九流体力学堰流.pptx

堰堰流流第九章第九章第1页/共31页学习重点：学习重点：掌握堰流分类及相关概念；掌握堰流分类及相关概念；掌握宽顶堰、薄壁堰和实用堰水力计算；掌握宽顶堰、薄壁堰和实用堰水力计算；第2页/共31页（3）能量损失计算式。）能量损失计算式。（1）能量方程；）能量方程；（2）总流的连续性方程；）总流的连续性方程；任务：任务：计算过流量计算过流量Q。依据：依据：第3页/共31页91概述概述1、堰：、堰：在明渠缓流中设置障壁，它即能壅高渠中在明渠缓流中设置障壁，它即能壅高渠中的水位，又能自然溢流，一种既可蓄又可的水位，又能自然溢流，一种既可蓄又可泄的溢流设施。泄的溢流设施。2、堰流：、堰流：缓流经明渠上的泄水构筑物时，越过阻水的缓流经明渠上的泄水构筑物时，越过阻水的堰墙溢出流动的局部水力现象。堰墙溢出流动的局部水力现象。一、堰和堰流一、堰和堰流第4页/共31页堰的上游水流受阻，水面壅高，势能增大；在堰顶上由于水深变小，流线收缩，速度变大，使动能增大；势能转化为动能，水面下跌。堰流一般从缓流向急流过渡，形成急变流。因此，堰流的水力计算主要是局部阻力，其沿程阻力可忽略。水流在流过堰顶时，一般在惯性的作用下均会脱离堰（构筑物），在表面张力的作用下，具有自由表面的液流，水流会收缩。3、堰流的水力特性如下：、堰流的水力特性如下：第5页/共31页研究堰流的主要目的：研究堰流的主要目的：探讨流经堰的流量探讨流经堰的流量Q及与堰流有关的特征量之间的关系。及与堰流有关的特征量之间的关系。堰流的基本特征量（图堰流的基本特征量（图9-1）1.堰顶水头堰顶水头H；2.堰宽堰宽b；3.上游堰高上游堰高P、下游堰、下游堰P1；4.堰顶厚度堰顶厚度；5.上、下水位差上、下水位差Z；6.堰前行近流速堰前行近流速0。（图（图9-1）第6页/共31页宽顶堰：宽顶堰：H0.67薄壁堰：薄壁堰：实用堰：实用堰：H2.50.672.5（1）依据堰顶厚度：依据堰顶厚度：H二、堰的分类二、堰的分类第7页/共31页（2）依据水流行近堰体的条件：依据水流行近堰体的条件：1侧收缩堰（侧收缩堰（b无侧收缩堰（无侧收缩堰（b=B）。）。Bb第8页/共31页1正堰正堰vv3侧堰侧堰v2斜堰斜堰（3）依据堰与渠道中水流的方向：依据堰与渠道中水流的方向：第9页/共31页（4）依据堰口的形状：依据堰口的形状：1三角堰三角堰3梯形堰梯形堰2矩形堰矩形堰1自由式；自由式；2淹没式。淹没式。4流线形堰流线形堰（5）依据下游水位是否影响泄流：依据下游水位是否影响泄流：第10页/共31页92宽顶堰溢流宽顶堰溢流小桥过水、无压短涵管、分洪闸、泄水闸等小桥过水、无压短涵管、分洪闸、泄水闸等一般都属于宽顶堰水流计算。一般都属于宽顶堰水流计算。1、水力现象分析：、水力现象分析：（1）当）当H42.5时，堰顶水面只有一次跌落，时，堰顶水面只有一次跌落，堰坎末端偏上游处的水深为临界水深堰坎末端偏上游处的水深为临界水深h cr。第11页/共31页工程中常见的是第二种宽顶堰工程中常见的是第二种宽顶堰时，堰顶水面出现两次跌落，时，堰顶水面出现两次跌落，H104（2）当）当其水深为：其水深为：h c（0.80.92）h cr在最大跌落处形成收缩断面，在最大跌落处形成收缩断面，第12页/共31页一、自由式无侧收缩宽顶堰一、自由式无侧收缩宽顶堰主要特点：进口不远处形成一收缩水深，此收缩水深小于堰顶断面的临界水深，以后形成流线近似平行于堰顶的渐变流，水面在堰尾第二次下降，如图9-2。1.自由式无侧收缩宽顶堰的流量公式自由式无侧收缩宽顶堰的流量公式取1-1，2-2断面写能量方程：令第13页/共31页则则令令，则得宽顶堰的流量公式：，则得宽顶堰的流量公式：式中：式中：堰进口处的局部水头损失；堰进口处的局部水头损失；流速系数，流速系数，m堰流量系数，堰流量系数，。一般地，。一般地，m值在值在0.32-0.38之间。之间。第14页/共31页2.流量系数的计算流量系数的计算别列津斯基（前苏联，别列津斯基（前苏联，1950）根据实验，提出流量系）根据实验，提出流量系数数m的经验公式：的经验公式：当当时：时：直角边缘进口：直角边缘进口：m=0.32，圆角进口：，圆角进口：m=0.36当当时：时：直角边缘进口：直角边缘进口：直角边缘修圆：直角边缘修圆：第15页/共31页二、侧收缩宽顶堰（二、侧收缩宽顶堰（b0充分条件：充分条件：流量公式：流量公式：式中，式中，s为淹没系数。随淹没程度为淹没系数。随淹没程度hs/H0的增大而减小，的增大而减小，见表见表9-1。第17页/共31页o例：某矩形断面渠道，为引水灌溉修筑宽顶堰（如图）。已知渠道宽B=3m，堰宽b=2m，坎高P=P1=1m，堰上水头H=2m，堰顶为直角进口，单孔，边墩为矩形，下游水深h=2m。试求过堰流量。解解:（1）判别出流形式）判别出流形式hs=h-P=1m0必要条件必要条件充分条件充分条件满足淹没溢流必要条件，但不满足充分条件，为自满足淹没溢流必要条件，但不满足充分条件，为自由式溢流。由式溢流。bB，有侧收缩。综上所述，本堰为自由溢，有侧收缩。综上所述，本堰为自由溢流有侧收缩的宽顶堰。流有侧收缩的宽顶堰。第18页/共31页（2）计算流量系数）计算流量系数m:堰顶为直角进口，堰顶为直角进口，P/H=0.53，则，则（3）计算侧收缩系数）计算侧收缩系数（4）计算流量：自由溢流有侧收缩宽顶堰）计算流量：自由溢流有侧收缩宽顶堰其中其中第19页/共31页用迭代法求解用迭代法求解Q，第一次取，第一次取H0(1)H第二次近似，取第二次近似，取第三次近似，取第三次近似，取第20页/共31页本题计算误差限值定为本题计算误差限值定为1%，则过堰流量为，则过堰流量为Q=Q(3)=8.48m3/s第21页/共31页93薄壁堰和实用堰溢流薄壁堰和实用堰溢流薄壁堰和实用堰虽然堰型和宽顶堰不同，但堰薄壁堰和实用堰虽然堰型和宽顶堰不同，但堰流的受力性质（受重力作用，不计沿程阻力）和运流的受力性质（受重力作用，不计沿程阻力）和运动形式（缓流经障壁顶部溢流）相同，因此具有相动形式（缓流经障壁顶部溢流）相同，因此具有相似的规律性和相同结构的基本公式。似的规律性和相同结构的基本公式。第22页/共31页1、矩形薄壁堰、矩形薄壁堰一、薄壁堰一、薄壁堰1）.基本公式基本公式因水流特点相同，基本公式的结构形式同式。对于自由式溢流因水流特点相同，基本公式的结构形式同式。对于自由式溢流为了能以实测的堰上水头直接求得流量，将行近流速水头为了能以实测的堰上水头直接求得流量，将行近流速水头的影响计入流量系数内，则基本公式改写为的影响计入流量系数内，则基本公式改写为第23页/共31页式中式中m0是计入行近流速水头影响的流量系数，需由实是计入行近流速水头影响的流量系数，需由实验确定。验确定。1898年法国工程师巴赞提出了相关的经验公式。年法国工程师巴赞提出了相关的经验公式。2）.无侧收缩、自由式、水舌下通风的矩形正堰：无侧收缩、自由式、水舌下通风的矩形正堰：m0采用巴赞公式计算：采用巴赞公式计算：公式适用范围：公式适用范围：b=0.2-2.0m，P=0.24-0.75m，H=0.05-1.24m，式中，式中H、P均以均以m计。计。第24页/共31页3）.有侧收缩、自由式、水舌下通风的矩形正堰：有侧收缩、自由式、水舌下通风的矩形正堰：4.矩形薄壁堰的淹没判别条件（如图）矩形薄壁堰的淹没判别条件（如图）1）堰下游水位高出堰顶标）堰下游水位高出堰顶标高，即高，即zhc充分条件充分条件淹没溢流时，不仅堰的过水能力降低，而且下游水面淹没溢流时，不仅堰的过水能力降低，而且下游水面波动较大，溢流不稳定。所以用于测量流量用的薄壁堰，波动较大，溢流不稳定。所以用于测量流量用的薄壁堰，不宜在淹没条件下工作。不宜在淹没条件下工作。第25页/共31页2、三角形堰、三角形堰可分成若干矩形堰，再积分。可分成若干矩形堰，再积分。设三角形堰的夹角为设三角形堰的夹角为，自顶点算起，自顶点算起的堰上水头为的堰上水头为H，将微小宽度，将微小宽度db看成看成薄壁堰流，则微小流量的表达式为薄壁堰流，则微小流量的表达式为第26页/共31页当当=900,H=0.050.25m时，由实验得出时，由实验得出m0=0.395，于是，于是当当=900,H=0.250.55m时，另有经验公式时，另有经验公式式中式中H为自堰口顶点算起的堰上水头，单为自堰口顶点算起的堰上水头，单位以位以m计，流量计，流量Q单位以单位以m3/s计。计。第27页/共31页二、实用溢流堰二、实用溢流堰真空堰真空堰非真空堰非真空堰（2）折线型实用堰折线型实用堰（1）曲线型实用堰曲线型实用堰折线型折线型曲线型曲线型主要用于蓄水或挡水，其剖面可设计成主要用于蓄水或挡水，其剖面可设计成曲线型，折线型。曲线型，折线型。1、分类：、分类：第28页/共31页判别淹没条件同薄壁堰。判别淹没条件同薄壁堰。2、计算式、计算式（1）自由式无侧收缩：）自由式无侧收缩：（2）有侧收缩：）有侧收缩：第29页/共31页1m曲：曲：0.430.50折：折：0.350.43（3）淹没式：）淹没式：2为侧收缩系数，初步估算时常取为侧收缩系数，初步估算时常取=0.85-0.95。3其它分别查有关表格如其它分别查有关表格如，查表，查表9-2。第30页/共31页第31页/共31页