《流体力学与流体机械课件：9-第九章 堰流》由会员分享，可在线阅读，更多相关《流体力学与流体机械课件：9-第九章 堰流（34页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、堰堰 流流堰流特征堰流特征堰流的基本方程堰流的基本方程薄壁堰薄壁堰实用堰实用堰宽顶堰宽顶堰小桥孔径的计算小桥孔径的计算Hv堰流及其特征堰流及其特征 堰和堰流在明渠流中，为控制水位或控制流量而设置构筑物，使水流溢过构筑物的流动称为堰流，该构筑物称为堰堰流的水力特性如下： 1、堰的上游水面壅高，势能增大；在堰顶上水面下跌； 2、堰流一般从缓流向急流过渡，属于急变流。堰流的水力计算主要考虑局部阻力； 3、水流在流过堰顶时，具有自由表面的液流在表面张力的作用下，水流会收缩。H堰的分类 以堰顶的宽度与堰上水头H的比值分类：薄壁堰实用堰宽顶堰 当/H10时,为明渠流 其它分类按下游水位是否影响堰流性质分:
2、 自由式出流当下游水深较小而不影响堰顶正常出流； 淹没式出流当下游水深较大且已经影响到了堰顶的正常出流。按上游渠道宽度B与堰宽b的相互大小分： 无侧收缩堰上游渠道宽度B等于堰宽b； 有侧收缩堰渠宽B大于堰宽b。按水流与堰的流动方向分： 正堰水流方向与堰正交； 斜堰水流方向与堰非正交； 侧堰水流方向与堰平行。基 本 方 程以宽顶堰为例流量公式 m流量系数 k收缩系数薄 壁 堰定义： 分类：按堰口形状的不同，分为矩形堰、三角形堰、梯形堰、比例堰等。三角形堰常用于较小的流量，矩形和梯形堰常用于量测较大的流量。计算公式： 矩形薄壁堰流量公式流量系数三角形薄壁堰流量公式=900，H=0.050.25m=
3、900，H=0.250.55m梯 形 薄 壁 堰 流量公式当梯形的=14，由实验得mo=0.42 其 它 堰比例堰: 流量Q与作用水头H 成直线关系竖井堰: 也称环堰，是在平面上 成圆形的溢流堰 实 用 堰定义: 实用堰是水利工程中用来挡水同时又能泄流的构筑物分类:曲线型实用堰和折线型实用堰 （a）曲线型；（b）折线型曲 线 型有非真空堰和真空堰两种如果曲线与同样条件下薄壁堰自由出流的水舌下缘相重合，堰面压强为大气压强.此时流量系数m与薄壁堰基本相当。如果曲线突出水舌下缘，则堰面将顶托水流。堰面的压强应大于大气压强。堰前总水头中的一部分势能将转换成压能，过水能力就会降低。上述两类堰都称为非真空
4、堰。曲 线 型真空堰真空堰如果堰面低于水舌下缘，溢流水舌将脱离堰面。脱离处空气被水舌卷吸带走，堰面处会形成局部真空。优点过水能力会得到提高缺点水流不稳定，会引起构筑物的振动，而且可能在堰面产生空穴，导致堰面损坏。理想的剖面形状应使堰面曲线与薄壁堰水舌下缘重合，这样既不产生真空，又有比较大的过水能力。常用形式克里格尔-奥菲采洛夫剖面堰、美国WES标准剖面堰、长研1型剖面堰等。实 用 堰折线型部分小型堰或临时性堰经常采 用计算公式：与薄壁堰相同流量系数：曲线形 mo=0.45 折线形 mo=0.42出 流 形 式淹没影响: 淹没条件: 流量公式: 淹没系数:见表9-1侧向收缩影响: 收缩条件: 流
5、量公式: 收缩系数:与b/B有关宽 顶 堰 定义: 水力特征:水面在堰顶处一次跌落;若自由出流,在堰顶末端形成第二次跌落流量公式HppLvohcovcchc最大理论流量系数理想流体时,通过流量最大.堰顶处水深h=2/3H势能h为三分之二、动能v2/2g为三分之一h=hk时，通过流量最大mmax=0.385实际中,由于存在能量损失堰顶水深hhk,mmmax出 流 形 式自由式流量公式: 流量系数: 矩形直角进口 矩形圆弧进口m=0.32 m=0.36 出 流 形 式淹没式淹没条件： 必要条件：下游水位高于堰顶 充分条件：堰顶上急流变为缓流 综合条件:流量公式：淹没系数：见表9-2 出 流 形 式
6、侧向收缩收缩条件：堰宽b小于上游渠道宽B流量公式：收缩系数： 式中： a墩形系数，矩形为0.19；圆形为0.10 例：某矩形断面宽顶堰，已知：渠道宽B=3m，堰宽b=2m，坎高p=p=1m，堰上水头H=2m，堰顶为直角进口，墩头为矩形，下游水深h=2.75m，试求过堰流量。解：(1)判别出流形式满足淹没出流的条件,又由于bB，该流动为淹没式有侧向收缩的宽顶堰流。(2)计算流量系数m和侧向收缩系数堰顶为直角进口， 侧向收缩系数 ， (3)计算流量查淹没系数采用迭代法第一次取H01=H=2m 第二次取H02=2.035mhs/H02=0.86=0.95第三次取第三次取 H H0303=2.04m,
7、h=2.04m,hs s/H/H0404=0.858,=0.858, =0.952=0.952本题计算限定计算误差为1%，当前后两次试算的值满足限定误差要求时，可认为该值为最终值。则过堰流量Q=8.05m3/s。 小桥孔径的水力计算特征：小桥的底板一般与河床底板齐平。由于桥墩受侧向收缩的影响，使水流的过水断面变小，形成局部阻力。水流在桥孔前水位壅高，进入桥孔后，流速增加，造成水面一次跌落；当水流流出桥孔后，由于水面变宽，又产生局部阻力，使水面再一次跌落。计算特点：运用宽顶堰流的理论，水力现象与宽顶堰水流过程相似。水力计算准备已知数据：根据水文资料决定的设计流量Q，按河道情况决定的对应于设计流量
8、的天然水深H（下游）。设计选定：按河床加固情况以避免冲刷而拟定的最大允许不冲流速v。主要任务：设计小桥孔径b及桥前抬高水深H1。方案评价：小桥孔径愈小，造价愈低，但小桥前抬高水深就愈大，会影响农田或路基高度。桥下流速也愈大，使河床加固费用也愈大。反之，小桥孔径愈大，则桥前水深和桥下流速就会减少，但小桥本身的造价却增加。因此，最后应以建筑技术、造价经济等方案比较来决定。出流形式：根据桥下水深与下游水深的不同比值，可分为自由式出流和淹没式出流两种。 自由式出流自由出流当桥下游水位不影响小桥的过水能力，水面有明显的两次跌落。判别要求：取桥孔中的流速为最大允许不冲流速v桥孔中水流有效面积 ：通过的流量
9、为：小桥孔径为： 自由式出流选定标准孔径 b计算取用标准值后的流速 vk：再计算相应桥孔b中的水深hk，判定所选标准孔径b中的水流出流形式 将其与H2作比较，如果是淹没式，则应按淹没式重新计算。如果仍是自由式，可继续计算桥上游壅水深度H。壅水深度H：淹没式出流 淹没式出流下游水位影响到桥的过水能力判别标准：桥下水深可认为与下游水深H2一致。取最大允许不冲流速v流量 ： 小桥孔径 ：选用标准孔径 b并计算实际流速桥前壅水深度H 例题：某河道设计流量Q=20m3/s，天然水深H2=1.0m,行近流速v0=1m/s.现拟建造桥梁,设允许流速v=3.5m/s,侧向收缩系数=0.80,流速系数=0.85
10、,垂直收缩系数=1.0。求：矩形桥孔孔径b和桥前抬高后的水深H。解：自由式出流先判别出流形式取标准孔径b=6.0m仍为自由式出流 都江堰都江堰坐落于四川省都江堰市都江堰市城西，位于成都平原西部的岷江上。都江堰水利工程建于公元前256年，是中国战国时期秦国蜀郡太守李冰父子率众修建的一座大型水利工程，是全世界迄今为止，年代最久、唯一留存、以无坝引水无坝引水为特征的宏大水利工程。 两千多年来，一直发挥着防洪灌溉作用。截至1998年，都江堰灌溉范围已达40余县，灌溉面积达到66.87万公顷。 都江堰水利工程以历史悠久、规模宏大、布局合理、运行科学，与环境和谐结合，在历史和科学方面具有突出的普遍价值，2000年联合国世界遗产委员会第24届大会上都江堰被确定为世界文化遗产。下周课堂教学暂停一次;下周安排实验 内容明渠水流水面曲线，堰流。 地点力学实验中心，水力学实验室。 时间上网登记。 方法同济主页/院系设置/航力学院/力学实验中心/选择时间。 或力学实验中心215室找俞老师。 下次上课交习题本
