙头和淋浴喷头
06
孔口管嘴及管路计算的展望
孔口管嘴技术的未来发展方向
智能化发展：孔口管嘴技术将与人工智能、物联网等技术结合，实现自动化、智能化控制。
高效化发展：未来孔口管嘴技术将不断优化设计，提高流体输送效率，降低能耗。
环保化发展：随着环保意识的提高，孔口管嘴技术将更加注重环保性能，减少对环境的污染。
未来发展方向：结合人工智能、大数据等技术，实现管路系统的智能化、自动化计算。
跨学科合作：管路计算需要与多个学科领域进行交叉合作，共同推动管路系统技术的发展。
新型材料与技术在管路计算中的应用
新型材料的特性与优势
未来新型材料与技术在管路计算中的发展趋势
新型计算技术在管路计算中的发展现状
新型材料在管路计算中的应用场景
孔口管嘴具有控制水流流量、压力和方向的作用
孔口管嘴的设计和制造需要遵循相关标准和规范
孔口管嘴在管道系统中的作用是至关重要的，其性能直接影响整个系统的正常运行
孔口管嘴的分类
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
按用途分为：吸水管嘴、排水管嘴和通风管嘴
孔口管嘴按结构分为：直嘴、弯嘴和斜嘴
按压力分为：真空管嘴和压力管嘴
计算公式：h=λ*l/d*v^2/(2g)，其中λ为摩阻系数，l为管长，d为管径，v为流速，g为重力加速度
管路的优化设计
确定管径和管材：根据流量、流速和压力等参数选择合适的管径和管材，以降低流体阻力损失和满足工艺要求。
确定管路走向：根据现场实际情况和工艺要求，合理规划管路走向，尽量减少弯头、阀门等配件的使用，以降低流体阻力损失。
适用范围：适用于管径较小、流体阻力较小的简单管路
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孔口管嘴及管路计算的展望
孔口管嘴技术的未来发展方向
智能化发展：孔口管嘴技术将与人工智能、物联网等技术结合，实现自动化、智能化控制。
高效化发展：未来孔口管嘴技术将不断优化设计，提高流体输送效率，降低能耗。
环保化发展：随着环保意识的提高，孔口管嘴技术将更加注重环保性能，减少对环境的污染。
未来发展方向：结合人工智能、大数据等技术，实现管路系统的智能化、自动化计算。
跨学科合作：管路计算需要与多个学科领域进行交叉合作，共同推动管路系统技术的发展。
新型材料与技术在管路计算中的应用
新型材料的特性与优势
未来新型材料与技术在管路计算中的发展趋势
新型计算技术在管路计算中的发展现状
新型材料在管路计算中的应用场景
孔口管嘴具有控制水流流量、压力和方向的作用
孔口管嘴的设计和制造需要遵循相关标准和规范
孔口管嘴在管道系统中的作用是至关重要的，其性能直接影响整个系统的正常运行
孔口管嘴的分类
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按用途分为：吸水管嘴、排水管嘴和通风管嘴
孔口管嘴按结构分为：直嘴、弯嘴和斜嘴
按压力分为：真空管嘴和压力管嘴
计算公式：h=λ*l/d*v^2/(2g)，其中λ为摩阻系数，l为管长，d为管径，v为流速，g为重力加速度
管路的优化设计
确定管径和管材：根据流量、流速和压力等参数选择合适的管径和管材，以降低流体阻力损失和满足工艺要求。
确定管路走向：根据现场实际情况和工艺要求，合理规划管路走向，尽量减少弯头、阀门等配件的使用，以降低流体阻力损失。
适用范围：适用于管径较小、流体阻力较小的简单管路
孔口管嘴管路流动
忽略ɑAvA2/2g项，则Ho＝H +po /ρg ,
当淹没出流时，有
第五章
p0 v v H 0 (H A H B ) g 2g
2 A A
2 B B
p0 v v H g 2g
2 A A
2 B B
忽略
v v
2 A A
2 B B
2g
，
p0 则 H0 H g
第五章
• 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。
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 。
Q A 2gH0 A 2gH0
(5-2-4)
注意：自由出流(5-1-7)与淹没出流(5-2-4)的比较： 自由出流时，水头H值是水面至孔口形心的深度； 淹没出流时，水头H值是孔口上、下游水面高差。
第五章 孔口管嘴管路流动
§5—1 孔口自由出流
§5—2 孔口淹没出流
§5—3 管嘴出流 §5—4 简单管路 §5—5 复杂管道的水力计算 §5—6 管网计算基础
本章重点
1、孔口、管嘴出流和有压管流的基本概念 2、孔口、管嘴恒定出流的基本公式的推求
3、孔口、管嘴恒定出流的基本公式的运用
本章难点
有压管道的恒定出流的水力计算，即； 1、短管的水力计算 2、长管的水力计算
Qv A
2p
第五章孔口管嘴出流及管路计算
1.平行平板缝隙（压差和剪切共同作用）
平行六面体在x方向的受力平衡方程式为
pdy ( d )dx ( p dp)dy dx
整理后得, 因此有
d dp dy d x
而
du dy
1 dp 2 u y C1 y C 2 2 dx
C1 u0 h dp h 2 dx
第二节
1 α ζ
管嘴出流
由于出口断面b-b流股完全充满（不同于孔口）
则
n u n
,
取 α 1 ,
锐缘进口 ζ 0.5
与孔口出流 Q A 2gH 0 表达式完全相同，但
孔口出流 u n 0.62 ∴
管嘴 0.82 1.32 孔口 0.62
第二节
2、管嘴内的真空作用
二、环形缝隙
1.流经同心环形缝隙的流量
流量计算
dh3 dh Δp u0 同心环缝隙流量 q0 12 l 2 用 d 代替b
偏心环缝隙流量 用 db rd 代替b
rh 3 d hrd dq p u0 12ul 2
h h0 e cos h(1 cos )
自由出流： 液体通过孔口流入大气 淹没出流： 液体通过孔口流入液体空间
第一节 一、小孔口自由出流
列能量方程
孔口出流
p a1 1v12 pc c vc2 H 0 hw g 2g g 2 g vc2 hw 0 2g vc2 H ( c 0 ) 2g 2g
第一节
液体的出流
三、小孔口的收缩系数及流量系数
全部收缩孔口 不完全收缩孔口 非全部收缩孔口
第一节
液体的出流
四、大孔口的流量系数
§孔口出流与管嘴出流
一、薄壁小孔口的自由恒定出流
3、自由出流
以出流的下游条件为衡量标准，如果流体经过孔口后出流于大气中时， 称为自由出流；
4、薄壁小孔口的自由恒定出流的计算
计算特点： hf 0
出流特点：收缩现象
取图中的1-1和c-c断面列伯努利方程：
Hpg 1 21vg12pg c 2cg vc2hm
其中：h m
力系数，查得ζ=0.5； μ=0.82
三、管嘴出流
分析：
当液体从薄壁圆孔口出流时，其流量系数μ1= 0.61，而厚壁 孔口的流量系数μ2 = 0.82 ，为薄壁孔口的1.34倍。于是当孔口面
积相同时，通过厚壁孔口的流量大于薄壁孔口。
圆柱形外管嘴收缩断面C-C处真空度为：
Pa PC
g
0.75H0
圆柱形外管嘴收缩断面处真空度可达作用水头的0.75倍，相
小结：
几个基本概念： 薄壁孔口、厚壁孔口、流速系数、流量系数、收缩系数、
阻力系数、完全收缩、部分收缩。 重点：
c
v
2 c
2g
；v1
Ac A1
vc
；HZ1ZC
得： (cc)2 vcg 2 Hp1gpc21v g12
一、薄壁小孔口的自由恒定出流
4、薄壁小孔口的自由恒定出流的计算
定义作用水头：
H0
H
p1pc
g
1v12
2g
则得：
1
vc c c 2gH0
定义流速系数： 1 c c
（0.97~0.98）
通过孔口的流量为：Q v v c A cA v cA 2 g H 0A 2 g H 0
ZAP A g2 A g vA 2ZBP B g2 B g vB 22 vB g 2
流体力学-水力学-孔口和管嘴出流与有压管流
H 0 0 0 0 0 hw12
得：H
hw12＝
l d
2
2g
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解之得： v
1
2gH
l d
0.5 0.2 0.4 0.4 0.31.0 2.8
＝
1
2 9.81.2 1.51m / s
0.03 50 2.8
0.2
则Q A v 0.0475m3 / s
不含1，但淹没中两断面间又多了一个由管口进入下
游水池的局部水头损失，而这个水头损失系数ξ=1，
故
c。 c
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二、短管水力计算实例
（一）虹吸水力计算
Zs Z
虹吸管是一种压力管，顶部弯曲且其高程高于 上游供水水面。其顶部的真空值一般不大于7-8m
水柱高。虹吸管安装高度Zs越大，顶部真空值越大。
(
d
2
)2
1 2g
8 g 2d 5
lQ 2
8
g 2d 5
8g C2
lQ 2
64
2d5
n2
d
1
43
lQ 2
10.29n2
16
d3
lQ 2
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令
10.29n 2 S0 16
d3
则 H S0lQ 2
或
S0
H lQ 2
当l=1，Q=1时，H=S0，即S0的物理意义是单位流量 通过单位长度管道时需要的水头损失，这个数称为
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(三) 短管自由出流与淹没出流计算之异同
• 短管自由出流和淹没出流公式的基本形式相同。
• 两种出流的作用水头不同。
5 孔口、管嘴出流和有压管流
§5.1.1 薄壁小孔口恒定出流
1.薄壁小孔口恒定自由出流
z1
p1
g
1V12
2g
zc
pc
g
cVc2
2g
hw
H 0 0V02 0 0 cVc2 Vc2
2g
2g 2g
H0
cVc 2 2g
Vc 2 2g
( c
)
Vc 2 2g
Vc
短管
长管—是指水头损失以沿程水头损失为主，流速水头与局 部水头损失之和在总水头中所占比重很小（小于总水头的 5%），因而计算时可将其忽略。
短管—短管是指在管道的总水头中沿程水头损失和局部水 头损失都占有相当比例，即流速水头与局部水头损失之和 在总水头中所占比重超过总水头的5%，不能忽略任何一种。
§5.1 孔口恒定出流
长管：指局部水头损失与流速水头之和所占比重较小，即：
(hj
v2 2g
)
5%h f
计算中可以忽略。给水工程中的给水管按长管处理。
5.3 短管的水力计算
短管的水力计算的依据
v1A1 v2 A2 Q
z1
1v12
2g
p1
g
z2
2v22
2g
p2
g
hw
hw
hf
hj
z1
p1
g
1V12
2g
z2
p2
g
2V22
2g
hw
H 0 1V12 0 0 V 2 V 2