文档介绍：孔口出流理论在工程实践中的应用

摘要:孔口出流在工程技术中有着广泛的应用,如水利工程上的闸孔、水力采煤用的水枪、消防用的水龙头、各类柴油机和汽轮机的喷嘴、汽轮机中的汽化器以及液压技术中的油液流经滑阀、锥阀、阻尼孔等都可归纳为孔口出流问题。
关键词:流体力学;孔口出流;淹没出流
孔口出流的分类和基本特征
流体从孔口出流的情况是多种多样的,根据孔口的结构形状和出流条件,有下面几种不同的分类[1]。
自由出流和淹没出流
从出流的下游条件看,可分为自由出流孔口和淹没出流孔口,如果流体通过孔口后流入大气中称为自由出流孔口,如果是流入充满液体的空间,则称为淹没出流孔口。
大孔口和小孔口
从孔口截面上流速分布的均匀性看,可以分为大孔口和小孔口。如果孔口截面上各点的流速是均匀分布的,则称为小孔口;反之如果孔口截面上各点的流速相差较大,不能按均匀分布计算,则称为大孔口。
(3)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;而当作用水头随出流过程变化时,出流参数也随之变化,称为非定常出流。
薄壁孔口和厚壁孔口
如果出流液体具有一定的流速,能够形成射流且孔口具有尖锐的边缘,壁厚不影响射流的形状,这种孔口称为薄壁孔口。一般情况下,当孔口的壁面厚度L和孔口直径d的比值小于或等于2,即L/d≤2,这时孔口可认为是薄壁孔口。如果出流液体具有一定的流速,能形成射流,此时虽然孔口也有尖锐边缘,射流形成收缩截面,但由于孔壁较厚,射流收缩后扩散而附壁,这种孔口称为厚壁孔口,有时也称为管嘴。厚壁孔口的厚度L与孔口直径d的比值大于2而小于或等于4,即2<L/d
≤4,厚壁孔口出流不仅要考虑收缩的局部损失,而且还要考虑沿程损失。
薄壁孔口淹没出流理论
工程技术中常用节流器或节流器来控制流量或压力,这些器件的下游一般都并非与大气接触,而是充满液体,属于淹没孔口的范畴。淹没孔口也有薄壁和厚壁之分,工程技术常用的是薄壁的情况。液体通过进口边为锐缘的孔口时,如果雷诺数很小,与自由流相同,自孔口流出的液体必然形成射流而产生截面收缩。与自由射流不同的是,孔口下游并不与大气接触,而且液体出流后有扩散过程,在截面c-c处的速度最大,压力最低。随着射流的扩散,流速降低而压强升高,当然由于阻力而产生损失,压强不能完全恢复,如图下图所示[2]。
由截面1-1至截面c-c列伯努利方程为

将连续性方程代入上式得
式中为孔口的面积。
在工程技术中一般要比小的多,因此与比较起来可以忽略。对于小孔口来说,收缩截面处流速是均与的,,于是

流量Q为

式中为流量系数,经试验测定,薄壁小孔淹没出流的流速系数、流量系数、局部阻力系数和收缩系数与自由出流具有完全相同的值。
需要指出,在阻尼器和阀口等出流问题中,要确定收缩截面而测定收缩截面上的压强是很困难的,一般只能在出流口下游适当的地方测的压强。总是大于,则实测的总是小于,把

定义为实测的流量系数,由此可得

由于,所以流量系数总是大于,只有在自由出流的情况下,是相同的。
厚壁孔口自由出流
当孔口厚度增加到一定程度并对出流有显著影响时,称为厚壁孔口出流,工程上常做成管嘴形状。下面以外伸圆柱形管嘴为例,分析厚壁孔口在定常条件下出流速度和流量等参数的