流体的出流.doc

第6章流体的出流一、学习目的和任务1．掌握影响薄壁孔口出流性能性能系数：收缩系数、孔口出流系数、流速系数和流量系数2．熟练掌握各种不同孔口与管嘴的特点、出流系数与适用场合。3．掌握孔口与机械中气穴现象、产生原因和预防措施。4．掌握射流的特点，了解几种常见射流的速度分布、自由射流的特性以及射流对平板的冲击力。5．了解通过多孔介质的流动特性。二、重点、难点重点：孔口出流系数、流速系数、流量系数、气穴现象、自由射流、渗流难点：厚壁孔口出流、节流气穴、渗流流体的出流主要包括：孔口出流、射流和通过多孔介质的流动等。其中孔口出流是一个有广泛应用的问题。例如水力工程中的阀孔、各种液压阀的阀口、实验仪器上的针孔、发动机上的油嘴等。孔口出流液体具有一定的流速，即形成射流，射流的问题常见在输油管的小孔泄流、消防水喉向空气中喷射的水流、中央空调系统出风口向室内输送的气流等；多孔介质流动在液压和气动过滤器、以及地质领域有实际的应用。本章将简要介绍流体的出流，首先分类介绍孔口出流的主要概念、分析孔口出流的性能系数等现象，接着介绍典型液压阀口流量的系数、变水头孔口出流和节流气穴问题。最后再简要介绍射流和多孔介质的流动问题。薄壁孔口出流在这里首先介绍一下孔口出流的一些主要概念，一般的孔口出流边界长度都比较短，所以孔口出流只考虑局部损失。孔口可以根据孔口直径和壁厚间的大小关系分为薄壁孔口和厚壁孔口。当时，称为薄壁孔。如图6-1所示。此时的孔口出流，水流与孔壁仅在一条周线上接触，壁厚对出流无影响。反则时，称为厚壁孔口或外伸管嘴，将在后面章节介绍。图6-1孔口自由出流流体出流的速度决定于孔口处的水头H和孔径d的大小，孔口又可根据水头高度与孔径比的大小分为小孔口和大孔口。在实际工程计算中，如时，可认为孔口断面上的各点水头相等，称为小孔口；当时，必须考虑不同高度上水头的差异，称为大孔口。薄壁孔口的恒定自由出流在流体出流的问题上，流体通过孔口直接流入大气，称为自由出流；且孔口流出的总水头保持不变，称恒定自由出流，否则称变水头自由出流。变水头自由出流问题将在以后章节中介绍，下面先讨论薄壁孔口恒定自由出流的问题。如图6-1所示，在大气压强和水头的压力下，流体经过薄壁孔口出流，由于流线不能突然弯折，在孔口内形成一个收缩面c－c，设收缩断面面积为，孔口断面面积为，为了研究的方便，首先引入收缩断面面积与孔口断面面积的比为则称为收缩系数。如图6-1所示，设大容器内液体流速为，收缩面c－c处的压强为、流速为；建立过流断面1－1和收缩断面c－c的伯努利方程式中为孔口的局部水头损失系数，又，代入上式化简得令称为作用水头。代入上式，并整理得收缩断面流速为令上式（取），称为孔口的流速系数。经过孔口出流的体积流量为令称为孔口的流量系数。孔口出流系数上面导出的孔口出流收缩系数、流速系数、流量系数决定了孔口出流的主要性能，其中的流速系数和流量系数取决于收缩系数和孔口处的局部水头损失系数。在实际工程中，由于孔口出流大多为湍流，雷诺数都很大，可忽略雷诺数对孔口系数的影响，故认为上述系数主要和边界条件有关。在边界条件中，孔口形状、孔口在壁面上的位置和孔口的边缘情况，是影响流速系数的主要因素。通过实验表明：不同形状孔口的流速系数差别不大，而孔口在壁面上的位置对收缩系数影响较大，进而影响流速系数。如图6-2所示，孔口1周边距离邻近壁面较远，侧壁对流束的收缩没有影响，称为完善收缩。实测各项系数数值列入表6-1。表6-1薄壁孔口各项系数收缩系数流速系数图6-2孔口位置流量系数~~~如图6-2中孔口2，其右边距离邻近壁面较小，流束的收缩受到侧壁的影响而减弱，称为非完善收缩。对应的流量系数将比完善收缩的大。其收缩系数可按下式经验公式估算式中为孔口在壁面的湿周面积。孔口3和4与壁面接触，称为部分收缩，收缩系数可按下式估算式中k为孔口的形状系数（若为圆孔口，取k＝），L为无收缩周界的长度，为孔口的周长。上面讨论的是小孔口出流，对于大孔口出流，由于大孔口的收缩系数较大，因而流速系数也较大，实测值如下表6-2。表6-2大孔口的流量系数收缩情况流速系数全部不完善收缩底部无收缩，侧向收缩较大~底部无收缩，侧向收缩较小~底部无收缩，侧向收缩极小~【例题6-1】水箱中用一带薄壁孔口的板隔开，孔口及两出流管嘴直径均为d=100mm，为保证水位不变，流入水箱左边的流量q=80L/s，求两管嘴出流的流量q1、q2.【解】设孔口的流量为q对管嘴例题6－1图连续性方程解得薄壁阻尼孔的出流（淹没孔口出流）图6-3薄壁阻尼孔的出流图6-3薄壁阻尼孔口出流在液压技术中常用节流器或阻尼器来控制流量或压强，这些器件的下游大都并不与大气直接接触，而是充满液体。如图6-3所示，流体通过孔口直接流入另一部分流体中，称为阻尼孔的出流或淹没出流。孔口淹没出流