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1、第七章 孔口、管嘴出流和氣體射流,本章應(yīng)用流體力學(xué)基本原理，結(jié)合具體的流動(dòng)條件，研究實(shí)際流體流經(jīng)孔口、管嘴的流量計(jì)算方法，以及氣體由孔口或管嘴流出進(jìn)入氣體空間后，所形成的速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)問題。 第一節(jié) 孔口出流 如圖7-1所示，在容器側(cè)壁（或底壁）上開一孔口，容器中的流體在水頭差的作用下經(jīng)孔口流出，這種流動(dòng)現(xiàn)象稱為孔口出流。 按孔壁的厚度，可將孔口分為薄壁孔口和厚壁孔口兩種。若孔口具有尖銳的邊緣，出流流股與孔壁接觸僅是一條周線，具有這種條件的孔口稱薄壁孔口，其流動(dòng)不受孔壁厚度的影響。若孔口壁厚和形狀促使出流流股與孔壁接觸形成面而不是線，則為厚壁孔口或管嘴。 如果容器中的流體自孔口出流到大氣
2、中，稱為孔口自由出流，也稱非淹沒出流；若流體出流到流體空間中，則稱為淹沒出流。,第七章 孔口、管嘴出流和氣體射流,圖7-1 孔口自由出流,第一節(jié) 孔口出流,一、薄壁孔口自由出流 圖7-1給出一自由出流薄壁小孔口。設(shè)孔口在出流過程中，容器內(nèi)水位保持不變，則水流經(jīng)孔口作恒定出流。 則流速計(jì)算公式為 （7-3） 式中 vc 孔口自由出流收縮斷面C-C上實(shí)際流體的流速，m/s； 孔口的流速系數(shù)。對(duì)圓形薄壁小孔=0.970.98。 （7-4） 式中 Q 孔口自由出流的流量，m3/s； 孔口的流量系數(shù)；對(duì)圓形薄壁小孔口，=0.60-0.62。 式（7-4）就是孔口
3、自由出流流量計(jì)算公式。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，根據(jù)孔口的具體條件確定和H0 流量系數(shù)與、有關(guān)。值接近于1，值則隨孔口在容器側(cè)壁上的位置不同而有變化。,第一節(jié) 孔口出流,如圖所示，孔口四周的流線全部發(fā)生彎曲，在各個(gè)方向上都獲得較好的收縮效果，這種稱做全部收縮。而孔口只有1，2兩邊發(fā)生收縮，其它3，4兩邊沒有收縮，這種稱非全部收縮。非全部收縮時(shí)的流量系數(shù)比全部收縮時(shí)要大，兩者間的關(guān)系可由下列經(jīng)驗(yàn)公式給出。,圖7-2 孔口位置與孔口收縮,（7-5） 式中 S 未收縮部分周長(zhǎng)（如圖7-2中孔口的3+4邊長(zhǎng)）； X 孔口全部周長(zhǎng)（如圖7-2中孔口的1+2+3+4邊長(zhǎng)）； C 孔口形狀系數(shù)；圓孔口取0.13，方孔
4、口取0.15 在流線全部收縮中，根據(jù)容器壁對(duì)流線彎曲的影響程度而分為完善收縮與不完善收縮。如圖7-2上孔口，孔口周邊離側(cè)壁的距離大于三倍孔口在該方向的尺寸，即L13a，L23b，則為完善收縮。此時(shí)流量系數(shù)為最小，對(duì)薄壁孔口出流，=0.60 0.62。當(dāng)孔口任一邊離器壁的距離不滿足上述條件時(shí)，則為不完善收縮。增大，亦增大。不完善收縮的可用下式計(jì)算 (7-6) 式中 A 孔口面積，m2； A0 孔口所在壁的全部面積，m2； 完善收縮流量系數(shù)；,第一節(jié) 孔口出流,第一節(jié) 孔口出流,二、薄壁孔口淹沒出流 如前所述，當(dāng)流體由孔口出流到流體空間稱為淹沒出流，本節(jié)討論的是等密度
5、流體的淹沒出流. （7-9） 式（7-9）為液體淹沒出流流速計(jì)算公式。式中H0為淹沒出流作用水頭，根據(jù)具體條件確定。 為淹沒出流流速系數(shù)。 淹沒出流的流量計(jì)算公式 （7-10） 式中流量系數(shù)與自由出流的值完全相同。 孔口自由出流與淹沒出流流速與流量計(jì)算公式形式完全相同，、值在孔口相同條件下亦相等。,第一節(jié) 孔口出流,圖7-3 孔口淹沒出流,第一節(jié) 孔口出流,氣體出流一般為淹沒出流。只需用壓強(qiáng)差p代替作用水頭H0，有p=rH0。由于氣體容重較輕，可忽略孔口前后總水頭差中的位置水頭項(xiàng)。則p0即為孔口上、下游氣體的全壓差： （7-11）
6、由（7-3）式與（7-4）式可推導(dǎo)得孔口氣體淹沒出流的流速與流量計(jì)算公式 （7-12） （7-13） 式中 氣體的容重，Kg/m3； 氣體的質(zhì)量密度，N/m3；,第一節(jié) 孔口出流,三、孔口出流的應(yīng)用 下面討論孔口出流規(guī)律及其計(jì)算公式在實(shí)際工程中的應(yīng)用。 1、孔板流量計(jì) 孔板流量計(jì)是根據(jù)孔口出流原理設(shè)計(jì)制造的，主要用來量測(cè)管道中氣體的流量。 過孔板的氣體流量,第一節(jié) 孔口出流,例7-2 某水管上安裝有一孔板流量計(jì)，參見圖。測(cè)得P=100mmH20，管道直徑D=100mm，孔板直徑d = 40mm，試求水管中流量Q。 解 （
7、1）此題為液體淹沒出流。首先利用式（7-7）確定孔口作用水頭H0值 分析有 ， ，代入上式得 = 0.1m （2） ；假設(shè)流動(dòng)處于阻力平方區(qū)，值與Re無關(guān)，則查圖7-6得：=0.61 （3）利用式（7-10）,第一節(jié) 孔口出流,2、多孔板送風(fēng) 房間頂部設(shè)置夾層，將處理過的清潔空氣用風(fēng)機(jī)送入夾層空間，并使夾層內(nèi)的壓強(qiáng)比房間內(nèi)的壓強(qiáng)大。清潔空氣在此壓強(qiáng)差作用下，通過布置在頂棚上的孔口向房間流出，達(dá)到凈化房間內(nèi)空氣的目的。這就是多孔板送風(fēng)。 空氣經(jīng)多孔板出流，屬于孔口氣體淹沒出流。其流速和流量可按公式（7-12）和（7-13）計(jì)算。
8、 例7-4 如圖7-7所示，某空調(diào)房間采用多孔板向室內(nèi)送風(fēng)。已知：夾層內(nèi)壓強(qiáng)比房間內(nèi)大300Pa，送風(fēng)溫度t = 20。若頂棚上布置有200個(gè)直徑d =5mm的小孔口，且孔口流量系數(shù)= 0.6。試求孔口的出流速度和向房間內(nèi)的送風(fēng)量。 例7-4 如圖7-7所示，某空調(diào)房間采用多孔板向室內(nèi)送風(fēng)。已知：夾層內(nèi)壓強(qiáng)比房間內(nèi)大300Pa，送風(fēng)溫度t = 20。若頂棚上布置有200個(gè)直徑d =5mm的小孔口，且孔口流量系數(shù)= 0.6。試求孔口的出流速度和向房間內(nèi)的送風(fēng)量。,第一節(jié) 孔口出流,解 1）計(jì)算孔口流速：由公式 取流速系數(shù)=0.97；t = 20時(shí)空氣 密度=1.205Kg/m3；
9、又p=300Pa； 代入上式(7-12)得 (2）計(jì)算每個(gè)孔口的送風(fēng)量 由公式 則向房間總的送風(fēng)量 （N為孔口數(shù)量，單位：個(gè)）,3、自然通風(fēng)風(fēng)量的計(jì)算 在高溫車間，自然通風(fēng) 是指利用室內(nèi)外溫度差所 造成的熱壓來實(shí)現(xiàn)換氣的 一種全面通風(fēng)方式。如圖所示。 自然通風(fēng)的風(fēng)量可按公式（7-13）計(jì)算： 若以重量流量來表示，則,第一節(jié) 孔口出流,第二節(jié) 管嘴出流,一、圓柱形外管嘴出流 當(dāng)容器壁極厚或在薄壁孔口處外接一段長(zhǎng)L=34d的圓柱形短管，此時(shí)的出流現(xiàn)象稱為圓柱形外管嘴出流。此短管稱為圓柱形外管嘴（簡(jiǎn)稱管嘴）。如圖所示。 管嘴出流與孔口出流一樣，在靠近 管道
10、入口處流股也發(fā)生收縮，存在收縮 斷面C-C。但與孔口出流不同的是，經(jīng) C-C后流股逐漸擴(kuò)張到整個(gè)管嘴，出口 斷面呈滿管出流。在收縮斷面的周圍， 流股與管壁分離，并伴有漩渦產(chǎn)生，漩 渦區(qū)內(nèi)的流體處于真空狀態(tài)，出現(xiàn)了管 嘴的真空現(xiàn)象。,圖7-9 圓柱形管嘴出流,第二節(jié) 管嘴出流,下面討論管嘴出流的流速與流量計(jì)算公式。 管嘴出流的流速 通過管嘴的流量 以上公式中 Q 管嘴的作用水頭，m； A 管嘴的過流面積，m2； 管嘴出流的流速系數(shù)； 管嘴出流的流量系數(shù)； 管嘴的阻力損失，主要發(fā)生在管嘴進(jìn)口處的流線收縮段到擴(kuò)大段部分，其后所出現(xiàn)的摩擦損失很小，可以忽略不計(jì)。根據(jù)
11、局部阻力系數(shù)圖查得：管道銳緣進(jìn)口=0.5，則 。由于圓柱形外管嘴出口斷面沒有收縮，斷面收縮系數(shù)=1，則流量系數(shù)等于流速系數(shù)，即==0.82。,第二節(jié) 管嘴出流,當(dāng)管嘴為自由出流時(shí)，由式（7-15）：H0與孔口自由出流公式中的H0一樣，其實(shí)質(zhì)是水箱液面總水頭與管嘴出口斷面的測(cè)壓管水頭之差。當(dāng)管嘴為淹沒出流時(shí)，H0的物理意義與孔口淹沒出流公式中的H0也一樣，表示管嘴上下游水箱液面總水頭之差。即 在圖7-8所給具體條件下， 于是H0 = H則流量,第二節(jié) 管嘴出流,在相同條件（H0相等、A孔=A嘴）下,管嘴出流的流速比孔口出流的流速減少15%。管嘴出流的流量比孔口出流的流量增大了32%。
12、這是因?yàn)楣茏斐隽魇湛s斷面處的真空現(xiàn)象起的作用。這也是管嘴出流不同于孔口出流的基本特點(diǎn)。 因此，保證圓柱形外管嘴正常工作的條件有兩個(gè)： 作用水頭 管嘴長(zhǎng)度L=（34）d,第二節(jié) 管嘴出流,二、其它類型管嘴出流 工程上裝置各種形式的管嘴以獲得不同的流速和流量。對(duì)于這些管嘴，盡管它們的形狀有所不同，但流體在其中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律基本相同。 1、圓錐形收縮管嘴: 2、圓錐形擴(kuò)大管嘴當(dāng)時(shí)， = =0.45 0.50。 3、流線型管嘴,第三節(jié) 無限空間淹沒紊流射流的特征,氣體經(jīng)孔口、管嘴或條縫向周圍氣體空間噴射所形成的擴(kuò)張流動(dòng)，稱為氣體淹沒射流，簡(jiǎn)稱氣體射流。 一、射流的形成與結(jié)構(gòu),第三節(jié) 無限空間淹
13、沒紊流射流的特征,1、射流核心區(qū)及邊界層 2、射流的過渡斷面（又稱轉(zhuǎn)折斷面）、起始段與主體段 二、射流的幾何特征 圓截面射流擴(kuò)張半徑R沿射程變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式: 或,第三節(jié) 無限空間淹沒紊流射流的特征,三、射流的運(yùn)動(dòng)特征 射流的速度分布規(guī)律反映出射流的運(yùn)動(dòng)特性。 圖7-13 主體段速度分布,第三節(jié) 無限空間淹沒紊流射流的特征,圖7-14 起始段速度分布 圖7-15 無因次化所用參數(shù)坐標(biāo),第三節(jié) 無限空間淹沒紊流射流的特征,四、射流的動(dòng)力特征 實(shí)驗(yàn)證明，射流中任意一點(diǎn)的壓強(qiáng)均等于周圍靜止氣體的壓強(qiáng)。 圖7-16 射流動(dòng)力特性推導(dǎo),第四節(jié) 圓斷面射流的運(yùn)動(dòng)分析,一、軸心速度um
14、 表明了無因次軸心速度與無因次距離成反比的規(guī)律。,第四節(jié) 圓斷面射流的運(yùn)動(dòng)分析,二、斷面流量Q 表明了無因次流量與無因次距離 成正比的規(guī)律，即射流流量沿程增加。,第四節(jié) 圓斷面射流的運(yùn)動(dòng)分析,三、斷面平均流速v1 由流體動(dòng)力學(xué)可知斷面平均流速的定義 表明無因次斷面平均流速與無因次距離成反比的變化規(guī)律。,第四節(jié) 圓斷面射流的運(yùn)動(dòng)分析,四、質(zhì)量平均流速 斷面平均流速表示射流斷面上的算術(shù)平均值。斷面平均流速僅為軸心流速的20%。通風(fēng)、空調(diào)工程上通常使用的軸心附近較高的速度區(qū)。因此不能恰當(dāng)?shù)姆从潮皇褂脜^(qū)的速度。為此引入質(zhì)量平均流速。質(zhì)量平均流速v2定義為：用v2乘以質(zhì)量流量即得單位時(shí)間內(nèi)射流任一
15、橫截面的動(dòng)量。,第四節(jié) 圓斷面射流的運(yùn)動(dòng)分析,以上分析表明，圓斷面氣體紊流射流主體段的斷面平均流速是同斷面軸心速度的20%；而其質(zhì)量平均流速約為同斷面軸心速度的50%。通風(fēng)空調(diào)工程中，通常需要的是軸心附近流速較高的那部分射流。由于v1與um相差較大，若按v1進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算，將會(huì)造成不必要的浪費(fèi)，因此，工程上一般采用v2來進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算。,第四節(jié) 圓斷面射流的運(yùn)動(dòng)分析,例7-7 用一帶有導(dǎo)風(fēng)板的軸流式風(fēng)機(jī)送風(fēng)，送風(fēng)口直d0=400mm，風(fēng)機(jī)出口斷面上的體積流量Q0=5500m3/h，試求距風(fēng)機(jī)出口15m處的軸心速度和風(fēng)量。 解 風(fēng)機(jī)出口流速 查表7-2：帶導(dǎo)風(fēng)板的軸流式風(fēng)機(jī)： 認(rèn)為出口15
16、m處在射流主體段中。s=15m時(shí)： 由 得 由 得,第四節(jié) 圓斷面射流的運(yùn)動(dòng)分析,五、起始段核心區(qū)軸心長(zhǎng)Sn及核心收縮角 由圖7-12可知核心區(qū)軸心長(zhǎng)Sn即為射孔出口斷面至過渡斷面的距離，又稱為核心長(zhǎng)度。 由于實(shí)際工程中主要研究的是主體段運(yùn)動(dòng)規(guī)律，故起始段的研究略去。如需要可以參考相關(guān)的書籍。,第五節(jié) 平面射流,當(dāng)氣體從相當(dāng)長(zhǎng)的條縫形射孔中射出時(shí)，射流的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)被限制在垂直于條縫長(zhǎng)度的平面上，這種僅在平面上擴(kuò)張的射流被稱為平面射流。 平面射流的幾何、運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力特性完全與圓斷面射流相似。所不同的是，對(duì)平面射流，噴口的形狀系數(shù)=2.44，與圓斷面射流相比，在相同的出流強(qiáng)度條件下，平面射流的
17、擴(kuò)張角要小，即平面射流斷面流量的增加、斷面速度的衰減比圓射流要慢。 平面射流速度與流量等參數(shù)變化規(guī)律的推導(dǎo)過程與圓斷面射流類似，不再詳述。需注意平面射流計(jì)算公式中用2b0（b0半高度）表示噴口高度。見表7-4。,第六節(jié)溫差或濃度射流及射流彎曲,一、溫差或濃差射流 溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)的形成與等溫射流速度場(chǎng)的形成過程相同。橫向動(dòng)量交換、漩渦的出現(xiàn)，使得發(fā)生質(zhì)量交換的同時(shí)還發(fā)生熱量交換、濃度交換；在這些交換中，由于熱量擴(kuò)散比動(dòng)量擴(kuò)散要快，因此溫度邊界層比速度邊界層發(fā)展要快。如圖7-17（a）所示：實(shí)線表示的速度邊界層的外邊界比虛線表示的溫度邊界層的外邊界要窄，而內(nèi)邊界則要寬些。,第六節(jié) 溫差或濃度射流及
18、射流彎曲,圖7-17 溫度邊界層與速度邊界層的對(duì)比 1.主體段軸心溫差 2.主體段質(zhì)量平均溫差 所謂質(zhì)量平均溫差，就是以該溫差乘上便得射流任一橫斷面的相對(duì)焓值。,第六節(jié)溫差或濃度射流及射流彎曲,二、射流彎曲 溫差或濃差射流由于密度與周圍氣體密度不同，所受的重力與浮力不相平衡，使整個(gè)射 流發(fā)生向上或向下彎曲。對(duì)于冷射流或高濃度射流，由于射流密度大于周圍氣體密度，射流軸線將向下彎 曲；對(duì)于熱射流或低濃度射流則相反，射流軸線向上彎曲。,第六節(jié)溫差或濃度射流及射流彎曲,如圖7-18所示： 研究軸心線的彎曲軌跡，即得出射流的彎曲無因次軌跡方程：,例7-8 利用帶導(dǎo)葉片的通風(fēng)機(jī)向車間某工作區(qū)送冷風(fēng)。
19、送風(fēng)溫度為15，車間空氣溫度30。工作區(qū)要求工作面直徑D=2.5m，質(zhì)量平均風(fēng)速為3m/s，質(zhì)量平均溫度降到25，紊流系數(shù)=0.12。求(1)通風(fēng)機(jī)風(fēng)口的直徑及速度；（2）風(fēng)口到工作面的距離。 解 軸心溫差： 質(zhì)量平均溫差： 由,第六節(jié)溫差或濃度射流及射流彎曲,第六節(jié)溫差或濃度射流及射流彎曲,求出 有 求得風(fēng)機(jī)出口直徑 工作地點(diǎn)質(zhì)量平均風(fēng)速v2要求3m/s。 由公式 得 求風(fēng)口到工作面的距離s； 由 得,第七節(jié) 有限空間射流簡(jiǎn)介,在通風(fēng)空調(diào)工程上，射流送風(fēng)是在有限空間中進(jìn)行的。房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)（墻、頂棚、地面）限制和影響了射流的擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)，此時(shí)射流結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律和自
20、由射流相比有明顯的差異，必須重新研究。目前有限空間射流理論尚不完善，大多是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理得到的經(jīng)驗(yàn)公式或無因次曲線。,第七節(jié) 有限空間射流簡(jiǎn)介,一、射流結(jié)構(gòu) 圖7-19 有限空間射流結(jié)構(gòu),第七節(jié) 有限空間射流簡(jiǎn)介,二、動(dòng)力特征 由實(shí)驗(yàn)得知：第一臨界斷面以后，射流邊界層內(nèi)的壓強(qiáng)受回流影響沿射程逐漸增大，到射流主體前端，壓強(qiáng)達(dá)到最大值，它略高于周圍氣體壓強(qiáng)。此外，射流各斷面上的動(dòng)量不相等，而是沿射程減小。-斷面后，動(dòng)量迅速降低直到相對(duì)動(dòng)量為零。,第七節(jié) 有限空間射流簡(jiǎn)介,三、半經(jīng)驗(yàn)公式 有限空間射流的計(jì)算，主要依靠實(shí)驗(yàn)得到的半經(jīng)驗(yàn)公式。在通風(fēng)與空調(diào)工程中，設(shè)計(jì)要求使工作區(qū)處于射流的回流區(qū)內(nèi)，且
21、對(duì)回流區(qū)內(nèi)的風(fēng)速有限制。 現(xiàn)給出回流平均流速v的半經(jīng)驗(yàn)公式： 注意F的取值，對(duì)h0.7H的貼附射流，取F；而完整的有限空間射流，即h<0.7H時(shí)，取0.5倍F。,第七節(jié) 有限空間射流簡(jiǎn)介,例7-10 車間空間長(zhǎng)高寬=701230m。長(zhǎng)度方向送風(fēng)，直徑1m圓形風(fēng)口設(shè)在墻高6m處中央，紊流系數(shù)為0.08。設(shè)計(jì)限制最大回流速度為0.75m/s，工作區(qū)處回流速度為0.3m/s，求風(fēng)口送風(fēng)量和工作區(qū)設(shè)置在何處。若風(fēng)口提高3m，以上計(jì)算結(jié)果如何改變？ 解 1）風(fēng)口高h(yuǎn)=6m，H=12m，則 ，射流不貼附，公式中F用0.5F代入。 已知：v1=0.75m/s，v2=0.3m/s。由式（7-52）得到,第七節(jié) 有限空間射流簡(jiǎn)介,2）h=9m，H=12m，則 ， 則 射流貼附與不貼附相比增大倍，即： ； ； ；,
孔口、管嘴出流和氣體射流.ppt
