流體力學(xué)講義第十章堰流

1、第十章堰流堰流是明渠緩流由于流動(dòng)邊界急劇變化而引起的明渠急變流現(xiàn)象。本章主要介紹各類(lèi)堰流的水力特 征、基本公式、應(yīng)用特點(diǎn)及水力計(jì)算方法。、堰和堰流堰：在明渠緩流中設(shè)置障壁，它既能壅高渠中的水位，又能自然溢流，這障壁就稱(chēng)為堰。堰流(weir flow )：緩流越過(guò)阻水的堰墻溢岀流動(dòng)的局部水流現(xiàn)象稱(chēng)為堰流。選擇：堰流特定的局部現(xiàn)象是：A.緩流通過(guò)障壁；B.緩流溢過(guò)障壁；C.急流通過(guò)障壁；D.急流溢 過(guò)障壁。研究堰流的主要目的:堰流的基本特征量（圖 10-1 ）探討流經(jīng)堰的流量 Q及與堰流有關(guān)的特征量之間的關(guān)系。1. 堰頂水頭2.堰寬b ；3.上游堰高下游堰高P1；圖 10-1- 4.堰頂厚度5.上

2、、下水位差6.堰前行近流速U0。、堰的分類(lèi)1.根據(jù)堰壁厚度 d與水頭H的關(guān)系，如圖10-2 :.h-.I-卜愛(ài)I玄就圖 10-2三角形堰 梯形悝r折線(xiàn)型實(shí)用堰 曲建型冥用堰I復(fù)合型實(shí)用堰萍壁堰（Wimwall weir）（陽(yáng)吒0上7）無(wú)沿程水頭揭失耳I 實(shí)用堰（口藝Eweir） C O.C7&Tad-crest weir) 12.5/H0.65孔流：e/H 0.75孔流：e/H 0.75式中：e閘門(mén)開(kāi)啟高度;H堰孔水頭。判斷：從能量角度看，堰流和閘孔岀流的過(guò)程都是一種勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的過(guò)程。對(duì)第一節(jié)堰流的基本公式、堰流基本公式推導(dǎo)(圖10-7 )由大孔口的流量公式(7-6)及盡 7 比 H，并考

3、慮上游行近流速的影響，令得堰流的基本公式:(10-1)式中:m堰流流量系數(shù),、堰流公式若考慮到側(cè)收縮影響及淹沒(méi)影響，則堰流公式為:(10-3 )(10-2 )式中：疔淹沒(méi)系數(shù)，IE 1.0 ；側(cè)收縮系數(shù)，E hc 充分條件(10-8)淹沒(méi)溢流時(shí)，不僅堰的過(guò)水能力降低，而且下游水面波動(dòng)較大，溢流不穩(wěn)定。所以用于測(cè)量流量用的薄壁堰，不宜在淹沒(méi)條件下工作。、三角形堰（圖10-10）堰通常用于實(shí)驗(yàn)室作小流量測(cè)量。當(dāng)堰為直角三角堰時(shí):(10-9)圖 10-10適用條件：F K為骯 AM三、梯形薄壁堰當(dāng)時(shí)的自由岀流時(shí)的梯形薄壁堰公式為:說(shuō)明：當(dāng)(10-10)冷=1羋時(shí)，側(cè)收縮梯形堰傾斜部分所增加的流量，正

4、好抵消矩形堰側(cè)收縮影響所減小的流量。即有側(cè)收縮的屮的梯形堰作自由岀流時(shí)的流量等于沒(méi)有側(cè)收縮的自由岀流矩形堰的流量。注：以上三類(lèi)薄壁堰的流量計(jì)算公式均是指自由岀流。圖 10-11A.有側(cè)收縮自由岀流;B.有側(cè)收縮淹沒(méi)岀流;C.無(wú)側(cè)收縮 自由岀流;D.無(wú)側(cè)收縮淹沒(méi)岀流。問(wèn)題2 :為保證薄壁堰為自由岀流，應(yīng)滿(mǎn)足:A. 堰上水頭盡量小，水舌下游空間應(yīng)與大氣相通;B. 堰上水頭不宜過(guò)小，水舌下游空間應(yīng)與大氣相通;C. 堰上水頭盡量小，水舌下游空間不應(yīng)與大氣相通;D. 堰上水頭不宜過(guò)小，水舌下游空間不應(yīng)與大氣相通。10-12 。第三節(jié)實(shí)用堰實(shí)用堰的主要用途：用作蓄水建筑物一一壩，或凈水建筑物的溢流設(shè)備，如

5、圖實(shí)用堆（咖血HQ 1蠶豔髓復(fù)含魁實(shí)用堰4圖 10-12.、曲線(xiàn)型實(shí)用堰 （圖10-13 ）1.真空實(shí)用堰、非真空實(shí)用堰非真空實(shí)用堰（non-vacuum weir）:若堰面的剖面曲線(xiàn)基本上與堰的水舌下緣外形相符，水流作 用于堰面上的壓強(qiáng)仍近似為大氣壓強(qiáng)，這種堰稱(chēng)為非真空實(shí)用堰。真空實(shí)用堰（vacuum weir ）:若堰面的剖面曲線(xiàn)低于堰的水舌下緣，溢流水舌脫離堰面, 脫離處的空氣被水流帶走而形成真空區(qū)，這種堰稱(chēng)為真空實(shí)用堰。A.減??；B.增加； C.選擇：當(dāng)曲線(xiàn)型實(shí)用堰的實(shí)際作用水頭大于設(shè)計(jì)水頭時(shí)，則過(guò)堰流量會(huì): 不變； D.不定。2.曲線(xiàn)形實(shí)用堰的設(shè)計(jì)穩(wěn)定安全。要求：堰面不發(fā)生負(fù)壓，流量

6、系數(shù)大，堰剖面較小，工程量小,堰型：目前工程界廣泛采用的是WES剖面堰。選擇：對(duì)于實(shí)用堰，對(duì)水流特性影響最大的是:A.上游直線(xiàn);B.堰頂曲線(xiàn)；C.下游直線(xiàn);D.反弧段。圖 10-13二、流量公式e=站稱(chēng)屁%（10-11）式中:B B=nb，為全部閘孔凈寬;n 閘孔的數(shù)目;b 單個(gè)閘孔凈寬;側(cè)向收縮系數(shù)，有(10-12)邊墩和閘墩形狀系數(shù)。*0,7/0J 7/Z y- ZZ/1.0；圖10-14 邊墩三、實(shí)用堰的淹沒(méi)判別d4 ddddQ.80.4D.454*025圖 10-15中墩實(shí)用堰淹沒(méi)判別與矩形薄壁堰的判別條件 相同（即下游水位高過(guò)堰頂且發(fā)生淹沒(méi)水躍），其流量公式為:(10-13)式中:淹

7、沒(méi)系數(shù)。第四節(jié)有坎寬頂堰、自由式無(wú)側(cè)收縮寬頂堰主要特點(diǎn)：進(jìn)口不遠(yuǎn)處形成一收縮水深，此收縮水深小于堰頂斷面的臨界水深，以后形成流線(xiàn)近似平行于堰頂?shù)臐u變流，水面在堰尾第二次下降，如圖10-16 。D.不定。（其中he為臨界水深）2.流量系數(shù)的計(jì)算選擇:淹沒(méi)岀流由出流1.自由式無(wú)側(cè)收縮寬頂堰的流量公式取1-1，2-2斷面寫(xiě)能量方程（4-15）:時(shí):直角邊緣進(jìn)口:m=0.32，圓角進(jìn)口：m=0.36cry口-1.0時(shí):直角邊緣進(jìn)口:(10-14)令頁(yè)，則得寬頂堰的流量公式:直角邊緣修圓:=他=&切J2g（鳳-劃=如看/1 -七5孑龍吃=訛嚴(yán)(10-13)(10-15)式中:堰進(jìn)口處的局部水頭損失;說(shuō)明

8、：1.根據(jù)伯朗日最大流量假設(shè)，當(dāng)2孑時(shí)，過(guò)堰流量為最大，m=0.385甲甲流速系數(shù)，丿歹2.流體為理想流體時(shí)，=0，即卩= 1.0，m =0.385m堰流量系數(shù),般地， m 值在0.32-0.385 之間。判斷：相同水頭的作用下，實(shí)用堰的過(guò)流能力比寬頂堰大。二、側(cè)收縮寬頂堰（bvB）(10-16)式中：|側(cè)向收縮系數(shù)，由式（10-12）計(jì)算。式中:邊墩和閘墩形狀系數(shù)，取值同實(shí)用堰。或?qū)慰讓掜斞哂薪?jīng)驗(yàn)公式:=1(10-17)a為墩形系數(shù)，矩形墩a=0.19，圓形墩a=0.10。三、淹沒(méi)式寬頂堰 （圖10-17、10-18）77777777777777777777? ；6 J圖 10-17圖 1

9、0-18判別條件：必要條件:hs0.沒(méi)出流自由出流充分條件:D7j5 -DgJ OS鳳(10-18)(10-19)流量公式(10-20)寬頂堰淹沒(méi)出流時(shí)堰頂?shù)牧鲃?dòng)狀態(tài)是緩流。例：某矩形斷面渠道，為引水灌溉修筑寬頂堰（如圖10-19 ）。已知渠道寬 B=3m，堰寬b=2m，坎高P=P 1=1m，堰上水頭 H=2m，堰頂為直角進(jìn)口,單孔，邊墩為矩形，下游水深h=2m。試求過(guò)堰流量。必要條件解：（1 ）判別岀流形式hs= h-P=1m0充分條件 圖 10-19滿(mǎn)足淹沒(méi)溢流必要條件，但不滿(mǎn)足充分條件，為自由式溢流。b B，有側(cè)收縮。綜上所述，本堰為自由溢流有側(cè)收縮的寬頂堰。（2）計(jì)算流量系數(shù) m :堰

10、頂為直角進(jìn)口，P/H=0.53，則由（10 14 ）得0.46+0.75(4 )計(jì)算流量：自由溢流有側(cè)收縮寬頂堰Q =血帕屁時(shí)其中盡=1麥知為用迭代法求解Q，第一次取 H 0(1)Qu =曲叫胚卅富=0菇.9為乂滬= 2.9丈卩201,卩時(shí)-=取陰)=警=0勺1 Im/s第二次近似，取2 + -Dry= 3.Q42mQ# =為疑H弧=2沖(2、Q舵嚴(yán)=M牴曲s叫廠(chǎng)諾僉二響9如心Cffl/R第三次近似，取是%)本題計(jì)算誤差限值定為1%，則過(guò)堰流量為Q=Q(3)=8.48m 3/s(5)校核堰上游流動(dòng)狀態(tài)上游來(lái)流為緩流，流經(jīng)障壁形成堰流，上述計(jì)算有效。用迭代法求解寬頂堰流量高次方程,一種基本的方法

11、，但計(jì)算繁復(fù)，可編程用計(jì)算機(jī)求解。堰流分類(lèi)判別標(biāo)準(zhǔn)矩飛堰壁三箱堰梯形堰實(shí)劇廻0j67 3賈頂堰2J 0.8H 。三者淹沒(méi)岀流的必要條件相同：堰下游水位高岀堰頂標(biāo)高；但充分條件不同， 薄壁堰、實(shí)用堰是: 下游發(fā)生淹沒(méi)式水躍銜接。寬頂堰是：下游水位影響到堰上水流由急流變?yōu)榫徚骷囱吡髁髁抗街械牧髁肯禂?shù)m和mO有什么區(qū)別?答案:中的I用沒(méi)有計(jì)及行近流速中的?？紤]了行近流速的影響第五節(jié)無(wú)坎寬頂堰水流流經(jīng)小橋孔，由于受橋臺(tái)、橋墩的側(cè)向約束，使過(guò)水?dāng)嗝鏈p小，形成寬頂堰溢流。一般情況下,橋孔下坎高P=P 1=0,故小橋孔的過(guò)水是無(wú)底坎平底（i=0 ）的寬頂堰溢流。無(wú)坎寬頂堰流形式在工程上因此可利用無(wú)坎寬頂堰

12、的原理對(duì)上述相關(guān)有很多，如經(jīng)過(guò)平底水閘、無(wú)壓涵洞及廊道進(jìn)口處的水流等。工程的溢流能力進(jìn)行計(jì)算。23X7、無(wú)坎寬頂堰的水力計(jì)算1. 流量系數(shù)形式2自由出流圖 10-20在無(wú)坎寬頂堰中，流量系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值包含了側(cè)壓縮的影響，即Q -叭唧過(guò)(10-21 )b淹沒(méi)出流因此由堰流基本公式（10-3 ）可得式中：m為包含側(cè)收縮影響的流量系數(shù),可據(jù)平面布置形成查水力計(jì)算手冊(cè)。6為寬頂堰淹沒(méi)系數(shù)。2. 流速系數(shù)形式如圖所示，以坎底為基準(zhǔn)面，設(shè)1-1斷面的總水頭為 H0, 2-2斷面的水深（即坎頂實(shí)際水深）為h2,平均流速為U，兩斷面之間的損失為。對(duì)1-1與2-2斷面列能量方程（4-15 ）得即:(10-22 )式

13、中p=u旳十才，流速系數(shù)由試驗(yàn)給岀，可查資料確定，一般段=0.85 E 0.95二、無(wú)坎寬頂堰岀流判別標(biāo)準(zhǔn)在無(wú)坎寬頂堰中，其判別岀流標(biāo)準(zhǔn)如下:自由岀流:ht1.3 hc(10-24 )式中：ht為下游河槽水深；hc為臨界水深。該判別標(biāo)準(zhǔn)與有坎寬頂堰的淹沒(méi)判別式（10-18 ）,基本上是一致的，現(xiàn)說(shuō)明如下:實(shí)驗(yàn)知e = Tbj鬲沖0.34 ff-1，代入有或 1.3hc=0.8 H0代入有坎寬頂堰的淹沒(méi)岀流條件式（10-18 )得21.3處（無(wú)坎寬頂堰h(yuǎn)s=h t)（注意，這里的hc對(duì)應(yīng)過(guò)流寬度為b,而不是必3. 計(jì)算橋前的壅水水深H列橋前水深與橋下水流的能量方程:用-& +蘭 +舉-址札+(1

14、 +荃-址th I,I-*匚un * rc2g令卞為流速系數(shù)，由橋臺(tái)形狀決定，則橋前壅水水深為:2g 廿 2g2 羽 2g式中：U 0橋前行進(jìn)流速，當(dāng)U 0 1.0m/s 時(shí)可忽略不計(jì)。小橋孔徑的計(jì)算步驟1）確定下游河槽天然水深ht;2）確定橋孔下臨界水深hc ;3) 判別小橋橋孔下岀流情況:杠總時(shí)，自由岀流，橋下水深為臨界水深he ；&占丄時(shí)，淹沒(méi)岀流，橋下水深為下游天然河槽水深ht 。4) 確定橋孔孔徑B、長(zhǎng)度L;計(jì)算橋前的壅水水深例：在某河道上有一鋼筋混凝土橋。該橋有一半圓形中墩d=1.0m，橋下斷面為梯形，m=1.5m。已知側(cè)收縮系數(shù)國(guó)=0.90，流速系數(shù)貯=0.90。根據(jù)河床土質(zhì)及加

15、固條件，允許流速u(mài)=3.0m/s 。當(dāng)橋孔通過(guò)設(shè)計(jì)流量Q=35m 3/s，下游河槽天然水深 ht=1.15m。試設(shè)計(jì)橋孔孔徑，橋前雍水水深。解：1.設(shè)計(jì)橋孔孔徑 ，求橋孔下臨界水深he,取u= us=3.0m/s由-斧器5M _ 方廠(chǎng) J耳一乓X兀乂 1 5x12,71x0 WS _ 12JI-仇5-7).0 _ 口鈾占30判別橋下水流狀態(tài)：由ht=1.15m; 1.3he= 1.3 X1.05=1.365m貝ht1.3 he，為自由岀流。，取 B =16m2.計(jì)算橋前雍水水深如行進(jìn)流速U忽略不計(jì)，則:療力少皿黑和山叫I逍(注：因標(biāo)準(zhǔn)B=16m 時(shí)接近設(shè)計(jì) B=15.1m，故he用B=15.1m 時(shí)的he值1.05m 計(jì)算，誤差許可。)本章小結(jié)、堰流特點(diǎn)及分類(lèi)堰流是明渠水流受豎向(或側(cè)向)收縮而引起雍高而后跌落(或二次跌落)的局部水流現(xiàn)象，在堰上游積聚的勢(shì)能于跌落中轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，在計(jì)算中不考慮沿程水頭損失。根據(jù)堰壁厚度d與水