第十二节 孔口和管嘴出流演示与量测实验
一、实验目的和要求
（1）观察各种典型孔口和管嘴自由出流的水力现象与圆柱形管嘴内的局部真空现象。
（2）通过对不同管嘴与孔口流量系数测量分析，了解进口形状对过流能力的影响及相关水力要素对孔口出流能力的影响。
（3）测定薄壁孔口出流和管嘴出流的断面收缩系数ε、流速系数φ、流量系数μ，局部阻力系数ζ。
二、实验原理
水流经过容器孔口流出的流动现象称为孔口出流。在孔口上连接长3～4倍孔口直径的短管，水流经过短管并在出口断面满管流动的水流现象称为管嘴出流。
（1）薄壁孔口出流。在盛有液体的容器侧壁上开一小孔，如图2-12-1所示，孔口具有尖锐的边缘，通过孔口的水流与孔壁的接触为一条线，出流仅受到局部阻力的影响。
液体在一定水头作用下，从各个方向流向孔口，并以射流状态流出，由于水流惯性作用，在流经孔口后，断面发生收缩现象，在距孔口d/2处达到最小值，形成收缩断面（图2-12-1）中的c-c断面。
图2-12-1 薄壁孔口出流
收缩系数：收缩断面的过水面积Ac小于孔口断面面积A，两者之比称为收缩系数ε。
薄壁孔口出流，取符合渐变流条件的断面 1-1和收缩断面c-c，列能量方程得：
出流流量
孔口收缩断面流速
图2-12-2 管嘴出流
其中，
，由于v0很小，速度水头
可忽略不计。
由实验测得小孔口的ε=0.60～0.64， φ=0.97～0.98，μ=0.6～0.62。
（2）圆柱形外伸管嘴出流。如在孔口上装一段L=（3～4）d的短管，如图2-12-2所示，此时水流的出流现象变为典型的管嘴出流。当液流经过管嘴时，在管嘴进口处，液流仍有收缩现象，使收缩断面的流速大于出口流速，因此管嘴收缩断面处的动水压强必小于出口处的大气压强，在管嘴内形成真空，其真空度约为hV=0.75H0，真空度的存在相当于增大了管嘴的作用水头。在相同的作用水头下，同样断面管嘴的过水能力是孔口过流能力的1.32倍。
在恒定流条件下，取管嘴上游符合渐变流条件的断面1-1和断面2-2，以管中心线为基准面，列能量方程可得（v为断面2-2的断面平均流速）：
式中：
，速度水头
可忽略不计；A为管嘴出口断面2-2的过水断面面积；φ管为管嘴的流速系数；μ管为管嘴的流量系数。
由实验得到 μ嘴=0.79～0.84。
三、实验设备
实验设备如图2-12-3所示，孔口与管嘴均位于水箱的侧壁上，孔内径均为d。水箱由进水管供水，箱内设有溢流板以保持水头恒定。各种孔口和管嘴安装门盖以控制出流。在圆柱形管嘴收缩断面处设测压管，以观察真空现象。
图2-12-3 孔口、管嘴实验仪
四、实验步骤
（1）记录各种孔口与管嘴的内径d等有关常数。
（2）启动水泵，使水箱充水，使水箱的水位达到最高，并保持溢流，使水位恒定。
（3）观察分析各种薄壁孔口出流水股的收缩现象，观察和量测圆柱形管嘴出流时的真空高度hV值，并比较圆柱形与圆锥形管嘴（相同内径d）的泄流情况。
（4）用钢尺量测出各孔口及管嘴的作用水头H。
（5）使水流从孔口（或管嘴）流出，用外卡尺测量距离孔口1/2d处的收缩断面直径dc，断面积用
计算。
（6）用量筒、秒表算出体积流量Q，应重复三次。
五、实验数据记录
（1）孔口。常数：d=____cm
表1
（2）管嘴。常数：d=____cm
表2
六、注意事项
（1）每次测量时，应保持水流稳定，水位无波动。
（2）测量孔口收缩断面直径时，卡尺既不能阻碍水流又不能离开水流。
（3）注意管嘴出流时，管嘴内形成真空，出水呈满流。
（4）孔口、管嘴不可同时量测。
（5）实验结束后，关闭电源开关，拔掉电源插头。
七、思考题
（1）在使用管嘴出流时，管嘴长度常取为L=（3～4）d。请说明这样取值的原因。
（2）当计算圆柱形管嘴的真空高度hV时，常采用经验公式hV=0.75H0进行计算，将其与实测的真空高度进行比较，分析二者之间有所差别的原因。
（3）通过实验数据结果，说明孔口收缩系数ε的大小与哪些因素有关。
（4）薄壁孔口与厚壁孔口出流时收缩形式有什么不同？方形孔口的出流呈现何种截面形式收缩？为什么？
八、讨论分析题
（1）在相同的直径和相同的水头条件下，薄壁孔口出流的流量系数与厚壁孔口相比，哪种较大？试分析原因。
（2）在相同的直径和相同的水头条件下，孔口出流的流量系数与管嘴相比，哪种较大？试分析原因。
（3）在相同的直径和相同的水头条件下，圆柱形管嘴出流的流量系数与圆锥形管嘴相比，哪种较大？试分析原因。