工程水力学复习资料样本.doc

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工程水力学

复 习 要 点
液体的主要物理性质
连续介质、 密度、 粘滞性、 压缩性、 表面张力
一、 水跃复习要点
1.棱柱体水平明渠的水跃方程
2.共轭水深的计算
3.水跃跃长的计算
1、 一、 水跃的概念
水跃( hydraulic jump) : 是明槽水流从急流状态过渡到缓流状态时水面突然跃起的局部水力现象。
水跃的分区 旋滚区: 水跃区域的上部呈饱搀空气的表面旋滚似的水涡。
主流区: 水跃区域下部为在铅直平面内急剧扩张前进的水流。

水跃区的几个要素
跃前水深 ——跃前断面( 表面旋滚起点所在过水断面) 的水深;
跃后水深 ——跃后断面( 表面旋滚终点所在过水断面) 的水深; 水跃高度a=h”-h’
水跃长度 ——跃前断面与跃后断面之间的距离
二、 水跃的基本方程
 1. 水跃函数

 2.水跃的基本方程

式中 、 分别为跃前水深、 跃后水深, 称为共轭水深, 即对于某一流量Q, 具有相同的水跃函数 的那两个水深, 即为共轭水深
三、 水跃的形式
临界水跃: 当 时, 水跃的跃首刚好发生在收缩断面上, 跃后水深等于下游水深, 称为临界水跃。
远离式水跃: 当 时, 水跃发生在收缩断面之后, 跃后水深大于下游水深, 称为远离式水跃。
淹没水跃: 当 时, 当下游水深大于临界水跃的跃后水深时, 水跃淹没收缩断面, 称为淹没水跃。

二、 堰流及闸孔出流复习要点
1、 概    述
堰和堰流: 无压缓流经障壁溢流时,上游发生壅水,然后水面跌落,这一局部水力现象称为堰流( Weir Flow) ;障壁称为堰。
堰流的基本特征量
1.堰顶水头H;    
2.堰宽b;    
3.上游堰高P、 下游堰高P1;    
4.堰顶厚度δ;    
5.上、 下水位差z;
6.堰前行近流速υ0。
堰的分类

堰流及孔流的界限
堰流: 当闸门启出水面, 不影响闸坝泄流量时。
孔流: 当闸门未启出水面, 以致影响闸坝泄流量时。
堰流和孔流的判别式
  ( 1) 宽顶堰式闸坝
      堰流:   e/H ≥0.65       孔流:   e/H <0.65
  ( 2) 实用堰式闸坝( 闸门位于堰顶最高点时)
      堰流:  e/H ≥0.75       孔流:   e/H <0.75
      式中:   e——闸门开启高度;               H——堰孔水头。

2、 堰流的基本公式
式中:m——堰流流量系数, m=
堰流公式
式中: ——淹没系数, ≤1.0;
      ——侧收缩系数, ≤1.0 。
          m0——计及行近流速的流量系数。
例: 某矩形断面渠道, 为引水灌溉修筑宽顶堰( 如图10-19) 。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:( 1) 判别出流形式
hs=h-P=1m>0  ————   必要条件  
——充分条件
满足淹没溢流必要条件, 但不满足充分条件, 为自由式溢流。 b< B , 有侧收缩。综上所述, 本堰为自由溢流有侧收缩的宽顶堰。
( 2) 计算流量系数m : 堰顶为直角进口, P/H=0.5<3, 则由公式得

( 3) 计算侧收缩系数 

( 4) 计算流量: 自由溢流有侧收缩宽顶堰
其中
用迭代法求解Q, 第一次取H 0(1)≈H

第二次近似, 取

第三次近似, 取

本题计算误差限值定为1%, 则过堰流量为Q=Q(3) =8.48m3/s
( 5) 校核堰上游流动状态

上游来流为缓流, 流经障壁形成堰流, 上述计算有效。用迭代法求解宽顶堰流量高次方程, 是一种基本的方法, 但计算繁复, 可编程用计算机求解。
三、 泄水建筑物下游的水流衔接与消能复习要点
泄水建筑物下游的水流特性表现为:流速高、 水深小、 单宽流量大、 能量集中。下泄水流对河床具有极大的破坏性, 直接威胁大坝本身的安全。
底流消能的水力计算
挑流消能的水力计算
底流式消能(underflow energy dissapition) 在建筑物下游采取一定的工程措施, 控制水跃发生的位置, 经过水跃产生的表面旋滚和强烈的紊动来消除余能。

挑流式消能(ski-jump energy dissapition)将水流挑射至远离建筑物的下游, 使下落水舌对河床的冲刷不会危及建筑物的安全。下泄水流的余能一部分在空中消散, 大部分在水舌落入下游河道后被消除。

面流式消能(surface flow energy dissapition)
将下泄的高速水流导向下游水流的上层, 主流与河床被巨大的底部旋滚隔开。余能主要经过水舌扩散, 流速分布调整及底部旋滚与主流的相互作用而消除
§9.1 底流消能的水力计算
v 泄水建筑物下游收缩断面水深的计算
v 泄水建筑物下游水跃的位置及其对消能的影响
v 控制水跃位置的工程措施
例题
某 WES 堰,顶设计水头Hd = 3.2 m, 设计水头下溢流堰流量系数 md = 0.502, 流速系数 为0.95, 上下游堰高均为 30 m,下游水深 ht = 4.6 m。
( 1) 不考虑侧收缩影响, 求经过溢流堰的单宽设计流量q ;
( 2) 判断经过设计流量时, 堰下游水流衔接形式, 若需要建消能工, 则进行挖深式消能池的水力计算。

H
ht
p1

解
1. 判断溢流坝下游水流衔接形式
为了判断溢流坝下游水流衔接形式, 先计算下游收缩水深hc及其共轭水深 hc” 。可用查图法或迭代法。
解法一: 采用查图法计算hc及hc”
( 1) 计算堰顶水头作用下经过溢流堰的单宽流量 当不计侧向收缩影响及行进流速水头时, 由实用堰流量公式可得

因下游水位低于堰顶, 溢流堰为自由出流。取淹没系数σs= 1.0 。
于是于是

( 2) 计算临界水深 hk
对于矩形断面有 对于矩形断面有 , 故

, 故

( 3) 计算以下游收缩断面底部水平面为基准的总水头E0
H0
p2

ht

因为溢流坝较高, 行近流速水头能够忽略不计
( 4) 查图计算hc及hc”
由 由 及参变量
及参变量
查矩形断面渠道收缩水深及其共轭水深求解图得
于是收缩水深
于是收缩水深

hc的共轭水深hc的 共轭水深

题目
某溢流坝共7孔, 每孔净宽b = 6 m, 闸墩厚度d =1.8 m。溢流坝顶高程为161 m, 设计水位为167.15 m, 流量系数 m = 0.49, 收缩系数ε1= 0.95, 挑坎为连续式, 坎顶高程为111.0, 挑角 = 28°; 下游河床高程为102 m, 岩基冲刷系数为1.10( Ⅱ类岩) , 下游水深为7.0 m。试估算挑流射程及冲刷深度并检查冲刷坑是否危及大坝安全。

▽
167.15
161
▽
▽
111
▽
102
▽
109

解
本题首先确定在设计水位167.15 m时, 溢流坝下泄流量 Q ; 然后进行挑流射程 L 及冲刷坑深度 ts 的估算, 最后进行冲刷坑后坡 i 的验算。

L
ts
Q
i

L1
L0
L
ts
ht

1
1
h1

挑流射程 L 为空中射程 L0 与水下射程 L1 之和。若 忽略坎顶水深 h1 , 则空中射程 L0 及水下射程 L1可分别按以下计算式估算:

1.溢流坝下泄流量 Q 的计算
因溢流坝较高, 行近流速水头可忽略不计, 即H0≈H = 167.15 m－161m = 6.15 m; 同时下游水位较低, 溢流坝为自由泄流, 故下泄流量计算式为:

2.冲刷坑深度 ts 的估算
为了计算水下射程 L1, 先计算冲刷坑深度 ts
冲刷坑深度估算式为:
式中, 岩基冲刷系数 ks= 1.10 , 其它各参数计算如下:

3. 射程估算 L
根据已知数据求得
计算流速系数 的经验公式较多, 这里采用长江流域规划办公室的经验公式计算

式中流能比

4. 检验冲刷坑后坡 i

故认为冲刷坑不致于危及大坝的安全。

L
ts
ht
i

四、 水击的复习要点
1、 水击现象的基本概念
水击现象( Water-hammer Phenomena) : 在有压管道系统中, 由于某一管路中的部件工作状态的突然改变, 就会引起管内液体流速的急剧变化, 同时引起液体压强大幅度波动, 这种现象称为水击现象。
直接水击( Rapid Closure) : 当关闭阀门时间小于或等于一个相长时, 最早由阀门处产生的向上传播而后又反射回来的减压顺行波, 在阀门全部关闭时还未到达阀门断面, 在阀门断面处产生的可能最大水击压强将不受其影响, 这种水击称直接水击。
间接水击( Slow Closure) : 当关闭阀门时间大于一个相长时, 从上游反射回来的减压波会部分抵消水击增压, 使阀门断面处不致达到最大的水击压强, 这种水击称为间接水击。
2、 有压管道中的水击的四个阶段
1. 增压逆波阶段 
水击波的传播现象: 一个增压波以一定速度向水库方向传播的现象,
2.: 减压顺波阶段
3.: 减压逆波阶段
4. 增压顺波阶段
3、 水击的计算
1) 水击波的传播速度

式中: c0——水中声波的传播速度, c0 =1425m/s ;
E0——水的弹性模量, E0 =2.04´109 N/m2 ;
E——管壁的弹性模量;
D——管径( m) ;
d——管道壁厚( m)
2) 水击压强的计算
直接水击压强最大值计算公式:
间接水击压强计算公式: ( 用水击联锁方程求解, 初估用下式)

式中: Tz——阀门关闭时间;
Tr =2l/c——水击波相长;
v0 ——水击前的管中流速。

4、 水击危害的预防
1.设置空气室, 或安装具有安全阀性质的水击消除阀;
2.设置调压塔: 减小水击压强及缩小水击的影响范围;
3.延长阀门关闭时间; ( 缓闭止回阀)
4.缩短有压管路的长度; ( 用明渠代替)
5.减小管内流速( 如加大管径) 。
五、 渗流复习要点
概 念
渗流的基本定律 渗流的基本方程式
1、 渗流简化模型( 渗流模型假设)
1) 渗流简化模型的定义忽略土壤颗粒的存在, 认为水充满整个渗流空间, 且满足:
u 对同一过水断面, 模型的渗流量等于真实的渗流量。
u 作用于模型任意面积上的渗流压力, 应等于真实渗流压力。
u 模型任意体积内所受的阻力等于同体积真实渗流所受的阻力。
2、 渗流的基本定律——达西定律

达西定律说明: 在某一物质介质的孔隙中, 渗流的水力坡度与渗流流速的一次方成正比, 因此亦称渗流线性定律。
达西定律适用范围: 达西定律只适用于层流渗流
六、 高速水流复习要点

高速水流的定义、 特性及水力学问题
泄洪消能 高速水流脉动压强及流体诱发振动 高速掺气水流 泄洪雾化
七、 相似原理及模型试验基础复习要点
相似的基本概念 相似准则 水力模型试验种类及模型设计
几何相似 指原型和模型几何形状和几何尺寸相似, 即原型和模型的对应线性长度之比均保持一个定值。
运动相似 原型和模型对应点的流速、 加速度向量相似.或者说两个流动的速度场(或加速度场)是几何相似的
动力相似 原型与模型中对应点上作用的各同名力矢量互相平行, 且其大小具有同一比值。