孔口与管嘴出流实验 - 图文

孔口与管嘴出流实验

摘要：

本实验通过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，并且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。

前言：

管嘴和孔口的出流流体的形态,一直引起有关研究者的兴趣,文献[1～5]综述了这方面的工作。早在17世纪就有人开始研究,包括Bernouli,Reynolds,Barres等等许多人均在此领域有所建树,涉及流体形态特征、孔口与出流形态的影响,出流形态的显示方法等。到本世纪90年代,李文平等人[6]考察了垂直矩形薄壁孔射流轮廓的变化,指出射流的断面形状在流体的不同位置呈现不同的形态。射流轮廓由孔口处的规则矩形,随出流距离的增加发生有规律的收缩,到一定程度转换为一个近似的十字架形态,其长短轴分别为垂直取向和水平取向。在研究范围内,除了非完全收缩区外其它水面线均与孔口宽高比、模型尺寸无关。Hager[1]用摄像法记录扁矩形孔射流的出流形态,发现矩形长边垂直设置的孔口出流,流体上缘首先收缩,向侧面扩展,最后包覆流体的下部,呈现美丽的伞形;而水平设置的孔口出流的边缘,随出流距离的增加,持续发生横向收缩,其边缘增厚。槐文信等人[7]研究了双孔平面射流的吸附现象。根据两股流体间存在的相互吸附效应(Coanda效应),两股流体之间被卷吸的流体得不到补充或补充不足,则相互吸引汇成一股射流。研究指出,在两孔平面射流之间的补充流体小于其卷吸量,其内缘因此效应发生相互吸附,从而汇成一股射流。 实验装置

本实验装置如图9.1所示。

图9—1孔口管嘴实验装置图 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.溢流板；6.稳水孔板；7.孔口管嘴；8.防溅旋板；9.测量孔口射流收缩直径的移动触头；10.上回水槽；11.标尺；12.测压管； 测压管12和标尺11用于测量水箱水位、孔口管嘴的位置高程及直角进口管嘴2#的真空度。防溅板8用于管嘴的转换操作，当某一管嘴实验结束时，将旋板旋至进口截断水流，再用橡皮塞封口；当需开启时，先用旋板档水，再打开橡皮塞。这样可防止水花四溅。移动触头9位于射流收缩断面上，可水平向伸缩，当两个触块分别调节至射流两侧外缘时，将螺丝固定，然后用游标卡尺测量两触块的间距，即为射流收缩断面直径。本设备还能演示明槽水跃。 实验原理

管嘴出流、孔口出流示意图

对O-O面，及C-C面列流束能量方程：

Z0?p0???0V022g?Zc?p0pc???pc?cVc22g)??he

令H0?(Z0?Zc)?(?0V022g??

VC?112gH0?2gH0??2gH0 ?C??11??1Q?VCAC???A2gH0??A2gH0 对于孔口出流：H0?H 对于管咀出流：H0?H?h真空 流量系数 ??Q A2gH0Acdc2收缩系数 ?? ?Ad2流速系数 ???c2gH0??1 ??1??阻力系数 ??1?2?1

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H1，测定流量Q（要求重复测量三次，时间尽量长些，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。

3．依照上法，打开2#管嘴，测记水箱水面高程标尺读数H1及流量Q，观察和量测直角管嘴出流时的真空情况。

4．依次打开3#园锥形管嘴，测定

H1及Q。

5．打开4#孔口，观察孔口出流现象，测定H1及Q，并按下述7b的方法测记孔口收缩断面的直径（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。 实验成果及要求

1．有关常数： 实验装置台号No 4 圆角管嘴D1=14mm 方孔D2=13mm 圆锥管嘴D3=14mm 圆孔D4=11mm 出口高程读数Z1=Z2=19.1cm 出口高程读数Z3=Z4=7.0cm 2．整理记录及计算表格

考虑误差源的影响，计算出流速系数?、流量系数?、侧收缩系数?、局部阻力系数?的误差限。指出最应该注意的测量物理量是哪些。

最需要注意的是d引起的误差. 实验分析与讨论

(1).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。

由实验结果可知，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 = 0.807； 直角管嘴出流的流股呈园柱形麻花状扭变，u =0.7835； 园锥管嘴出流的流股呈光滑园柱形，u = 0.9666；

孔口出流的流股在出口附近有侧收缩，呈光滑园柱形，u = 0.8612。 影响流量系数大小的原因有： （1）出口附近流股直径，孔口为出口内径，

= 1。

，其余同管嘴的

（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。

（2）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？ 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。

（3）试分析完善收缩的锐缘薄壁孔口出流的流量系数

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

= 0. 611）的原因。

有下列关系：

偏离理论值（

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0. 1时，收缩不完全，

无影响；反之>

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，滞性影响，使

（3）

降低。实验中若

很小时，（例< ），因粘值偏小。

，表明略有影响，使

（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

值就会

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，那么显著增大。

注：流股形态：①光滑园柱；②紊散；③园柱形麻花状扭变；④具有侧收缩的光滑园柱；⑤其他形状。

出口高程 （cm） 管嘴直径 (cm) 管嘴面积 （cm2) 水面读数 (cm) 体积(cm3) 时间(s) 流量(cm3/s) 速度（cm/s) 水头(cm) 19.10 1.10 0.95 34.70 6800 46.80 孔口 19.10 1.10 0.95 34.70 7200 50.50 19.10 1.10 0.95 34.70 7200 50.90 19.10 1.30 1.69 35.15 6800 28.70 直角管嘴 19.10 1.30 1.69 35.15 7200 31.10 19.10 1.30 1.69 35.15 7200 30.50 7.00 1.40 1.54 16.10 7200 36.60 圆锥管嘴 7.00 1.40 1.54 16.10 7200 36.30 7.00 1.40 1.54 16.10 7200 35.80 7.00 1.40 1.54 15.80 7200 43.80 圆角管嘴 7.00 1.40 1.54 15.80 7200 44.20 7.00 1.40 1.54 15.80 7200 44.40 145.30 142.57 141.45 236.93 231.51 236.07 196.72 198.35 201.12 164.38 162.90 162.16 152.89 150.03 148.85 140.20 136.99 139.68 127.79 128.85 130.65 106.79 105.82 105.34 27.53 27.08 26.90 26.08 25.62 26.00 17.43 17.57 17.81 14.62 14.51 14.46 流量系数 0.8744 0.8580 0.8512 0.7905 0.7724 0.7876 0.9569 0.9648 0.9783 0.8131 0.8057 0.8021 流量系数平均值 0.861195193 0.78345496 0.966641959 0.806982925

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